Il crescente senso di urgenza riguardo allo sviluppo della tecnologia di fusione per la produzione di energia negli Stati Uniti ha avuto un'altra spinta questa settimana con il rilascio di un rapporto di consenso della comunità da parte di un gruppo eterogeneo di ricercatori del mondo accademico, laboratori governativi, e industria. In cima alle sue raccomandazioni c'è lo sviluppo di una centrale elettrica a fusione pilota, un obiettivo ambizioso che sarebbe un passo importante verso un'industria americana dell'energia da fusione.

Il rapporto, il primo del suo genere in quasi 20 anni e il prodotto di un nuovo processo di collaborazione di 15 mesi, identifica le esigenze scientifiche ad alta priorità che possono aiutare a colmare le lacune nella conoscenza della fusione e facilitare la spinta a rendere la fusione una fonte di energia pratica. Sarà utilizzato dal Comitato consultivo per le scienze dell'energia da fusione (FESAC) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti mentre intraprende una nuova fase di pianificazione strategica per il suo programma di scienze dell'energia da fusione, la principale fonte statunitense di finanziamenti per la ricerca sulla fusione.

Se imbrigliato con successo, fusione cambierebbe radicalmente la rete energetica mondiale offrendo sicurezza, abbondante, produzione di energia elettrica senza emissioni di carbonio.

Circa 300 membri della comunità della fusione hanno ottenuto il loro consenso durante tre importanti riunioni di workshop e centinaia di sessioni di gruppi di lavoro online, utilizzando una votazione anonima che ha dato a tutti i partecipanti la possibilità di esprimersi liberamente. Le principali priorità legate all'energia includono:

• sviluppo di un impianto di sorgente di neutroni condiviso che può essere utilizzato per lo sviluppo di materiali critici e progetti di centrali elettriche;
• la continua coltivazione della conoscenza della fisica del plasma bruciante attraverso la partecipazione continuativa al programma internazionale ITER e l'espansione della collaborazione pubblico-privato negli Stati Uniti; e
• Progettazione pre-concettuale immediata di una nuova struttura tokamak negli Stati Uniti, che entrerebbe in funzione entro la fine del decennio e sosterrà il lavoro sull'estrazione di energia dal calore di scarico e il sostegno al plasma.

Sono state inoltre identificate diverse "opportunità e necessità di ricerca" ampiamente applicabili nei campi della fusione e del plasma:uso di tecnologie informatiche avanzate per una migliore comprensione e modellazione; sviluppo di una migliore diagnostica del plasma; maggiore sostegno ai partenariati pubblico-privato; e abbracciando la diversità, equità, e inclusione, insieme allo sviluppo di una forza lavoro più multidisciplinare.

"Questa è la prima volta in una generazione in cui la comunità della fusione è stata chiamata ad auto-organizzarsi e a capire le sue più alte priorità per passare dalla scienza della fusione all'energia da fusione, "dice Bob Mumgaard, amministratore delegato della spin-out del MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS), una delle tante società private che perseguono la fusione. "Come possiamo prepararci, con dati, Esperienza, strutture di prova:le cose necessarie per supportare la scienza, e infine un'industria.

"Le National Academies of Science (NAS) hanno pubblicato un buon rapporto [alla fine del 2018], detto questo, dovremmo essere audaci e fare la fusione ora e creare strutture di prova, " aggiunge Mumgaard. "Ma questo è diverso perché è l'intera comunità, unendoci in uno sforzo di base molto trasparente per rispondere alle domande su ciò che stiamo facendo, cosa bisogna fare, e cosa siamo disposti a non fare. Non è stato fatto in una stanza sul retro, ma dagli stessi scienziati, e ne sono usciti con un piano e delle priorità:è una cosa fantastica".

Nathan Howard, un ricercatore presso il Plasma Science and Fusion Center del MIT, è stato uno dei sette copresidenti che hanno condiviso la supervisione dello sviluppo della relazione, che sarà utilizzato nello sviluppo di piani strategici a lungo termine per i programmi di scienza della fusione in risposta a una richiesta FESAC emessa nel novembre 2018.

"L'American Physical Society Division of Plasma Physics ha preso l'iniziativa e ha riunito noi sette per raccogliere dati dalla comunità, " spiega Howard. Oltre all'energia da fusione, lo sforzo ha anche generato ampie raccomandazioni per Discovery Plasma Science, un campo diversificato di ricerca più di base con impatto in astrofisica, fisica del plasma ad alta densità di energia, e altre discipline.

Uno sviluppo importante lungo il percorso è stata la creazione di legami più profondi tra il gruppo incentrato sulla fusione a confinamento magnetico e quello incentrato sui materiali e le tecnologie relativi alla fusione.

"Davvero non aveva senso che fossero separati, " nota Howard. "La fusione è avvenuta naturalmente durante il processo ed è stata motivata in parte dal rapporto NAS che brucia plasma, che ha affermato che gli Stati Uniti dovrebbero perseguire la costruzione di un impianto pilota di fusione, un reattore che dimostrerà la creazione di elettricità dalla fusione e un ciclo chiuso del combustibile da fusione. La comunità della fusione ha adottato la costruzione di un impianto pilota come missione durante il processo"

Sebbene ulteriori ricerche sul plasma siano importanti per raggiungere tale obiettivo, aggiunge Howard, "la comunità ha riconosciuto abbastanza chiaramente che abbiamo bisogno di maggiore enfasi nei materiali e nella tecnologia di fusione. Dove siamo più carenti nei progressi verso una centrale elettrica è in aree come la progettazione della coperta [l'area che circonda il reattore, usato per allevare combustibile da fusione] e materiali rilevanti per la fusione."

Molte delle questioni in sospeso sui materiali sono applicabili non solo alla fusione a confinamento magnetico, compresi i reattori di tipo tokamak che hanno ricevuto la massima attenzione di sviluppo fino ad oggi, ma anche al confinamento inerziale e ad altri approcci, che offrono diverse opportunità e sfide.

Il destinatario ufficiale del rapporto è un sottocomitato FESAC presieduto da Troy Carter, professore di fisica all'Università della California a Los Angeles e direttore del Basic Plasma Science Facility e del Plasma Science and Technology Institute dell'università. Ha elogiato Howard e gli altri co-presidenti per "aver lavorato duramente per organizzare lo sforzo e riunire così tante persone. Il rapporto è molto avvincente, e l'intera comunità dovrebbe essere lodata:questo costituisce un esempio per le future iterazioni del processo e rende il lavoro del mio sottocomitato molto più semplice".

In particolare, dice Carter, "i membri junior della comunità si sono davvero fatti avanti. I co-presidenti sono per la maggior parte persone junior e a metà carriera, ed è importante che sia il loro piano, perché vista la tempistica, saranno loro a metterlo in atto".

Carter osserva che, mentre sapeva che il concetto di guida aggressiva verso un impianto pilota aveva supporto, "Sono rimasto un po' sorpreso dalla forza con cui è stato accolto nel processo. È ambizioso, e ci indica la direzione di utilizzare l'innovazione per immettere l'energia da fusione nella rete molto più rapidamente. C'è ancora molto lavoro da fare nella fisica del plasma centrale, ma dobbiamo anche lavorare sui materiali e su altre tecnologie, verso cui non ci stiamo impegnando abbastanza per ora. È piacevole vedere quell'ampio sostegno per cambiare direzione".

Il gruppo di Carter ora incorporerà i risultati del rapporto nei piani strategici che riflettono diversi scenari di budget che sono stati forniti.

"Spiegheremo tutto per sfruttare le opportunità della scienza e spingere verso l'obiettivo di realizzare un impianto pilota. Abbiamo informazioni davvero buone su iniziative e indicazioni sulla definizione delle priorità, " dice. "Ma molte delle iniziative non sono a livello di progettazione concettuale, quindi dovremo fare un po' di lavoro per capire quanto costeranno. Abbiamo esperti di project management con cui lavorare, e anche persone dal lato privato:abbiamo tre membri collegati a società di fusione private, e coinvolgerà anche altri punti di vista esterni."

Questo processo dovrebbe durare circa otto mesi, dice Carter, con i risultati presentati alla FESAC verso la fine dell'anno. Dopo un voto, diventerebbe il consiglio ufficiale della FESAC al Dipartimento dell'Energia. "È qualcosa a cui molte persone al Congresso sono interessate, " nota Carter.

Mumgaard di CFS afferma che la consegna del rapporto potrebbe rivelarsi un momento chiave per gli Stati Uniti, con il potenziale per portare a una nuova politica di fusione, Azione del Congresso per sostenere la nascente industria della fusione e preparare l'autorizzazione e la regolamentazione delle centrali elettriche, e finanziamenti in corso che darebbero fiducia ai leader di laboratori accademici e nazionali per assumere personale e costruire infrastrutture. "Sembra che le cose stiano andando nella giusta direzione, " dice. "La comunità scientifica deve parlare con una sola voce, e questo è il processo che crea quella voce".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.