La fusione nucleare, la stessa reazione che alimenta il sole e le stelle, rappresenta un'opportunità senza precedenti nel campo dell'energia.
Con la possibilita’ di fornire una fonte di energia pulita, abbondante e virtualmente illimitata, la fusione nucleare potrebbe rivoluzionare il nostro modo di produrre e utilizzare l'energia. Tuttavia, nonostante i significativi progressi compiuti negli ultimi anni, rimangono ancora molte sfide da affrontare prima che la fusione nucleare possa diventare una realtà. Ma che cos'è la fusione nucleare? L'energia creata in una reazione di fusione è diversa da una reazione di fissione che è usata nelle centrali nucleari convenzionali. Contrariamente alla fissione nucleare, che coinvolge la divisione di nuclei atomici pesanti, la fusione nucleare è un processo in cui due nuclei atomici leggeri si combinano per formare un nucleo più pesante. Durante questo processo viene rilasciata una grande quantità di energia. Questo è lo stesso processo che avviene nel nucleo del sole e di altre stelle per produrre energia. Gli elementi chiave coinvolti nella fusione nucleare sulla Terra provengono dall'acqua (H₂O). Questi sono isotopi dell'idrogeno (H), come il deuterio (²H) e il trizio (³H). Gli isotopi si respingono naturalmente, allo stesso modo che le cariche simili nei magneti o quelle elettriche. Quando questi isotopi vengono riscaldati a temperature e pressioni estremamente elevate, possono superare la loro repulsione naturale e fondersi insieme. Rilasciano quindi energia sotto forma di calore e luce. La fusione del deuterio (un isotopo dell'idrogeno con un protone e un neutrone) e del trizio (un altro isotopo dell'idrogeno con un protone e due neutroni) porta alla formazione dell'elio (He, due protoni e due neutroni) e al rilascio di un neutrone e di energia. La reazione di fusione può essere scritta nella seguente forma:
Deuterio + Tritio → Elio + Neutrone + Energia
Il sottoprodotto della fusione è l'elio che e’ un gas inerte, stabile, non radioattivo e quindi non pericoloso per l'ambiente. La reazione porta anche al rilascio di una quantità significativa di energia che i ricercatori sperano possa essere sfruttata per un suo utilizzo.
La fusione nucleare offre numerosi vantaggi rispetto alle fonti energetiche convenzionali. Uno dei principali vantaggi è la disponibilità di un'abbondante fonte di combustibile. Il deuterio, un isotopo dell'idrogeno, può essere estratto dall'acqua, mentre il trizio può essere prodotto dal litio. Questo fa si che i combustibili per la fusione siano ampiamente disponibili e accessibili.
La fusione nucleare, inoltre è una fonte di energia pulita. A differenza dei combustibili fossili, la fusione nucleare non produce gas serra o rifiuti radioattivi di lunga durata.
Negli ultimi anni, sono stati compiuti significativi progressi nella ricerca sulla fusione nucleare. Ad esempio, nel dicembre 2022, il National Ignition Facility (NIF) ha raggiunto un importante traguardo: ha generato da un reattore a fusione più energia di quella inserita. Questo risultato ha dimostrato che la fusione nucleare può essere tecnicamente realizzabile.
Nell’immagine seguente la simulazione a varie temperature di un plasma caldo prodotto al NIF dopo che un laser colpisce il reattore a confinamento inerziale. Questo tipo di reattore prevede l’utilizzo di laser ad altissima intensità, in grado di concentrare sul bersaglio (pelletts di isotopi di idrogeno) una quantità di energia sufficiente ad innescare la reazione di fusione. All’attivazione dei laser la capsula cilindrica che alloggia il pellet vaporizza istantaneamente liberando raggi X. La sferetta di combustibile nucleare al suo interno implode portando la materia allo stato di plasma. È l’implosione il fenomeno fondamentale per l’innesco della reazione di fusione in questo tipo di reattori: questa, infatti, permette l’incremento di densità, temperatura e pressione necessari a vincere le forze elettrostatiche repulsive dei nuclei. I vari colori dell’immagine mostrano il riscaldamento irregolare del bersaglio e la propagazione dell’energia ad un certo istante t della simulazione.
Quello utilizzato dalla National Ignition Facility, non è l’unico approccio valido. Esiste anche la fusione a confinamento magnetico, in cui un plasma riscaldato viene confinato all’interno di un dispositivo a forma di toro chiamato tokamak, e i campi magnetici vengono utilizzati per mantenere il plasma confinato. A queste temperature e densità si verificano reazioni di fusione nucleare, ma mantenere il plasma confinato – impedendogli di colpire le pareti interne o esterne e mantenendolo in uno stato in cui le reazioni di fusione possono verificarsi continuamente in modo sostenuto – è l’aspetto più impegnativo della fusione. Esistono tokamak su piccola scala che operano in modo indipendente in tutto il mondo, e il più grande sforzo internazionale per costruire un reattore a fusione di questo tipo, ITER, sta già aspettando risultati interessanti. Allo stato attuale, il tokamak JET in Inghilterra, nel dicembre del 2021, ha prodotto 59 megajoule di energia sostenuta per un periodo di 5 secondi, ma nessuno si aspetta che la fusione a confinamento magnetico superi il pareggio finché ITER non sarà operativo.
Nella foto seguente l'interno di una camera di fusione Tokamak. Come vedete e’ una grande ciambella in cui viene acceso un plasma che grazie ai campi magnetici creati dalla macchina deve restare confinato al suo interno senza toccare alcuna parete. Finché un plasma può essere confinato magneticamente e controllato all'interno di un dispositivo come questo, è possibile produrre energia di fusione, ma mantenere il confinamento del plasma a lungo termine è un compito estremamente difficile. Il punto di pareggio non è stato ancora raggiunto per la fusione a confinamento magnetico, e non si prevede che lo sarà finché ITER non sarà pienamente operativo.
Esistono anche approcci “ibridi”, per ottenere la fusione nucleare che tentano di sfruttare aspetti sia del metodo di confinamento inerziale (come la compressione) che del metodo di confinamento magnetico (come l’uso di campi magnetici e plasmi), con livelli di successo enormemente variabili, anche se nessuno si avvicina ai risultati raggiunti dai vari tokamak e dalla National Ignition Facility.
Molti di questi approcci ibridi sono interessanti dal punto di vista della fisica anche se non mancano i ciarlatani onnipresenti anche in quest’arena, che con la cosiddetta “fusione fredda” o il suo tentativo di ribattezzarla come reazioni nucleari energetiche “low-based” (LENR), cercano di far passare per ricerca scientifica quello che finora ha fallito ogni test sperimentale. (Ad eccezione della fusione catalizzata da muoni, che comunque non è una via praticabile per una fusione commerciale).
La chiave del successo di qualsiasi tentativo di fusione è la produzione a lungo termine di reazioni che consentano di ottenere un guadagno netto di energia. Anche se ci sono molte affermazioni azzardate da parte di molte aziende del settore privato, solo gli approcci di tipo tokamak e il National Ignition Facility hanno qualche prospettiva di raggiungere e superare quel decantato punto di pareggio nel prossimo futuro.
Ci sono comunque ancora diverse sfide da affrontare prima che la fusione nucleare possa diventare una fonte di energia pratica. Una delle sfide principali è quella di mantenere l'accensione della reazione. L'accensione avviene quando l'energia prodotta dalla reazione di fusione supera l'energia necessaria per avviare e mantenere la reazione stessa. Mantenere le condizioni necessarie per l'accensione è estremamente difficile, poiché richiede il riscaldamento del plasma a temperature estremamente elevate e il suo confinamento per un periodo sufficiente.
Inoltre, ci sono sfide legate alla produzione e alla gestione del combustibile per la fusione. Ad esempio, il trizio, uno dei combustibili utilizzati nelle reazioni di fusione, non è naturalmente disponibile e ha una breve emivita. Sviluppare metodi efficienti per la produzione di trizio e gestire in modo sostenibile la sua fornitura sono aspetti cruciali da affrontare.
Altre sfide includono la resistenza e la durata dei materiali utilizzati nei reattori a fusione, l'efficienza dei sistemi di confinamento del plasma e la complessità dei dispositivi di fusione stessi. Nonostante queste sfide, il futuro della fusione nucleare appare luminoso. Con un impegno continuo nella ricerca e nello sviluppo, è possibile superare le difficoltà tecniche e rendere la fusione nucleare una fonte di energia pratica e sostenibile.
Inoltre, la fusione nucleare potrebbe trasformare radicalmente il settore energetico e avere un impatto significativo sull'ambiente e sull'economia globale. Con l'energia prodotta dalla fusione nucleare, potremmo ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili e mitigare gli effetti del cambiamento climatico.
In conclusione, nonostante le sfide ancora da affrontare, la ricerca sulla fusione nucleare offre una speranza per un futuro migliore e sostenibile. Con l'impegno e la collaborazione globale (anche di tipo monetaria), la fusione nucleare potrebbe diventare una realtà e trasformare il modo in cui produciamo e utilizziamo l'energia. Secondo i dati americani disponibili al pubblico dal 1954 all’anno scorso sono stati investiti circa 34 miliardi di dollari per la ricerca sulla fusione nucleare, una media di appena 0.5 miliardi di dollari l’anno.
Come confronto, il governo degli Stati Uniti spende in media 1,7 trilioni di dollari in tutte le spese discrezionali. Di questi, solo circa 500 milioni di dollari, ovvero 0,0005 trilioni di dollari (meno dello 0.03%), sono destinati a tutte le forme di ricerca sulla fusione nucleare, cioe’ per tutte quelle ricerche che cercano di risolvere i problemi energetici e climatici della Terra.
Se mai esistesse una ricerca da finanziare per ottenere il massimo ritorno sull’investimento a lungo termine, questa dovrebbe essere proprio la fusione nucleare.
