La fusione nucleare: tutto ciò che bisogna sapere sull'energia del futuro

Il nucleare fa paura. Non soltanto la fissione nucleare, ma piuttosto la parola stessa, indipendentemente dal contesto in cui viene utilizzata. Il motivo, probabilmente, è da ricercare nell'impatto sociale che hanno avuto le immagini e le notizie delle bombe nucleari e successivamente dei disastri nucleari di Chernobyl e Fukushima. Per questa ragione, ad esempio, in ambito medico si preferisce chiamare la risonanza magnetica nucleare soltanto risonanza magnetica (esame che non ha nulla a che fare con le radiazioni ionizzanti), in quanto molte persone venivano spaventate dal nome completo. Per la stessa ragione la fusione nucleare, di cui parleremo oggi, viene molto spesso associata alla fissione nucleare, nonostante siano due processi estremamente diversi.

Intorno a noi

In generale non abbiamo confidenza con le radiazioni, le vediamo come qualcosa di distante e sconosciuto, qualcosa di pericoloso a prescindere. Non sappiamo, ad esempio, che mangiamo e beviamo isotopi radioattivi quotidianamente.

Una piccola percentuale dell'acqua che beviamo contiene trizio, un isotopo radioattivo dell'idrogeno (e quindi anche qualsiasi altra cosa contenga acqua); allo stesso modo, quando mangiamo un alimento che contiene potassio stiamo ingerendo anche una piccola percentuale di potassio 40, anch'esso un isotopo radioattivo, e l'alimento più radioattivo che ingeriamo è la banana, proprio per il suo alto contenuto di potassio, al punto che viene anche usata dai fisici come una delle unità di misura delle radiazioni. Il cibo e l'acqua non sono poi l'unico modo con cui entriamo in contatto con le radiazioni, siamo letteralmente bombardati da radiazioni costantemente anche solo camminando per strada, radiazioni che provengono dal Sole e dall'Universo.

Fortunatamente, gran parte di queste radiazioni viene schermata dalla nostra atmosfera ma una percentuale consistente raggiunge il terreno e la nostra pelle. Dobbiamo quindi farci prendere dal panico? No, le radiazioni sono sempre esistite e il nostro corpo è progettato per resistere ad una certa quantità di radiazioni; a fare la differenza tra una radiazione pericolosa e una non pericolosa è, quindi, la dose di tale radiazione.

Prendere confidenza con le radiazioni aiuterebbe non poco a leggere la realtà in modo più oggettivo e compiere scelte meno legate all'emotività. Posto quindi che le radiazioni sono qualcosa con cui conviviamo quotidianamente e non dovremmo esserne spaventati a priori, la fusione nucleare ha poco a che fare con le radiazioni, certamente molto della fissione nucleare.
Ma allora cosa è la fusione nucleare?

La fusione nucleare

In generale, si parla di fusione nucleare quando i nuclei di due o più atomi si uniscono per formare un elemento chimico diverso dagli elementi di partenza.

Perché la fusione possa avvenire, i nuclei di partenza devono essere estremamente vicini, in modo da superare la barriera di potenziale elettromagnetica (in quanto i nuclei sono entrambi positivi e non sono molto felici di avvicinarsi) e serve, quindi, una grande energia di partenza.
La fusione nucleare è il meccanismo che alimenta le stelle come il nostro Sole, ma per molto tempo si è cercato di capire come fosse possibile, dato che la temperatura all'interno delle stelle risultava insufficiente ad avvicinare i nuclei abbastanza da innescare il processo. Si è poi capito che la temperatura non era l'unico fattore in gioco.

Nelle stelle avviene fusione nucleare grazie anche all'effetto tunnel, cioè la probabilità, per una particella abbastanza energetica, di superare una barriera di potenziale. L'effetto tunnel è un fenomeno esclusivamente quantistico, cioè avviene solo per oggetti estremamente piccoli (come un atomo), ma possiamo provare ad immaginarlo come tirare un pallone su un muro riuscendo a farlo passare dall'altra parte senza rompere il muro.

Allo stesso modo, un atomo con una temperatura molto alta (non sufficiente ad avvicinarsi abbastanza ad un altro atomo) può fare effetto tunnel e superare comunque la barriera di potenziale fino a fare fusione nucleare. Grazie a questo meccanismo esistono le stelle, esiste il Sole, esiste il nostro pianeta, esistiamo noi.

In generale, le reazioni di fusione di elementi con numero atomico più piccolo di 26 (ferro) sono tutte esotermiche, cioè rilasciano energia, in quanto la massa del nucleo prodotto dalla reazione è più piccolo della somma delle masse dei reagenti.

Si può quindi dire che una parte della massa dei reagenti si trasforma in energia, proprio seguendo la famosa equazione di Einstein E=Mc^2 (qui potete vedere un raro video in cui Einstein spiega la relatività). In particolare, nel Sole la reazione più comune è quella che fonde due atomi di idrogeno (principalmente deuterio, un isotopo NON radioattivo dell'idrogeno) in un atomo di elio (anch'esso non radioattivo). Quando il Sole finirà l'idrogeno del suo nucleo (tra circa 5 miliardi di anni), cioè finirà il combustibile, si avvierà verso la fine del suo "ciclo vitale", morirà. E noi con lui.
Nelle stelle, quindi, di radioattivo c'è molto poco, ed in generale si considera la fusione nucleare un'energia pulita se paragonata alla fissione nucleare (che invece ha sia come reagenti che come prodotti, materiali radioattivi). Va detto, tuttavia, che parlare di energia non pulita a fronte della produzione di scorie radioattive sia un'imprecisione, o meglio una strumentalizzazione.

L'energia nucleare, anche derivante da fissione nucleare, è in assoluto l'energia più pulita e con minore impatto ambientale che abbiamo a disposizione in questo momento. Perché non usiamo la fusione nucleare anche noi per produrre energia?

Reazione artificiale di fusione nucleare

La reazione di fusione nucleare è estremamente complessa da riprodurre sulla Terra, ma non impossibile. Nel 1932 è stata prodotta per la prima volta in laboratorio da Mark Oliphant ed è stata studiata per la creazione di un ordigno nucleare negli anni successivi fino agli anni 50, con la creazione della bomba H avvenuta nel 1951.

Le ricerche sullo sviluppo della fusione nucleare controllata per scopi civili si sono invece intensificate solo dopo gli anni 50 e continuano ancora oggi (sono attivi gli esperimenti ITER, SPARC, DEMO e in Italia l'ENEA sta studiando la possibilità di realizzare un reattore a fusione nucleare). Il problema principale della fusione nucleare è ottenere più energia di quella richiesta, ed è molto più facile a dirsi piuttosto che a farsi. Si vuole, cioè, inizialmente un bilancio energetico positivo, anche se cominciano ad esserci i primi risultati positivi in questo senso, con una reazione di fusione che ha generato più energia di quella richiesta, per poi successivamente raggiungere un bilancio economico positivo. Per fare questo, è importante identificare una reazione che abbia una temperatura di soglia ragionevole.

Inizialmente, infatti, si era pensato di copiare il meccanismo stellare, che però richiede temperature estremamente più elevate di quelle che possono avvenire confinate nei materiali che abbiamo a disposizione, senza che questi si deteriorino.

La reazione con la temperatura di soglia più bassa che conosciamo, prevede la fusione di deuterio (isotopo NON radioattivo dell'idrogeno) e trizio (isotopo radioattivo dell'idrogeno), con soglia di circa 175 milioni di gradi, ed è in assoluto la reazione più studiata e sperimentata negli ultimi decenni. I prodotti di tale reazione sono elio e un neutrone energetico. Questo neutrone è uno dei principali problemi dei reattori che usano questa reazione (come ad esempio il progetto ITER), in quanto genera il problema dell'attivazione neutronica. Il neutrone va, cioè, a colpire i materiali delle pareti del reattore rendendole radioattive. D'altra parte, tali neutroni sono anche una fonte di calore del reattore, sfruttata per la generazione di energia elettrica.

Si rende, quindi, necessario per tali reattori l'impiego di schermature molto pesanti (come ad esempio il piombo). Nonostante ci sia del materiale radioattivo (almeno in questo tipo di reattore), ciò che certamente non può accadere è un'esplosione, cioè una reazione a catena non controllata delle reazioni all'interno del reattore.

Nel momento in cui non sussistono più le condizioni ideali per la fusione (quindi temperatura, pressione, confinamento), questa si ferma immediatamente. Questa caratteristica è ciò che maggiormente la differenzia dalla fissione nucleare, che invece può, in alcuni rarissimi casi dar luogo ad un processo esplosivo.

Piuttosto, come abbiamo visto, è vero il contrario, ovvero che è estremamente difficile produrre più energia di quella usata per avviare la reazione e, anche se in questa fase ci stiamo riuscendo, l'energia prodotta in surplus è ancora troppo poca per poter essere usata per scopi civili.

Per mantenere il plasma all'interno del reattore senza che questo danneggi il reattore stesso, si usa un forte campo magnetico, in grado quindi di tenere in loco tutte le particelle cariche ma non i neutroni (che essendo neutri sono liberi di uscire e creare i problemi di cui abbiamo discusso). Le geometrie che si sono rivelate interessanti per il confinamento del plasma sono principalmente due: lo specchio magnetico (che ha avuto grande spazio negli anni 60-70 ma che ora è stato abbandonato) e il toro magnetico. Una variante dei sistemi toroidali, detto tokamak, è quello usato da ITER, che è attualmente l'esperimento più promettente per quanto riguarda la fusione nucleare di deuterio e trizio.

Alcuni esperimenti attivi

Gli esperimenti più importanti ad oggi, come già accennato, sono ITER e SPARC.
L'ITER (acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor) è un reattore a fusione termonucleare in grado di produrre un plasma di fusione con più potenza rispetto alla potenza richiesta per riscaldare il plasma stesso.

Nello specifico, ITER è un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma è ottenuto in un campo magnetico all'interno di una macchina denominata tokamak. Il reattore è situato nel sud della Francia ma è stato finanziato e voluto da un Consorzio che comprende anche Unione Europea, Russia, Cina Giappone, Stati Uniti, India e Corea del Sud. A dimostrazione del fatto che la scienza e l'avanzamento tecnologico tendono ad unire, piuttosto che a separare.

ITER non è progettato per produrre energia elettrica sfruttabile da utenze esterne, un compito che è invece assegnato alla generazione successiva di reattori, collettivamente chiamati reattori DEMO. Concepito inizialmente come un progetto singolo, nel corso degli anni il reattore DEMO si è suddiviso in una serie di progetti differenti portati avanti dai singoli membri del Consorzio di ITER. Molti di essi prevedono la costruzione di reattori a fusione di passaggio tra ITER e DEMO allo scopo di testare le componenti che verranno infine utilizzate per i reattori di tipo DEMO definitive. Per la realizzazione di tali reattori si stimano date che oscillano tra 2040 e il 2050.

Il reattore SPARC (non ancora costruito) sarà un reattore sperimentale con la particolarità di sfruttare un confinamento magnetico basato su superconduttori denominati HTS (High Temperature Superconductors).

Il 5 settembre 2021, l'azienda americana Commonwealth Fusion Systems ha testato con successo un prototipo in scala 1:1 di un magnete basato su tali superconduttori. Questa tipologia di camera di fusione potrà consentire la realizzazione di un reattore sperimentale, denominato appunto SPARC, molto più piccolo rispetto agli altri e, dai dati ricavati da questo esperimento, verrà successivamente creato un secondo reattore denominato ARC. Secondo le previsioni di CFS, il reattore SPARC potrebbe entrare in funzione già nel 2025.

A quando la fusione nucleare?

Come avrete capito siamo ancora in alto mare. Cominciamo ad ottenere i primi risultati, certo, ma se si parla di un vero reattore funzionante e disponibile per la popolazione le stime non sono rosee, 2040 nel migliore dei casi. Eppure noi stiamo affrontando un grave problema energetico adesso e, di pari passo, siamo sull'orlo di una catastrofe ambientale senza precedenti per colpa delle nostre stesse emissioni. In questi giorni si é parlato persino di tornare al carbone pur di non contemplare la fissione nucleare e quando ci renderemo conto che molte delle nostre scelte erano dettate da paura o mancanza di informazione, forse sarà troppo tardi.