Fusione nucleare, la chiave per la produzione di energia pulita

Gli Stati Uniti hanno annunciato da poco una “svolta storica” che riguarda la fusione nucleare che è stata accolta come una vera e propria rivoluzione per il mondo energetico. Non siamo ancora pronti con la tecnologia e la scienza per applicare la fusione su scala commerciale. Ma sicuramente questo processo ha la possibilità di diventare, in futuro, la chiave per ottenere energia pulita e in grandi quantità. Ebbene sì, la fusione nucleare sarebbe la soluzione ideale a tutti i problemi energetici attuali, sia quelli della crescente richiesta e dell’efficienza, sia quelli connessi con l’inquinamento e i cambiamenti climatici. Del risultato raggiunto negli USA abbiamo parlato in questo articolo, mentre qui faremo un focus sul processo di fusione nucleare, cercando di capire come funziona, perché è così vantaggiosa e cosa ne ostacola la diffusione.

La fusione nucleare

La fusione nucleare è il processo che permette al nostro Sole e a tutte le altre stelle dell’universo di esistere. Grazie a questo processo gli atomi di idrogeno si convertono in atomi di elio, producendo una quantità elevatissima di energia. La fusione quindi è una reazione in cui i nuclei di due o più atomi generano nuclei di un altro elemento, più pesante. Per innescare la fusione occorrono però temperature altissime, in grado di mantenere la materia nello stato di plasma. Nella fusione nucleare sono coinvolti in genere gli isotopi dell’idrogeno, in particolare il deuterio, ovvero un nucleo di idrogeno con un neutrone, e il trizio, che invece ha due neutroni. I nuclei degli isotopi si fondono per portarsi in uno stato energetico più basso, liberando l’energia in eccesso.

Fissione o fusione?

Le centrali nucleari tradizionalmente producono energia utilizzando la reazione di fissione, ovvero un processo in cui l’atomo di uranio viene “spezzato” in atomi più piccoli, generando una quantità enorme di energia, ma anche emissioni radioattive. La fusione nucleare è l’esatto contrario della fissione. In questa reazione, infatti, si cerca di far “unire” più atomi per formare un atomo di dimensioni maggiori. Anche in questo caso si libera una grande quantità di energia. Ma la fusione nucleare, poiché è il processo che continuamente avviene nel Sole e nelle altre stelle, libera energia senza produrre alcun tipo di scorie radioattive. Se allora è così pulita, perché non utilizziamo solo la fusione nucleare per produrre energia? Il problema è che è molto difficile riuscire ad unire due atomi, perché occorrono condizioni di temperatura e pressione che sulla Terra è complesso riprodurre. Ecco perché questa reazione avviene sponteanamente solo nelle stelle.

Come avviene la fusione nucleare?

Per riprodurre artificialmente la fusione nucleare, per prima cosa occorre portare la miscela di deuterio e trizio a temperature di oltre 100 milioni di gradi per tempi piuttosto lunghi. L’energia che si libera con la reazione, infatti, deve compensare sia le perdite sia l’energia che è stata spesa per innescare la reazione. Gli atomi devono poi collidere con elevata velocità, e ciò è possibile grazie all’elevatissima temperatura e alle distanze molto brevi che devono percorrere. Se quindi c’è sufficiente energia a disposizione, gli atomi riescono a vincere la repulsione reciproca e possonoa fondersi da loro. Ad alta temperatura e pressione, infatti, prevale la forza nucleare forte, che vince la repulsione tra gli atomi. Per avere un’idea di quanta energia viene prodotta, basta pensare che da 1 grammo di deuterio e trizio potremmo ottenere la stessa energia prodotta da 11 tonnellate di carbone.

Le reazioni di fusione: il ciclo protone – protone

Il ciclo protone-protone è quello principale che avviene nelle stelle, e contribuisce fino al 90% delle reazioni totali di fusione nucleare. Coinvolge due nuclei di idrogeno che si fondono per formare un nucleo di deuterio, rilasciando un positrone e un neutrino. Il deuterio a questo punto può reagire con ulteriore idrogeno disponibile, per produrre un isotopo leggero dell’elio, ovvero l’elio-3. A questo punto, mediante diversi altri rami di reazioni, si può produrre l’isotopo dell’elio-4. In questa reazione, confrontando i pesi atomici dell’idrogeno e dell’elio ottenuto, si calcola che circa lo 0,7% della massa iniziale risulta persa. In realtà, come ben sappiamo dalla famosa equazione di Einstein E=mc^2, questa massa si è trasformata in energia. L’energia che si ottiene per ogni ciclo di reazioni protone-protone e di 26,73 MeV.

Le reazioni di fusione: il ciclo CNO

L’altro ciclo di reazioni fondamentali nella fusione nucleare che avviene nel Sole, anche se meno significativo in termini di contributo energetico, è il ciclo CNO (Carbonio – Azoto – Ossigeno). Noto anche come ciclo Bethe, dal nome del fisico e astronomo Hans Bethe, parte da quattro protoni che producono un nucleo di elio pesante. In questo processo, oltre all’elio, si producono due elettroni, due positroni e due neutrini. Anche in questo caso avviene il rilascio di energia sotto forma di raggi gamma. Gli elementi Carbonio – Azoto – Ossigeno sono i catalizzatori della reazione.

Le difficoltà tecnologiche

Rendere pratica la fusione nucleare in un reattore a fusione sulla Terra è la sfida che da anni i ricercatori si impegnano a proseguire. La temperatura più “bassa” possibile è di circa 200 milioni di gradi, per la reazione di fusione di una miscela deuterio-trizio, che per questo motivo è la più studiata. Il problema è che per innescare la reazione servono neutroni ad elevatissima energia, molto difficili da tenere confinati mediante un campo magnetico. Inoltre, per evitare la contaminazione dei materiali con emissioni radioattive, occorre schermarli opportunamente. Lo scopo di questi ultimi decenni è riuscire a innescare la fusione in maniera controllata. Fino a pochi giorni fa, mai si era riusciti a produrre più energia di quella richiesta per attivare la reazione in sicurezza.

Quali sono i vantaggi della fusione nucleare?

La fusione nucleare in futuro potrebbe diventare una nuova strada per produrre energia. Gli atomi di partenza sono infatti il deuterio e il trizio, molto abbondanti in natura. Il deuterio si trova principalmente nell’acqua di mare, mentre il trizio si genera durante la reazione di fusione stessa. La fusione nucleare, inoltre, brucia un “combustibile” senza produrre né emissioni a effetto serra, né scorie radiooattive, come accade invece per la fissione dell’uranio. La reazione di fusione, infine, è sicura: quando il plasma non riesce a mantenersi nelle condizioni di funzionamento ottimali, la reazione si interrompe autonomamente. Il rischio di incidenti, quindi, è praticamente inesistente. Con la fusione nucleare, in linea teorica, potremmo avere energia illimitata, pulita e sicura, riducendo al tempo stesso le difficoltà nell’approvvigionamento energetico.

La ricerca sulla fusione nucleare: a che punto siamo?

Nonostante i tanti punti a favore, far funzionare un reattore di fusione nucleare è complesso sotto diversi punti di vista. Oltre a temperature elevatissime da gestire, i materiali devono essere resistenti a campi magnetici molto forti e hanno quindi costi alti e tempi lunghi per la costruzione. Inoltre, occorre affiancare un sistema per la gestione del trizio, uno degli isotopi più complessi da confinare e filtrare per evitare rilasci radioattivi. Fino ad oggi, l’esempio di maggiore sforzo teorico e pratico per realizzare la fusione nucleare è Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Si tratta di un reattore di forma toroidale in cui il plasma è tenuto ad altissima temperatura e confinato mediante un campo magnetico prodotto da elettromagneti esterni alla camera di reazione. La fusione nucleare resta comunque una delle maggiori sfide tecnologiche del secolo e, prima che diventi realtà, i tempi necessari saranno ancora lunghi per renderla realizzabile nelle applicazioni energetiche.