Cos’è la fusione nucleare e perché è così importante?

La fusione nucleare è uno di quei sogni che sembrano troppo belli per essere veri. Un’energia praticamente illimitata, priva di emissioni di carbonio, con scorie radioattive minime e senza i rischi di un’esplosione atomica. È ciò che alimenta le stelle da miliardi di anni. Ma sulla Terra? Ancora no.

Eppure, non è un’idea recente. Già negli anni ’30 del Novecento, fisici come Hans Bethe e Carl Friedrich von Weizsäcker iniziarono a comprendere i processi che permettono al Sole di brillare. Grazie allo sviluppo della meccanica quantistica e della fisica nucleare, emerse l’idea che, nelle condizioni estreme del nucleo solare, nuclei leggeri come quelli dell’idrogeno potessero fondersi formando elio, sprigionando energia secondo la celebre formula

   

Bethe, in particolare, vinse il Nobel per aver spiegato in dettaglio le reazioni della catena protone-protone e del ciclo CNO, che descrivono come l’energia delle stelle derivi dalla fusione. Ma la comprensione teorica era solo l’inizio. La grande sfida era (ed è) ricreare quelle condizioni sulla Terra.

Durante la Seconda Guerra Mondiale e nei decenni successivi, l’interesse per i processi nucleari si concentrò soprattutto sulla fissione, più facilmente controllabile, da cui nacquero i reattori e le bombe atomiche. Tuttavia, già negli anni ’50 si cominciò a lavorare anche sulla fusione, con progetti segreti in URSS, USA e Regno Unito. Nacquero i primi tokamak, i primi tentativi di confinare il plasma, le prime teorie sul comportamento del gas ionizzato a temperature stellari.

Da allora, per quasi un secolo, la fusione è rimasta un enigma tecnico affascinante: perfettamente nota dal punto di vista teorico, ma quasi irraggiungibile nella pratica.

Cos’è il plasma e perché è così difficile contenerlo

Abbiamo visto che, già negli anni ’30, fisici come Bethe avevano intuito che la fusione stellare poteva essere replicata sulla Terra. Ma cosa rende tutto così complicato? La risposta si trova nel plasma: lo stato della materia che serve a generare la fusione.

Un plasma nasce quando un gas, come quelli contenenti deuterio e trizio, viene riscaldato a temperature estremamente elevate, tanto da strappare via gli elettroni dagli atomi, lasciando un miscuglio di nuclei positivi e elettroni liberi. Questo non è più un gas normale: è un fluido elettricamente conduttivo, altamente reattivo alle forze elettriche e magnetiche ed è anche instabile e turbolento.

Perché una reazione di fusione possa davvero partire, è necessario creare condizioni fisiche estreme e mantenerle stabili per un tempo sufficiente. Il primo requisito è la temperatura: bisogna riscaldare il plasma fino a circa 100 – 150 milioni di gradi Celsius, una soglia oltre la quale i nuclei atomici riescono a superare la repulsione elettrostatica che normalmente li tiene lontani e possono finalmente scontrarsi e fondersi. Ma il calore da solo non basta. Serve anche una densità adeguata del combustibile, ossia una quantità sufficiente di particelle ionizzate concentrate in un volume relativamente piccolo. Anche se parliamo di densità molto inferiori rispetto a quelle dei gas atmosferici, l’importante è che il plasma rimanga in queste condizioni abbastanza a lungo. Ed è proprio questo il terzo elemento cruciale: il tempo di confinamento. Il plasma è notoriamente instabile, tende a espandersi e a raffreddarsi, quindi va mantenuto compatto e caldo dentro un sistema di contenimento, tipicamente un campo magnetico, che lo trattenga a sufficienza da permettere alle reazioni di fusione di autoalimentarsi. Solo il bilanciamento tra questi tre fattori (calore, densità e confinamento) può portare all’innesco e al mantenimento di una fusione nucleare efficiente.

È il celebre criterio di Lawson, che riassume l’obiettivo: raggiungere temperatura, densità e durata ideale perché il plasma diventi autosufficiente, producendo più energia di quella necessaria per mantenerlo caldo.

Il metodo più diffuso? Il tokamak, una camera a forma di ciambella, dove potenti magneti creano campi toroidali e poloidali che costringono le particelle a percorrere traiettorie elicoidali e impediscono al plasma di toccare le pareti. Per riscaldarlo si usa una combinazione: corrente elettrica (ohmico), fasci neutrali (particle beam) e radiofrequenze.

Fusione e instabilità: un’analogia con i fluidi

Il comportamento del plasma in un tokamak ricorda da vicino quello dei fluidi turbolenti. È qui che entrano in gioco concetti della fluidodinamica e della fisica dei sistemi complessi: nel plasma, si formano vortici, onde, gradienti di pressione e instabilità che ne compromettono il confinamento.

Un esempio è l’instabilità di tipo ballooning, in cui le variazioni di pressione lungo le linee di campo magnetico fanno “gonfiare” il plasma e generano perdite. Oppure le ELMs (Edge Localized Modes), esplosioni localizzate che espellono plasma dal bordo, mettendo a rischio i materiali del reattore.

Per affrontare questi fenomeni, i fisici utilizzano modelli non lineari, simulazioni ad alta risoluzione e teorie derivate anche dalla teoria del caos. Comprendere la dinamica del plasma non è solo un problema ingegneristico, ma una sfida concettuale: la fusione è, in fondo, un problema di fisica dei sistemi fuori equilibrio.

Cosa sta succedendo adesso?

Negli ultimi tre anni, la corsa alla fusione ha conosciuto una fase di straordinaria accelerazione, con risultati che fino a poco tempo fa sembravano ancora lontani nel tempo. Nel 2021, il consorzio europeo JET ha segnato un momento storico riuscendo a produrre 59 megajoule di energia da fusione durante un esperimento durato appena cinque secondi. Si è trattato di un banco di prova cruciale per dimostrare la capacità di mantenere condizioni di fusione controllata per tempi sempre più significativi. L’anno successivo, nel 2022, un altro traguardo ha fatto notizia a livello globale: il Lawrence Livermore National Laboratory, negli Stati Uniti, ha raggiunto per la prima volta quello che viene chiamato “ignition” nella fusione a confinamento inerziale. In altre parole, l’energia prodotta dalla fusione è risultata superiore a quella impiegata per innescarla, un passaggio simbolico e tecnico che rappresenta una svolta nel settore.

Ma non è solo la ricerca pubblica a muovere passi da gigante. Il 2023 ha visto le startup del settore raccogliere cifre da capogiro, segno di un entusiasmo crescente anche tra gli investitori privati. Realtà come TAE Technologies, Helion Energy, Commonwealth Fusion Systems e la tedesca Proxima Fusion hanno attratto collettivamente oltre cinque miliardi di dollari, a dimostrazione del fatto che la fusione non è più considerata solo un sogno da laboratorio, ma una possibile rivoluzione industriale alle porte. Questo nuovo slancio coinvolge tanto istituzioni scientifiche quanto imprese emergenti, unite da un obiettivo condiviso: trasformare in realtà una fonte di energia pulita, inesauribile e libera da emissioni.

Perché puntare sulla fusione?

Puntare sulla fusione nucleare significa investire in una delle soluzioni più promettenti per affrontare la crisi energetica e climatica globale. A differenza delle fonti fossili, la fusione non comporta emissioni dirette di anidride carbonica, il principale gas responsabile del riscaldamento globale. Questa caratteristica la rende particolarmente attraente in un’epoca in cui la decarbonizzazione del sistema energetico non è più solo auspicabile, ma imprescindibile.

Ma i vantaggi non si fermano qui. La fusione produce quantità estremamente ridotte di scorie radioattive rispetto ai reattori a fissione, e queste scorie tendono a decadere molto più rapidamente, rendendo la gestione dei rifiuti nucleari un problema tecnicamente più affrontabile. Inoltre, i materiali necessari per alimentare i reattori a fusione, come il deuterio, presente in abbondanza nell’acqua di mare, e il litio, sono disponibili in natura in quantità tali da garantire secoli, se non millenni, di approvvigionamento senza dipendere da poche regioni del mondo.

Dal punto di vista della sicurezza, poi, la fusione ha una natura quasi “gentile“. Non esiste il rischio di una reazione a catena fuori controllo: se qualcosa va storto, il processo si spegne da solo. Non c’è possibilità di fusione del nocciolo né di esplosioni catastrofiche come quelle che hanno segnato tragicamente la storia del nucleare a fissione.

In un contesto in cui la domanda globale di energia è destinata ad aumentare, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, e dove le fonti rinnovabili da sole potrebbero non essere sufficienti a garantire una fornitura stabile e continua, la fusione si presenta come una soluzione che unisce potenza, affidabilità e sostenibilità. È una promessa tecnologica che potrebbe ridefinire i nostri orizzonti energetici e accompagnare in modo decisivo la transizione verso un futuro più pulito e resiliente.

Fonte originale della notizia:
Redazione GoPhysics