In fisica, la parola "fusione" definisce il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. Ma se si affianca l' aggettivo "nucleare", il processo a cui ci si riferisce è totalmente diverso. La fusione nucleare per sua definizione è infatti un processo che avviene nelle stelle quando alcuni elementi si uniscono per formare un unico elemento, liberando energia. Tipicamente, si parte da atomi di idrogeno e si forma elio a temperature elevatissime. È per questo che si parla di fusione nucleare calda. E quando sentiamo parlare di fusione nucleare controllata, di cosa si tratta? Si tratta davvero della fonte energetica del futuro? Scopriamolo insieme!
La fisica degli atomi leggeri
Quando due atomi leggeri come l'idrogeno si scontrano, possono unirsi formando un nuovo elemento più pesante e liberando tantissima energia, di molti ordini di grandezza più grande rispetto alla combustione. L'idrogeno è l'elemento più semplice in natura, con un solo protone nel nucleo ed un solo elettrone che vi ruota attorno. Se a questa forma base dell'idrogeno, chiamato pròzio, si aumenta la massa aggiungendo uno o due neutroni nel nucleo, si creano degli isotopi come deuterio e trizio, "cugini" stretti dell'idrogeno.
Quando si vogliono far scontrare due piccoli atomi o particelle, però, si deve considerare una loro proprietà, chiamata sezione trasversale, che ne definisce in qualche modo la regione di spazio che occupano e la facilità nel riuscire a mettere in collisione queste due piccole, piccolissime particelle. Poiché la probabilità di collisione fra due nuclei più massicci, come deuterio e il trizio, è più elevata rispetto al prozio, i primi due vengono utilizzati per questo tipo di reazione. Avvicinare questo tipo di atomi, però, è molto difficile, in quanto la forza repulsiva elettrostatica fra i vari nuclei positivi è di molto superiore all'energia cinetica che gli stessi hanno quando si muovono a densità, pressione e temperatura ambiente.
La fusione nucleare nelle stelle
Nelle stelle sono presenti grandi ammassi di materia leggera concentrati a grandi temperature e con grandi densità, fino a formare un plasma. Si tratta di quello stato della materia in cui gli elettroni non sono più legati al proprio nucleo. A causa della gravità, la materia è compressa e l'energia cinetica degli atomi costituenti è così alta da superare la forza repulsiva dei nuclei positivi: la reazione di fusione nucleare è pronta per iniziare.Quando deuterio e trizio collidono, i due nuclei si fondono generando un atomo singolo di elio, un neutrone ed energia. Questa energia deriva dalla trasformazione di una certa quantità di massa m in energia E, seguendo la famosa formula di Einstein, E = mc2.
Se la reazione di fusione avviene rapidamente, vi è un'esplosione potentissima. Ma se, invece, la rapidità della reazione viene ridotta artificialmente per evitare l'esplosione, la liberazione di energia è più lenta e il processo può essere utilizzato dall'uomo per la produzione di energia elettrica. Questo processo viene chiamato fusione nucleare controllata e i primi esperimenti in questo campo sono stati realizzati da Mark Oliphant nel 1932.
Ma come si realizza e si controlla tale reazione?
Cos'è la fusione nucleare controllata
Come per le stelle, la fusione nucleare controllata necessita di deuterio e trizio. Sulla Terra, il deuterio si trova in natura, specialmente negli oceani, mentre il trizio si può generare dalla reazione stessa. Per instaurare la reazione di fusione è necessario aumentare ulteriormente la probabilità di collisione fra i vari atomi. Per far ciò, si aumenta la pressione e la temperatura (si parla di milioni di gradi!) e si genera un plasma caldo di deuterio e trizio. Poiché a questi livelli di temperatura nessun materiale contenitivo resisterebbe, è necessario confinare magneticamente il plasma all'interno di un reattore, senza che esso tocchi le pareti.
I reattori possono avere diverse forme. La più conosciuta è una forma a ciambella (Tokamak) ed è stata scelta per il progetto ITER – che dovrebbe entrare in attività attorno al 2030 e raggiungere una potenza di circa 500 megawatt a fronte di un input energetico di 50 MW.
Per approfondire, ecco il nostro video sulla fusione nucleare e sul progetto ITER:
Oltre ai Tokamak esistono anche i stellarator, dove la struttura è più complessa e si genera un plasma a forma di elica. Un esempio è l'Helically Symmetric eXperiment (HSX) in America.
Un altro tipo di reattore si chiama strizione a campo rovesciato, è simile ad un Tokamak ma una parte del confinamento magnetico viene prodotto dal plasma stesso. Un esempio italiano è il Reversed Field eXperiment (RFX) del CNR di Padova.
Pro e contro della fusione nucleare
La tecnologia della fusione controllata è ancora in fase di sviluppo e il suo utilizzo è in realtà molto discusso. Per comprendere però il nocciolo della questione vediamo quindi quali sono i principali vantaggi e svantaggi della fusione nucleare.
I vantaggi
Uno dei tanti fattori positivi riguarda l'abbondanza di deuterio presente nell'acqua di mare: la sua facile reperibilità a livello mondiale svincola la dipendenza energetica da determinati Paesi, a differenza ad esempio di quanto accade con i combustibili fossili. Inoltre, la reazione di fusione non produce anidride carbonica, gas ad effetto serra o scorie radioattive. Se le condizioni di temperatura e pressione non vengono mantenute, la reazione si spegne da sola e dunque la probabilità di incidente o catastrofe naturale è molto bassa.
Gli svantaggi
D'altro canto, la complessità ingegneristica e tecnologica a causa delle elevate temperature determina tempistiche lunghe e costi elevati per la progettazione e la realizzazione degli impianti. Il trizio, anche se prodotto internamente dall'impianto, è radioattivo e dev'essere manipolato con attenzione. Inoltre, la produzione di neutroni liberi può indurre radioattività nei materiali che costituiscono il reattore.
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