Perché è così difficile ottenere la fusione nucleare: la spiegazione tecnica

La fusione nucleare, una reazione in cui due nuclei atomici leggeri si uniscono per formarne uno più pesante, è il processo che alimenta il Sole e le stelle, capace di sprigionare quantità enormi di energia. Ma allora, se funziona così bene in natura, perché non riusciamo a riprodurlo anche sulla Terra? La fusione nucleare è pulita, sicura, praticamente inesauribile. Per ottenerla sulla Terra, bisogna replicare condizioni estreme di temperatura e pressione, simili a quelle del nucleo solare, per vincere la repulsione tra i nuclei e costringerli a fondersi. La sfida tecnologica principale è proprio quella di creare e mantenere queste condizioni in modo controllato.

Cos’è la fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione in cui due nuclei atomici leggeri, come quelli dell’idrogeno, si uniscono per formare un nucleo più pesante, liberando energia. È l’opposto della fissione – usata nelle centrali nucleari – dove un nucleo pesante si divide in due più leggeri. La reazione più studiata è quella tra deuterio e trizio, due isotopi dell’idrogeno:

Deuterio + Trizio → Elio + Neutrone + Energia

Questa reazione è esotermica, cioè produce energia, ed è quella che alimenta le stelle. Ma replicarla sulla Terra è tecnicamente complesso.

Quali sono le difficoltà tecniche più importanti

Ci sono parecchie difficoltà tecniche che rendono la fusione nucleare complessa da realizzare sulla Terra.

1. Superare la repulsione tra i due nuclei: i nuclei atomici sono carichi positivamente, quindi si respingono. Per farli fondere, bisogna avvicinarli molto, superando la barriera elettrostatica. Ci si riesce con temperature altissime, dell’ordine di 100 milioni di gradi Celsius!
2. Confinare il plasma: a quelle temperature la materia diventa plasma, un gas di particelle cariche ionizzate. Per contenerlo ed intrappolare il plasma si usano campi magnetici molto forti.
3. Durata e stabilità: il plasma deve rimanere stabile per abbastanza tempo da permettere alla fusione di avvenire. Ma essendo il plasma turbolento e instabile, tende a “scappare” dai campi magnetici. Mantenere la reazione per più di qualche secondo, quindi, è una sfida.
4. Bilancio di energia: finora gli esperimenti e i sistemi che provano a produrre energia con la fusione nucleare hanno richiesto più energia di quanta ne producono per alimentare tutto il processo. Il traguardo da raggiungere nel futuro sarà arrivare ad un bilancio energetico positivo. Il primo passo per raggiungerlo è il cosiddetto break-even, cioè quando l’energia prodotta dalla reazione supera quella immessa.

Nel 2022, il laboratorio NIF negli USA ha fatto passi avanti, producendo più energia di quella immessa nella reazione. Il suo rendimento però è ancora lontano dal bilanciare energeticamente tutti i servizi ausiliari che alimenta l'esperimento, come i sistemi di raffreddamento o i server.

Le tecnologie in campo

Esistono varie tecnologie che permettono la creazione del plasma e il suo confinamento. Esiste il tokamak, con forma a ciambella, che usa campi magnetici per confinare il plasma. Il progetto ITER ne è un esempio in costruzione.

Esistono poi anche laser potentissimi a fusione inerziale, che comprimono capsule di combustibile e innescano la fusione. È il metodo usato dal National Ignition Facility (NIF) negli Stati Uniti. Infine gli Stellarator, con una geometria più complessa, progettata per migliorare la stabilità del plasma. Il reattore Wendelstein 7-X in Germania è uno dei più avanzati.

Perché ci interessa così tanto

La fusione nucleare potrebbe rivoluzionare il mondo dell’energia: non produce gas serra e non genera scorie radioattive a lunga durata. Il combustibile deuterio è abbondante e si trova nell’acqua di mare. Infine è sicura e non può esplodere.In pratica, sarebbe come avere un Sole in miniatura sulla Terra, capace di fornire energia pulita e praticamente infinita.

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