Fusione nucleare: l’energia del futuro?

Per la prima volta, in un esperimento di fusione nucleare è stata prodotta una quantità di energia maggiore di quella necessaria a innescare il processo [4]. L’annuncio ha generato una grande eco mediatica. Per comprenderne meglio la rilevanza — e come ci proietta in quello che, idealmente, sarà il futuro della produzione di energia — è necessario sapere cosa s’intende con «energia nucleare», quali sono i processi fisici in gioco e in che modo, oggi, riusciamo a sfruttarla in campo industriale. Inoltre, benché si tratti di un risultato straordinario, è importante chiarire che ha dei “limiti” e siamo ancora molto distanti dall’ottenere risvolti concreti sulle nostre vite.

L’energia nucleare è l’energia che viene liberata durante le trasformazioni che coinvolgono i nuclei atomici; questi sono costituiti dai protoni, che hanno carica elettrica positiva, e dai neutroni, che hanno carica elettrica nulla. Protoni e neutroni vengono detti nucleoni e sono “tenuti assieme” dalla forza nucleare forte — nel caso dei protoni, questa forza vince quella elettrica repulsiva che essi, avendo carica dello stesso segno, esercitano l’uno sull’altro. I due meccanismi principali che portano a trasformazioni dei nuclei atomici sono la fissione e la fusione.
La fissione nucleare si ha quando il nucleo di un atomo relativamente pesante, come per esempio l’uranio-235 (qui, “235” indica il numero di nucleoni), viene “bombardato” con un neutrone e si scinde in due nuclei più leggeri, liberando una grande quantità di energia — con soli 6 grammi di uranio, infatti, è possibile produrne tanta quanta ne si produce bruciando una tonnellata di carbone [2]. Inoltre, anche singoli neutroni vengono liberati e possono colpire a loro volta altri nuclei di uranio: si ha così una reazione a catena, [Figura 2].

Il processo deve essere “controllato”: in particolare, bisogna rallentare i neutroni — che vengono liberati a velocità molto elevate — ed evitare che il loro numero cresca esponenzialmente. In questo modo, non si hanno esplosioni e si ottiene un rilascio di energia costante nel tempo [6].
La fusione nucleare, invece, si ha quando due nuclei leggeri si fondono (uniscono) e formano un nucleo più pesante. In particolare, è il processo fisico alla base della vita delle stelle, tra cui il nostro Sole, [Figura 3]. Nel nucleo delle stelle, i nuclei di idrogeno si uniscono trasformandosi in nuclei di elio, liberando energia [4] — la fusione nucleare libera energia a patto che siano coinvolti nuclei con al più 26 e 28 protoni.

Benché il meccanismo sia lo stesso, le reazioni di fusione studiate in laboratorio differiscono da quelle che avvengono nelle stelle, sia perché è impossibile riprodurre le condizioni fisiche che caratterizzano i nuclei stellari, sia perché a essere coinvolti non sono atomi di idrogeno bensì due dei suoi isotopi, il deuterio e il trizio [2]. Gli isotopi di un elemento hanno le stesse proprietà chimiche ma diverso numero di neutroni nel nucleo — deuterio e trizio hanno rispettivamente uno e due neutroni, a differenza dell’idrogeno, che non ne ha nessuno. In laboratorio, i nuclei di deuterio e trizio si fondono creandone uno di elio, liberando energia e un neutrone [2], [Figura 4]. A parità di massa, questo processo produce circa 10 milioni di volte l’energia prodotta in un processo chimico di combustione [5].

Innescare la fusione è complicato e richiede una certa energia in partenza: gli elementi vanno portati a temperature altissime, dell’ordine dei milioni di gradi, finché diventano un plasma, il quarto stato della materia. In particolare, il plasma è un gas ionizzato globalmente neutro: è formato da atomi ionizzati, detti ioni, ovvero atomi a cui sono stati “strappati” degli elettroni. In questo stato, le particelle subatomiche si muovono in modo indipendente: elettroni liberi e ioni non si ricombinano, e i nuclei possono scontrarsi e fondersi [4]. Una volta ottenuto il plasma, inoltre, è necessario “confinarlo” in una regione di spazio in modo che non disperda calore.
Un metodo per confinare il plasma consiste nel farlo interagire con un campo magnetico: benché sia globalmente neutro, infatti, è formato da particelle cariche (elettroni e ioni), il cui moto è influenzato dal campo — in questo caso, si parla di fusione a confinamento magnetico.
Nell’esperimento condotto al Livermore National Laboratory, tuttavia, non sono stati utilizzati campi magnetici, bensì dei laser — in questo caso, si parla di fusione a confinamento inerziale. Nello specifico, una piccola porzione di materia inizialmente solida viene compressa e riscaldata da impulsi laser di grandissima potenza [5]. I laser della National Ignition Facility hanno fornito 2,05 MJ di energia in ingresso e nel processo di fusione sono stati liberati 3,15 MJ, producendo un guadagno netto [4].

Le centrali nucleari attualmente in uso — in tutto il mondo ve ne sono 440, e producono circa il 10% dell’energia elettrica [3] — si basano sul meccanismo di fissione. L’utilizzo di centrali nucleari ha vantaggi e svantaggi, ed è fonte di dibattito da decenni. Da un lato, queste centrali permettono di produrre energia in modo efficiente senza emettere anidride carbonica, il gas responsabile dell’effetto serra — il che contribuisce alla lotta contro il riscaldamento globale. Dall’altro, però, vi sono alcune problematiche. Durante la fissione nucleare vengono prodotte scorie radioattive, che sono molto pericolose per l’uomo e per l’ambiente — sono d’esempio i disastri di Chernobyl (1986) e Fukushima (2011). In particolare, gli scarti delle centrali nucleari possono essere potenzialmente dannosi anche per migliaia di anni [2]: è dunque necessario stoccarli in depositi sicuri per evitare che si disperdano. Inoltre, le miniere di uranio, che viene utilizzato come “combustibile fissile”, hanno un impatto ambientale considerevole. Infine, quando smettono di essere operative, le centrali nucleari vanno smantellate, e i costi per farlo sono ingenti.

1. I disastri di Chernobyl e Fukushima.


2. Enrico Fermi e i «ragazzi di via Panisperna».


3. Il progetto Manhattan e la bomba atomica.


4. Le centrali nucleari attualmente in funzione.