Fusione nucleare: l’energia del futuro?

di Alberto Monte

  • Materie coinvolte: Fisica

La fusione nucleare può rappresentare il futuro della produzione pulita di energia. Un grande passo avanti è stato fatto nel 2022: per la prima volta, in un esperimento di fusione condotto dai ricercatori del Livermore National Laboratory, è stata prodotta una quantità di energia maggiore di quella impiegata per innescare il processo.

 

Un annuncio storico

«[...] a major scientific breakthrough decades in the making that will pave the way for advancements in national security and clean energy [...]», si legge in un tweet del 13 dicembre 2022 pubblicato sul profilo del Lawrence Livermore National Laboratory [1]. Il post si riferisce a un risultato senza precedenti, ottenuto a seguito di un esperimento — finanziato dalla NNSA (National Nuclear Security Administration), del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti — realizzato in una delle installazioni del laboratorio, la National Ignition Facility, [Figura 1].
national ignition facility

Figura 1. Immagine di una componente della National Ignition Facility.

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.

Energia nucleare: fissione e fusione

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].

fissione nucleare

Figura 2. Schema del processo di fissione nucleare. Il nucleo dell’uranio-235 viene colpito da un neutrone e decade in due nuclei di atomi più leggeri, il bario-144 e il kripton-89 liberando una grande quantità di energia. Singoli neutroni, inoltre, vengono liberati nella reazione e possono andare a colpire altri nuclei di uranio: si innesca così una reazione a catena.

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.

struttura sole

Figura 3. La struttura del Sole. Nella parte più interna — il nucleo — avvengono le reazioni nucleari che permettono al Sole di brillare.

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].

fusione nucleare

Figura 4. Schema del processo di fusione nucleare tra deuterio e trizio. I due nuclei si fondono formando un nucleo di elio, liberando un neutrone ed energia.

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 a fissione

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.

centrale nucleare

Figura 5. Immagine di una centrale nucleare in funzione.

Uno sguardo al futuro: i reattori a fusione

Perché, dunque, il risultato ottenuto dai ricercatori del Livermore National Laboratory costituisce un primo passo verso quella che sarebbe una svolta epocale nella produzione di energia? Il fatto che l’esperimento abbia portato a un guadagno energetico rafforza l’idea di costruire centrali nucleari basate sul meccanismo di fusione. Così come per le centrali a fissione, non verrebbe prodotta anidride carbonica. Le centrali a fusione, però, permetterebbero di minimizzare i rischi legati alla radioattività, poiché gli scarti della fusione non sono radioattivi e solo una minima quantità di radioattività (con una vita media di qualche decina di anni) verrebbe rilasciata sulle strutture dei reattori [2]. Un altro aspetto rilevante è legato all’approvvigionamento dei materiali che verrebbero impiegati: il deuterio è presente in abbondanza sul pianeta (è possibile ottenerlo dall’acqua), mentre il trizio può essere estratto dal litio, che è relativamente abbondante sulla crosta terreste. Siamo ancora lontani da questo obiettivo? La risposta è sì, a causa delle enormi difficoltà scientifiche e tecnologiche che si pongono: non sarà semplice, infatti, disporre di un reattore a fusione in grado di produrre energia in modo continuato (come fanno quelli a fissione), né, eventualmente, trasformare questa energia in energia elettrica. Inoltre, è bene fare una precisazione circa il “guadagno energetico”: infatti, il guadagno netto vale se si considera solo l’energia in ingresso fornita dai laser (2,05 MJ) e quella in uscita (3,15 MJ), ma non se si considera il bilancio energetico complessivo, perché per alimentare i laser del laboratorio servono 300 MJ [4]. Dunque, è necessario ottenere un guadagno netto decisamente maggiore nel processo di fusione. In conclusione, benché si tratti di un risultato senza precedenti, gli stessi scienziati del Livermore National Laboratory hanno ribadito che ci vorranno ancora vari decenni prima di poter utilizzare la fusione nucleare per scopi civili.

 

Sitografia

Attività per la classe: la storia dell'energia nucleare

Dividete la classe in 4 gruppi. Ogni gruppo deve scegliere uno dei seguenti argomenti, fare un approfondimento e preparare una presentazione di 10/15 slide da presentare al resto della classe:

  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.