Fusione nucleare: a che punto siamo?
La notizia è di quelle che potrebbero cambiare il corso della storia e della nostra produzione di energia e tutti sappiamo bene quanto ne abbiamo bisogno oggi. Parliamo dei progressi che si sono registrati in questi ultimi giorni nella fusione nucleare, novità che potrebbero “rivoluzionare il mondo”. Per gli esperti statunitensi, autori di questi progressi, è come avere “il sole in una stanza” e questo grazie al risultato di un esperimento di fusione nucleare in un laboratorio della California. La grande novità è che per la prima volta un gruppo di ricerca è riuscito a ottenere più energia da una reazione di fusione nucleare rispetto a quella impiegata per innescarla. Una svolta incredibile per avere energia pulita, inesauribile e a basso costo, che riproduce in pratica il processo che avviene nella stella madre del sistema solare.
Un passo importante verso lo sviluppo di un sistema per produrre facilmente ed economicamente grandi quantità di energia, ma nonostante questo e l’entusiasmo di chi ha portato avanti il progetto, alcuni esperti fanno notare che il progresso raggiunto è ancora limitato e non risolve, per ora e completamente, il problema del bilancio energetico. Saranno necessari infatti ancora decenni prima di avere una possibile prima centrale elettrica a fusione. Ma andiamo nel dettaglio per capire quali sono realmente i progressi raggiunti nella fusione nucleare.
Fusione nucleare, una spiegazione semplice
La fusione nucleare è una reazione nucleare nella quale i nuclei di due o più atomi si uniscono tra loro formando il nucleo di un nuovo elemento chimico. Per rendere possibile questo processo, i nuclei devono essere avvicinati tra loro, impiegando una grande energia per superare la repulsione elettromagnetica. La fusione degli elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 (ferro e nichel) è una reazione esotermica, cioè emette energia poiché il nucleo prodotto dalla reazione ha massa minore della somma delle masse dei nuclei reagenti. Per gli atomi con numeri atomici superiori la reazione invece è endotermica, cioè assorbe energia. Alcune reazioni determinano il rilascio di uno o più neutroni liberi; questo crea, nella prospettiva dello sfruttamento come fonte di energia, alcuni importanti problemi tecnologici legati alla attivazione neutronica e alla schermatura.
Questo processo di fusione di nuclei atomici è il meccanismo alla base delle stelle, rendendo possibile l’emissione di luce e il mantenimento costante delle loro dimensioni impedendone il collasso gravitazionale. Negli anni ’50, la fusione è stata per la prima volta prodotta artificialmente per amplificare la potenza di una bomba atomica, questo tipo di ordigni è stato chiamato bomba H. Negli anni successivi sono stati eseguiti molti esperimenti per sfruttare l’energia prodotta dalla fusione, soprattutto per cercare di produrre energia elettrica.
Per questo, il 13 dicembre di quest’anno si può annoverare come una data storica in quest’ottica: il Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti d’America ha annunciato la prima fusione nucleare la cui reazione ha prodotto più energia di quanta utilizzata per produrne.
Da qui la volontà di creare delle centrali nucleari che abbiano come base la fusione e non la fissione, che alimenta le centrali che esistono attualmente. La fusione infatti è la reazione termonucleare naturale che alimenta il Sole e le altre stelle, al centro delle quali l’enorme forza di gravità consente di innescarla e mantenerla per anni. Un processo opposto quindi alla fissione, dove si produce energia dalla “rottura” di un atomo pesante dopo l’impatto con un neutrone, per trasformare acqua ad alta pressione in vapore, che fa poi girare turbine cui sono collegati alternatori per produrre energia elettrica. Durante la fusione invece due atomi leggeri in opportune condizioni raggiungono uno stato della materia, il plasma, nel quale possono superare le forze repulsive e fondersi in un nucleo di elio, rilasciando quindi più energia per unità di massa rispetto alla fissione.
Quando sarà disponibile la fusione nucleare
Da oltre mezzo secolo produciamo energia elettrica dal nucleare attraverso la fissione, un sistema che permette di produrre energia elettrica con un minore impatto ambientale rispetto alla produzione dai combustibili fossili, come gas e carbone, ma che ha qualche controindicazione. La reazione deve essere sempre tenuta sotto controllo per evitare gravi contaminazioni, nel processo si producono inoltre residui altamente pericolosi, le “scorie radioattive” che devono essere conservate con cura e isolate dall’ambiente circostante. Anche per questo da tempo si cerca un reattore alternativo a quelli a fissione, che funzioni con lo stesso principio della fusione nucleare.
Tornando all’esperimento condotto in California, se si riuscirà a costruire le strutture necessarie a catturare e mettere in rete energia, cosa a cui sta lavorando anche l’Eni col Mit per raggiungere l’obiettivo intorno al 2030, si potrà avere una fonte energetica pulita, rinnovabile e sicura. Tutto questo è avvenuto a Livermore, una cittadina californiana a sud-est di San Francisco dove ha sede il Lawrence Livermore National Laboratory (Llnl), un centro di ricerca pubblico che si occupa dello studio e dello sviluppo di armi nucleari per il governo degli Stati Uniti e anche della ricerca per l’impiego delle tecnologie nucleari a scopi civili.
Queste ultime ricerche vengono svolte presso il laboratorio National Ignition Facility (Nif), che è stato il centro di dove per questo innovativo esperimento. Qui sono stati utilizzati 192 potenti laser che convogliano in contemporanea un impulso luminoso verso un minuscolo cilindro di metallo, che raggiunge in pochi istanti una temperatura intorno ai 3 milioni di °C.
Il cilindro viene vaporizzato e si produce un’implosione che comprime una sfera di pochi millimetri di deuterio e trizio, due forme più pesanti di idrogeno. L’implosione fa sì che i due elementi fondano in elio, producendo la fusione vera e propria. Il risultato è stato ottenuto nel corso di un esperimento condotto il 5 dicembre scorso, che ha portato a produrre 1,5 volte l’energia applicata all’idrogeno tramite gli impulsi laser.
Questa svolta nella fusione nucleare potrebbe portare a un ovvio risparmio economico, ma anche a degli effetti straordinari anche per il clima. Senza dimenticare la geopolitica e il bisogno in questo momento per la maggior parte dell’Occidente di essere indipendente da un punto di vista energetico, liberandosi così dal potere di Paesi come la Russia, o dalla costante instabilità nel Medio Oriente.
Fusione nucleare, i principali problemi
Il risultato del Nif è un importante progresso in una tecnologia ma per molti esperti presenta ancora molti punti interrogativi su tempi e fattibilità. Questo bilancio energetico positivo annunciato è in questo caso riferito all’energia che colpisce l’idrogeno, non a quella per produrre gli impulsi laser che vengono poi convogliati verso l’obiettivo. I laser del Nif non sono ancora efficienti e solo una piccola percentuale dell’energia totale impiegata finisce negli impulsi laser.
Il bilancio energetico totale è ancora negativo, bisognerà quindi lavorare bene sui e su una migliore produzione di energia dalla fusione per produrre energia su grande scala.
Inoltre per adesso non è possibile fare più di un test al giorno al Nif, per vari motivi, il sistema che deve essere tarato, la sostituzione dell’idrogeno che deve essere lasciato all’intero sistema per raffreddarsi. Per produrre energia competitiva bisognerebbe ridurre di molto tutti questi processi.
Non è possibile dire quindi quando saranno disponibili sistemi per la fusione nucleare, secondo alcuni esperti ci vorranno ancora svariati decenni. Fondamentale quindi trasformare i vari progressi nella ricerca in sistemi commercialmente utilizzabili, per avere una radicale trasformazione del modo in cui viene prodotta l’energia elettric
Fusione nucleare, dai progressi alla commercializzazione
Nonostante quindi questa del Nif sia una scoperta molto importante per le sorti della produzione di energia, secondo alcuni da annoverare come una delle “scoperte del secolo”, ci vorranno almeno 30 anni per il suo utilizzo a scopo commerciale, a causa come abbiamo visto di alcune enormi difficoltà scientifiche e tecnologiche.
Secondo la segretaria al dipartimento Usa dell’energia, Jennifer Granholm questa rappresenta «un’importante svolta scientifica che porterà a progressi nella difesa nazionale e nel futuro dell’energia pulita».
«Si tratta di una delle sfide più significative mai affrontate dall’umanità», afferma Kim Budin, direttrice del laboratorio nazionale Lawrence Livermore.
La stessa Budin ammette però che ci vorrà molto tempo prima di arrivare a una svolta anche industriale dell’esperimento. «Questa è stata una accensione, per una sola volta, di una capsula ma per ottenere l’energia commerciale da fusione c’è bisogno di molte cose. Bisogna produrre molti eventi di innesco per fusione per minuto e bisogna avere un robusto sistema di elementi di trasmissione per realizzarli. Ma con sforzi e investimenti concertati, e alcuni decenni di ricerca sulle tecnologie necessarie, saremo nella posizione di costruire una centrale elettrica», conclude la direttrice.
«Questa svolta dimostra che la necessità di continuare a investire nella fusione nucleare è forte - ha sottolineato la presidente della Commissione europea, Ursula von der Leyen -Abbiamo bisogno di vari approcci per garantire questa energia pulita in futuro, ma questo dimostra che vale la pena intensificare il lavoro e la ricerca».
