Il sole in bottiglia: la fusione nucleare

A metà febbraio i giornali internazionali riportavano la notizia di un grande passo avanti nella ricerca sulla fusione nucleare: ogni tanto succede e ogni volta si apre il solito dibattito: ci riusciranno o sarà sempre nel futuro? Sarà questa la volta buona?

La quasi mitologica fonte di energia pulita ha fatto di nuovo notizia dopo che JET, il Joint European Torus, è riuscito a mantenere il confinamento del plasma per cinque secondi — per adesso non sembrerà tanto, ma gli scienziati hanno ragione di essere emozionati.

Un momento: tori, plasma, confinamento… di cosa stiamo parlando?

Stelle, particelle e ciambelle

La fusione nucleare è un processo per cui nuclei di atomi leggeri si uniscono per formare un nucleo di massa maggiore. La parola nucleare potrebbe far emergere emozioni negative, ma c’è da stare tranquilli: in un processo di fusione sono assenti tutti i rischi che associamo normalmente ai reattori nucleari.

C’è un ostacolo fondamentale da superare, però: i nuclei atomici hanno carica positiva e si repellono a vicenda. Convincerli a stare abbastanza vicini in modo che si fondano richiede elevatissime pressioni e temperature. All’interno di una stella si parla di 10 milioni di gradi, con un enorme aiuto dato dall’elevatissima pressione: vedremo che sulla Terra bisogna scaldare molto di più.

All’interno di una stella si incontra il quarto stato della materia, uno che sulla terra esiste solo attorno a fulmini, nelle aurore, nelle insegne e nei microonde: il plasma. In determinate condizioni (come alta temperatura o alto campo elettrico) gli atomi di un gas possono separarsi in nuclei ed elettroni. Questo tuttavia è uno stato instabile nelle normali condizioni del nostro pianeta; la storia è differente nel cuore di una stella, dove il plasma è l’unico stato in cui la materia può esistere.

Come si fa quindi a imbottigliare un sole, e a usarlo a nostro vantaggio?

Storia di una reazione nucleare

Più o meno quando gli scienziati intorno al mondo iniziavano a scoprire i segreti della fissione nucleare — ricerche che avrebbero portato allo sviluppo delle bombe atomiche — il fisico Arthur Eddington guardava più in alto. Per molto tempo l’umanità non ha avuto idea di cosa fossero le stelle: per un po’ si pensò che bruciassero carbone! Eddington fu il primo a capire che le stelle brillano grazie a processi di fusione nucleare.
Si racconta una storiella relativa alla scoperta: Eddington sedeva con la sua fidanzata su una panchina. Ad un tratto lei disse “guarda come brillano le stelle!” e lui rispose “già. E in questo momento sono l’unico uomo al mondo a sapere come brillano”. Lei si mise a ridere. La storia è falsa, in quanto Eddington rimase scapolo a vita ed era noto per avere poco interesse per le questioni mondane.

Fin da subito i fisici capirono che la fusione nucleare aveva il potenziale per essere una fonte di energia sorprendente. Gli esperimenti iniziarono negli anni ’30, senza però avere successo. I progressi furono lenti e costanti, fino ad arrivare a delineare, intorno agli anni ‘50, i successivi decenni di ricerca.

Un campo magnetico a ciambella (forma toroidale) sembra essere il migliore per il contenimento di un plasma. Gli elementi bianchi a forma di D sono i magneti che conferiscono la forma voluta. Credits: Oak Ridge National Laboratory.

In particolare, il fisico sovietico Sakharov capì che il modo migliore per contenere il plasma incandescente era un campo magnetico di forma toroidale (come una ciambella). Non avendo inizio o fine, data la natura circolare, si elimina in questo modo un punto estremamente delicato del contenimento:vicoli ciechi. Il plasma è famoso per avere la tendenza a scappare da ogni recipiente, dargli un modo per muoversi liberamente almeno in una direzione aiuta molto.

Come mille soli

Mentre i tentativi di contenere la reazione di fusione nucleare andavano a vuoto, l’umanità aveva imparato ad eccellere nel liberare il suo potenziale in modo incontrollato. Ancora prima che la bomba atomica venisse usata nei tragici bombardamenti sul Giappone, Edward Teller, fisico facente parte del Progetto Manhattan, aveva ipotizzato che si potesse impiegare la fusione nucleare per rendere un’esplosione atomica ancora più potente.

Ivy Mike, il primo test di un ordigno termonucleare.

Il primo giorno del novembre 1952 gli Stati Uniti detonarono la prima bomba all’idrogeno: con un’energia rilasciata superiore a 10 megatoni (10 milioni di tonnellate di TNT) si accendeva per la prima volta un momentaneo sole artificiale sulla Terra e si inaugurava l’inizio dell’era termonucleare.
Da allora l’umanità ha vissuto con questa spada di Damocle, essendo ogni testata capace di cancellare una città dalla faccia della Terra ed il fragile equilibrio della mutua assicurata distruzione, MAD, come unica cosa che separa il Pianeta da un olocausto nucleare. Eppure, l’immensa potenza delle armi atomiche è solo uno dei lati della medaglia.

Controllo

Il sogno di impiegare la fusione per scopi pacifici non si è mai fermato, nonostante gli ostacoli. Molte nazioni hanno provato, e stanno provando, a imbrigliare questa sfuggente reazione nucleare: i vantaggi sarebbero molti. Per prima cosa, il combustibile impiegato da una centrale a fusione nucleare è idrogeno, o meglio i suoi isotopi deuterio e trizio. Il primo è abbondante in Natura, essendo una percentuale non trascurabile di tutti gli atomi di idrogeno esistenti, ne esiste una riserva virtualmente illimitata negli oceani. Il trizio, al contrario, è estremamente raro: oggi viene prodotto solo come scarto dal decadimento di materiale radioattivo (quindi in centrali a fissione e testate nucleari); in un futuro dove esistono reattori a fusione, sarebbe prodotto in loco durante la reazione di fusione stessa (grazie a interazioni fra i prodotti e il materiale del reattore).

Una tipica reazione di fusione nucleare. Gli unici prodotti sono un nucleo di elio, un neutrone e una grande quantità di energia.

In alternativa al trizio, è possibile impiegare l’isotopo elio-3 dell’elio; esso è quasi introvabile in natura, ma è presente in abbondanza sulla superficie lunare: un esito favorevole nello sviluppo di una centrale a fusione aprirebbe le porte, nel bene o nel male, allo sfruttamento minerario di altri corpi celesti.

All’altro estremo del processo, si può parlare delle scorie prodotte dalle reazioni di fusione. Ebbene, questo è un altro dei punti dei suoi punti di forza. Idealmente, i prodotti di una reazione di fusione fra atomi di idrogeno sono solo elio ed un neutrone. In pratica verrebbe a prodursi una minima quantità di scorie radioattive a breve vita in seguito all’usura del reattore: in meno di un secolo, comunque, sarebbero innocue.

A proposito di sicurezza, una centrale a fusione nucleare è probabilmente uno degli impianti di produzione di energia più sicuri che possano essere progettati: la natura intrinsecamente instabile della reazione fa sì che, nel caso di perdita di controllo, l’intero processo si estingua autonomamente. Le paure di una nuova Chernobyl o Fukushima non sussistono.

Infine, attingendo direttamente alla celebre equivalenza fra massa ed energia E=mc², la fusione è uno dei processi più energetici noti all’umanità. Non sarebbe energia infinita per la Terra, ma poco meno, ed il tutto usando… acqua.

Visti tutti i punti di vantaggio, è chiaro che gli scienziati inseguano la fusione nucleare con la stessa passione e tenacia che si addice ad un eroe mitologico. Il che ci porta a JET, con la notizia della scorsa settimana, e a ITER.

ITER

Negli anni ‘80, al termine della guerra fredda si prospettò la possibilità di unire gli sforzi delle nazioni che stavano inseguendo il sogno della fusione nucleare per permettere lo sviluppo di un progetto più complesso, grande, ed ambizioso. Nasceva così ITER, International thermonuclear experimental reactor: fra i partner che hanno preso al progetto negli anni abbiamo Russia, Stati Uniti, Unione Europea, Cina, Corea del Sud, Giappone.

Spaccato di ITER una volta completato. Credits: Oak Ridge National Laboratory.

Il luogo scelto per ospitare il gigantesco impianto è Cadarache, nel sud della Francia. Negli scorsi anni è iniziata la costruzione del reattore, che si prolungherà fino alla metà di questo decennio. I numeri di ITER sono impressionanti, a partire dal budget che potrebbe arrivare a 22 miliardi di dollari, ponendolo quindi nell’Olimpo dei progetti più costosi mai intrapresi dall’umanità. Non è facile accendere una stella in bottiglia e le stime iniziali delle risorse necessarie sono state ampiamente superate.

ITER è enorme: in particolare, la camera dove avverrà la fusione nucleare sarà colossale: grande quanto una palazzina, è la struttura di questo tipo più grande mai realizzata. Il rivestimento interno di questa camera sarà il componente più vicino al plasma incandescente, e allo stesso tempo in contatto con i magneti superconduttivi che permettono di contenere il plasma stesso: in quell’insignificante punto di un insignificante pianeta in orbita attorno ad una stella assolutamente nella media verrà a crearsi la più grande differenza di temperatura nell’universo conosciuto.

L’esperimento di JET che ha fatto notizia ha testato con risultati eccellenti un nuovo materiale per il rivestimento, passando da fibra di carbonio ad una lega metallica ad alte prestazioni. Ciò ha permesso al reattore di mantenere un plasma per 5 secondi, producendo 59 MJ di energia. Potrebbe non sembrare tanto, in particolare il tempo, ma in realtà rappresenta un passo cruciale: le innovazioni di ITER permetteranno il contenimento del plasma incandescente per tempi arbitrari.

L’iter di ITER

ITER sarà solo un dimostratore tecnologico: se tutto andrà bene, nel 2035 verrà confermata la validità del progetto, ovverosia la possibilità di contenere un plasma e di conseguenza una reazione di fusione controllata per periodi di tempo sufficienti ad ottenere una produzione netta di energia. Tuttavia ITER non sarà una centrale elettrica: bisognerà aspettare i suoi successori, DEMO e PROTO, rispettivamente una versione più potente di ITER, e un prototipo funzionale di centrale elettrica alimentata a fusione. Si parla della seconda metà del secolo per entrambi.

La strada giusta?

La fusione nucleare accende un dibattito più caldo del plasma necessario per la stessa. È davvero necessario inseguire questa tecnologia? I benefici supereranno mai i costi? Si tratta della soluzione ai problemi energetici dell’umanità? Schierarsi da uno dei due lati non è la posizione migliore: la risposta a tutti quei quesiti sta nel mezzo. La fusione nucleare sarebbe un enorme passo avanti in come l’umanità genererebbe un’energia di cui c’è una richiesta sempre crescente. Allo stesso tempo, si sta dimostrando estremamente difficile da sviluppare — non è nemmeno detto che sia possibile — e costosa. Sicuramente non è la soluzione per la catastrofica crisi climatica, che per gli anni in cui è previsto che la fusione diventi commercialmente disponibile, starà infuriando su tutta la superficie del pianeta.  È sempre giusto ricordare che fare i conti in tasca ad un progetto scientifico non fa altro che distogliere l’attenzione dal volume di risorse e di finanziamenti che vanno in attività irrilevanti o deleterie per il Pianeta stesso. In questa prospettiva, cercare di accendere una stella per alimentare la nostra specie senza gravare su un pianeta sofferente potrebbe giustificare il rinunciare ad un’olimpiade invernale.

Si può volentieri ridere all’ironia che scaturisce dall’inseguimento alla fusione: “sessant’anni che sarà pronta fra trenta”, ma non dimentichiamoci che poche cose sono state facili da raggiungere, e che l’umanità ha deciso di provarci “non perché sono semplici, ma perché sono difficili”. La prima volta che queste parole sono state pronunciate si guardava alla Luna, adesso è tempo di guardare alle stelle.

Davide Borchia

In Copertina: interno del JET, il Joint European Torus. it.wikipedia.org

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