L’ingegneria nucleare non è mai stata una disciplina molto attraente: sarà forse per il fatto di avere Homer Simpson come rappresentante, oppure a causa delle enormi torri di raffreddamento che sbuffano minacciose fumate di vapore acqueo (e che per inciso sono comuni a tutte le tecnologie di produzione di energia termica e costituiscono l’alternativa ecologica al surriscaldare fiumi, laghi e mari).

Eppure non tutti sanno che proprio l’ingegneria nucleare può giocare un ruolo di primo piano nello scenario energetico futuro, ed in particolare nell’ambito delle fonti di energia rinnovabili e ad impatto zero. Se infatti l’attuale “rivoluzione” delle energie rinnovabili si pone come obbiettivo quello di sfruttare l’unica vera energia inesauribile a disposizione sul nostro pianeta, quella fornita dal sole, d’altra parte alcuni pionieri hanno pensato di spingersi oltre, provando ad imitare il sole nel suo modo di produrla quell’energia. Nasce così l’idea di riprodurre e controllare la reazione di fusione nucleare.

Ma cominciamo dal principio: perché la fusione nucleare è una tecnologia così promettente da essere regolarmente al centro della scena quando si parla di prospettive future per il mercato energetico? La risposta è semplice: perché è una fonte di energia pulita, sicura e potenzialmente inesauribile. Infatti, al contrario della fissione, in cui un atomo molto grande (uranio, plutonio) viene spezzato in parti più piccole per rilasciare energia, la fusione utilizza come combustibile atomi molto piccoli, come ad esempio l’idrogeno. Quest’ultimo è l’elemento in assoluto più diffuso nell’universo e si può facilmente estrarre, sulla terra, da qualsiasi riserva d’acqua. La fusione dell’idrogeno e dei suoi isotopi, poi, dà origine ad un unico sottoprodotto: l’elio, gas inerte, non tossico e dalle innumerevoli applicazioni tecnologiche.

La fusione nucleare dispone poi di un altro asso nella manica nel confronto con la fissione: la sua sicurezza intrinseca. Affinché la reazione nucleare si possa autosostenere, infatti, i reattori a fissione “convenzionali” devono disporre di una certa massa critica di combustibile, che deve a sua volta essere mantenuta in regime di equilibrio instabile fra l’esplosione e lo spegnimento del reattore, con conseguenti problemi di controllo e rischio d’incidenti catastrofici. Nella fusione, invece, non serve una quantità minima di combustibile perché la reazione possa sostenersi, e l’apporto di combustibile nel reattore può essere regolato per evitare un eccessivo rilascio di energia, che potrebbe dare luogo ad incidenti.

Fantastico dunque: una fonte di energia ideale. Un solo problema, siamo ancora lontani dal realizzarla. Fusion is always 50 years away: la fusione è sempre fra 50 anni, continuano a ripetere gli addetti ai lavori. Un amaro presentimento dovuto al fatto che quando la fusione fu realizzata per la prima volta, nel 1950, si era convinti di poterla portare ad un livello industriale nel giro di 50 anni di ricerca. Ebbene, più di 50 anni sono ormai passati, e ad oggi ci si aspetta di poter portare la tecnologia ad un livello industriale guarda caso fra 50 anni! Come è possibile tutto questo? Se la fusione è davvero quello che abbiamo detto finora, dovrebbe essere una cosa importantissima, uno dei più importanti progressi scientifici a cui possiamo ambire! Siamo forse vittime di un complotto da parte di qualcuno che vuole impedire la rivoluzione del mercato energetico per come lo conosciamo? Direi di no: è solo che finora l’abbiamo fatta molto semplice.

Un esempio? La storia dell’idrogeno era una mezza verità. Infatti se è molto difficile “convincere” i due nuclei di idrogeno a fondersi fra loro, è d’altra parte quasi impossibile “costringerli” a rimanere insieme senza l’ausilio di almeno qualche neutrone. E così il combustibile necessario per la reazione di fusione non è costituito in realtà dal semplice idrogeno, ma dai suoi due fratelli maggiori, il deuterio ed il trizio, gli isotopi con uno e due neutroni rispettivamente. Questi sono molto meno abbondanti in natura rispetto all’idrogeno, e se questo non è di fatto un problema per il deuterio, la cui abbondanza naturale è comunque abbastanza alta da garantire combustibile a sufficienza per milioni di anni, lo è invece per il trizio, che in pratica non esiste in natura. Trizio che può però essere ricavato irradiando con neutroni degli atomi di litio, uno degli elementi più diffusi nella crosta terrestre. Problema che potrà poi essere superato definitivamente quando, fra qualche centinaia di anni, saremo in grado di sostenere le condizioni ancora più estreme necessarie per la reazione deuterio-deuterio.

I problemi però non sono finiti qui. Per “convincere” i nuclei d’idrogeno a fondersi insieme, infatti, bisogna superare la repulsione elettrostatica causata dalla carica positiva di entrambi i nuclei. Bisogna perciò trovare un modo di spingere i due nuclei così vicini fra loro che la forza nucleare attrattiva prenda il sopravvento sulla repulsione elettrica, e questo implica due cose: temperatura e confinamento.

La temperatura è in effetti un concetto un po’ malvisto dagli addetti ai lavori, probabilmente per il fatto che quando la materia si trova nello stato di plasma, elettroni, ioni ed atomi neutri hanno ciascuno una propria temperatura, diversa da quella di tutti gli altri. In fisica dei plasmi si preferisce invece parlare di energia cinetica, che è quella che spinge i nuclei d’idrogeno ad urtarsi fra loro. Se questi urti avvengono così spesso e con così tanta forza che una volta ogni tanto due atomi riescono a superare la barriera imposta dalla repulsione elettrica, avviene la fusione nucleare. Tuttavia se questi eventi rimangono troppo sporadici, possiamo scordarci non solo di ottenere energia utile dalla fusione, ma anche di riuscire a mantenere il plasma a quelle alte temperature: è un cane che si morde la coda! Si definisce così un parametro chiamato triple product per descrivere quanto un reattore sia efficace nel fare scontrare fra di loro le particelle: parametro che dipende dalla densità di particelle (n), del loro tempo di residenza nel plasma (τ) e dalla loro temperatura (o energia cinetica, T). Utilizzando questo parametro si può valutare quanto tutti i reattori finora costruiti siano andati vicino al produrre energia da fusione. Definendo Q come il rapporto fra l’energia assorbita e quella prodotta, si individua una regione a Q=1, detta di ignition o break-even, in cui la reazione si autosostiene. Il fine ultimo è di superare questo confine e raggiungere Q>1, ovvero produrre energia.

Bianconi, figura 1

Si può notare, però, che le temperature che caratterizzano la condizione di break-even sono di qualche milione di gradi centigradi. Ed è qui che entra in gioco il confinamento: non solo per mantenere le particelle vicine fra loro in modo da aumentare la densità ed il tempo di residenza nel plasma, ma anche perché nessun materiale conosciuto può sopportare temperature così estreme. Anche questo compito è tutt’altro che facile, dato che abbiamo chiesto alle particelle di essere veloci, energetiche e di realizzare un enorme numero di urti. In aggiunta a questo c’è il fatto che non possiamo utilizzare il meccanismo “naturale” che utilizzano il sole e tutte le stelle per mantenere il plasma confinato: la gravità. Per questo si è dovuto pensare a vari metodi di confinamento, utilizzando diversi meccanismi. I più diffusi sono il confinamento inerziale e quello magnetico. Nel confinamento inerziale un cubetto di combustibile allo stato solido viene rapidamente riscaldato da un fascio di laser; esplodendo, il cubetto causa una implosione di una parte del combustibile al suo interno, che raggiunge densità e temperatura adatte per la fusione. Il meccanismo in assoluto più studiato è però il confinamento magnetico, in cui le particelle cariche che costituiscono il plasma sono intrappolate da un campo magnetico che impedisce loro di sfuggire. Volendo creare una linea di campo magnetico chiusa su se stessa, nasce il reattore a forma di ciambella (toroidale), che è alla base del design della maggior parte dei reattori di oggi, chiamati Tokamak.

Entrambi i metodi sono estremamente complessi e presentano numerosissime complicazioni tecnologiche che sono state prese in esame negli ultimi 50 anni. Per concludere rispondendo alla nostra domanda iniziale, quindi, non è vero né che la fusione sia un traguardo irraggiungibile né che non si siano fatti progressi negli ultimi 50 anni. Qualcuno ha avuto l’idea di confrontare l’evoluzione temporale della ricerca in quest’ambito a quello della legge di Moore, che prevede il raddoppio della capacità di un microchip elettronico ogni 18 mesi. Della veridicità di quest’ultima nessuno osa dubitare: basti mettere a confronto gli smartphone di oggi con i cellulari di 10 anni fa. Pochi crederebbero, invece, che la fusione abbia compiuto gli stessi passi da gigante nella “rincorsa al break-even”.

Bianconi, figura 2

In effetti, l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), la prima centrale pilota a fusione attualmente in costruzione a Cadarache, in Francia, dovrebbe nel 2020 raggiungere e superare il tanto anelato break-even. Per via della sua complessità e del suo costo (ITER è stato definito il progetto scientifico più costoso della storia dell’umanità), è probabile che questa tecnologia impiegherà comunque ancora 50 anni prima di comparire sul mercato energetico. Ciononostante, l’intero settore è in pieno fermento: si iniziano ad esplorare le alternative più disparate che erano state scartate inizialmente. Una piccola ditta americana, General Fusion, ha realizzato un reattore a fusione di modeste dimensioni che comprime un metallo fuso attorno ad una piccola sfera d’idrogeno. La Lockheed Martin, principale appaltatore del dipartimento della difesa americano, ha annunciato di essere pronta a lanciare sul mercato un prototipo di reattore a fusione trasportabile (su camion), per applicazioni mobili.

Insomma, per chi ancora non l’avesse capito, la fusione non è più “fra 50 anni”: fusion is now!


L’immagine di copertina, chiamata Plasma Ball and Lightning, è una creazione digitale tratta da Dreamstime.com.

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