Fusione nucleare: cos'è e quanto è importante il risultato ottenuto negli Stati Uniti

Il Dipartimento dell’Energia e l’Amministrazione nazionale per la sicurezza nucleare USA hanno annunciato il 13 dicembre 2022 di aver raggiunto un primo storico traguardo che consentirà, in futuro, di produrre energia pulita usando processi di fusione nucleare. Per raggiungere l’ambizioso obiettivo, gli scienziati hanno utilizzato la fusione a confinamento inerziale, della quale parliamo più avanti, realizzando con successo il loro esperimento presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), gestito dall’Università della California.

Sin dagli anni ’50 i fisici hanno cercato di riprodurre la reazione di fusione che alimenta il Sole (per questo si parla di “energia delle stelle”). Per la seconda volta, tuttavia, il 30 luglio 2023, gli scienziati USA hanno ottenuto un guadagno netto di energia in una reazione di fusione, un risultato destinato ad alimentare l’ottimismo sul fatto che si stiano compiendo marcati progressi verso il sogno di un’energia illimitata e a zero emissioni di carbonio. Di seguito cerchiamo di riassumere cos’è successo.

Cos’è la fusione nucleare

La fusione nucleare avviene quando due atomi si fondono per formare un singolo atomo di un elemento più pesante, un processo che porta al rilascio di un’enorme quantità di energia.

Sulle varie testate si legge che in laboratorio è possibile generare, almeno in linea teorica e in seguito al processo di fusione nucleare, più energia di quella immessa. In realtà la legge della conservazione della massa (o della materia) suggerisce che “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma” (Antoine-Laurent de Lavoisier, 1789). Albert Einstein, più di cent’anni dopo, riformulò la legge in altri termini giungendo alla formula E = mc2.

Ciò che succede nel caso della fusione nucleare è che le masse atomiche originali dei due atomi si combinano per formare un nuovo atomo con una massa leggermente inferiore rispetto alla somma delle masse atomiche originali. Questa perdita di massa è convertita in energia nel rispetto della relazione tra l’energia e la massa di un sistema fisico individuata da Einstein.

Per fare in modo che la fusione nucleare si verifichi, è necessario raggiungere temperature estremamente elevate e applicare una forte pressione per mantenere i nuclei atomici.
Diversamente rispetto alla fissione nucleare, che produce notevoli (pericolose) scorie, la fusione nucleare è considerata una fonte di energia pulita e potenzialmente illimitata in quanto gli elementi utilizzati, come deuterio e trizio, sono abbondanti sulla Terra.

All’atto pratico, tuttavia, la fusione nucleare si è sempre rivelata complessa da realizzare in modo efficiente e sicuro: secondo i ricercatori USA che hanno lavorato sull’esperimento di laboratorio, ci vorranno almeno 30 anni perché sia possibile sviluppare tecnologie in grado di controllare la fusione nucleare e sfruttarne l’energia in modo efficiente.

Fusione a confinamento inerziale

I ricercatori d’Oltreoceano hanno utilizzato la fusione a confinamento inerziale per generare temperature e pressioni estreme al fine di far scattare il meccanismo di fusione nucleare: i nuclei atomici che da fondere sono rilegati in uno spazio chiuso e riscaldati fino a raggiungere temperature estremamente elevate.

Nell’esperimento concluso con successo a dicembre 2022, i nuclei atomici sono stati compressi utilizzando fasci di laser ad altissima energia. Si è fatto ricorso a una miscela di deuterio e trizio provocando la liberazione di energia, 3,15 Megajoule contro i 2,05 Megajoule forniti. Questo passaggio è chiaramente indicato nella nota di LLNL.

Per raggiungere l’obiettivo e fissare l’importante pietra miliare, gli studiosi di LLNL hanno costruito una serie di sistemi laser sempre più potenti. Ne è così nato NIF, il sistema laser più grande e potente al mondo. NIF ha le dimensioni di uno stadio e utilizza potenti raggi laser per raggiungere temperature e livelli di pressione paragonabili a quelle che si rilevano nel nucleo delle stelle e dei pianeti giganti.

Esperimenti di grande valenza teorica ma soggetti a spiccate inefficienze del sistema

Va detto che, come peraltro spiegato in questo articolo (sempre di LLNL), a causa delle inefficienze del sistema i laser consumano all’incirca 330 Megajoule per caricarsi. L’energia viene immagazzinata in 3.840 condensatori ad alta tensione per 60 secondi prima di essere rilasciata in un “burst” di 400 microsecondi.
Gli attuali laser possono essere resi operativi, nella migliore delle ipotesi, solo una volta al giorno mentre in futuro dovrebbero “sparare” più volte al secondo.

Per il calcolo del guadagno di energia i ricercatori confrontano solo l’energia generata a partire dall’energia impressa mediante l’uso dei laser. La quantità totale di energia estratta dalla rete per alimentare il sistema, come abbiamo visto davvero molto più alta, non è presa in esame.

Un ulteriore passo in avanti è stato compiuto a fine luglio 2023. Secondo fonti vicine al LLNL, i ricercatori sono stati in grado di produrre un maggior quantitativo di energia rispetto a dicembre (circa 3,5 Megajoule). “Come è nostra pratica standard, abbiamo in programma di riportare i risultati dei nuovi esperimenti nel corso delle prossime conferenze scientifiche e in alcune pubblicazioni  che saranno sottoposte a revisione“, si fa presente.

Inutile dire che anche 3,5 Megajoule sono più o meno sufficienti per alimentare un ferro da stiro domestico per un’ora e se si considerano le entità delle “inefficienze” brevemente descritte in precedenza, siamo ben lontani dal realizzare qualcosa di davvero “utilizzabile”.

Nonostante gli aspetti descritti poco sopra, gli esperimenti rappresentano un enorme passo in avanti: c’è tuttavia tanto lavorare da fare nel corso dei prossimi decenni per arrivare a una soluzione valida sia dal punto di vista pratico che commerciale. In ottica futura, invece, l’idea è che un piccolo contenitore di combustibile a idrogeno (deuterio e trizio sono isotopi dell’idrogeno) possa alimentare una casa per centinaia di anni.

Differenza tra fissione e fusione nucleare

La fissione e la fusione nucleare sono due processi completamente diversi che avvengono all’interno dei nuclei atomici. La fissione nucleare spezza un atomo pesante in due atomi più piccoli rilasciando una quantità significativa di energia.
Nel caso della fusione nucleare, come abbiamo visto, due atomi si fondono insieme per formare un singolo atomo di un elemento più pesante, rilasciando una quantità enorme di energia.

Una delle principali differenze tra fissione e fusione nucleare è la quantità di energia rilasciata: con la seconda è molto maggiore. Inoltre, la fissione utilizza elementi pesanti come uranio e plutonio mentre la fusione richiede elementi leggeri come deuterio e trizio. Com’è noto, la fissione produce scorie radioattive mentre nella seconda il sottoprodotto del processo è minimo e la fase di decadimento è rapida.

Il problema della fusione è che il processo è difficile da controllare e soltanto con il traguardo appena raggiunto, frutto di decenni di lavoro, si pensa al suo utilizzo pratico come fonte di energia.

L’immagine utilizzata nell’articolo è pubblicata da LLNL nella nota stampa del 13 dicembre 2022.