Manca tantissimo per sfruttare la fusione nucleare

La presidente del Consiglio Giorgia Meloni ha citato l’importanza della fusione nucleare per produrre energia elettrica nel corso del suo discorso alla 29esima conferenza delle Nazioni Unite per il contrasto al cambiamento climatico (COP29), prospettando un futuro che è però ancora molto lontano e secondo i più scettici addirittura impossibile da realizzare. Nel suo intervento Meloni ha detto che, oltre a mantenere i propri impegni nella riduzione delle emissioni di gas serra e nel sostenere i paesi in via di sviluppo, l’Italia è «in prima linea» nello sviluppo della fusione nucleare e che questa sarà essenziale per arricchire la varietà di risorse impiegate per produrre energia elettrica senza ricorrere ai combustibili fossili. In realtà, sarà ancora necessario tantissimo tempo per avere qualche risultato.

Nonostante anni di lavoro, la ricerca nel settore è infatti ancora indietro e potrebbero essere necessari decenni prima di avere un impiego a livello commerciale delle tecnologie legate alla fusione. Per questo motivo molti esperti ritengono che indicare la fusione nucleare come la soluzione a buona parte dei problemi delle emissioni, che contribuiscono al riscaldamento globale, sia una distrazione e che ci si dovrebbe concentrare sulle tecnologie già disponibili per produrre quanta più energia elettrica possibile utilizzando fonti rinnovabili e – in una certa misura – le tecnologie nucleari di cui già disponiamo basate sulla fissione.

Da più di mezzo secolo produciamo infatti energia elettrica dal nucleare attraverso la fissione, cioè una reazione in cui i nuclei di atomi pesanti (come gli isotopi plutonio 239 e uranio 235) vengono indotti a spezzarsi, con un processo che libera una grande quantità di energia termica. Questa viene sfruttata per trasformare acqua ad alta pressione in vapore, che fa poi girare turbine cui sono collegati alternatori per produrre energia elettrica. È un sistema che dopo gli importanti investimenti iniziali per costruire un reattore, dove la reazione di fissione viene tenuta sotto controllo, permette di produrre energia elettrica a costi contenuti e con un basso impatto ambientale rispetto alla produzione dai combustibili fossili.

La fissione comporta però la produzione di residui altamente pericolosi, le “scorie radioattive”, che devono essere conservati con cura e isolati dall’ambiente circostante. Per questo da tempo si cercano alternative, provando a imitare la fonte più grande di energia nelle nostre vicinanze: il Sole.

Mentre nella fissione i nuclei pesanti vengono spezzati in frammenti più piccoli, nella fusione si uniscono i nuclei leggeri (come quello dell’idrogeno) per ottenerne di più pesanti. Nel processo si formano nuovi nuclei la cui massa è minore rispetto alla somma delle masse di quelli di partenza: ciò che manca è emesso come energia, che può poi essere sfruttato. È un processo semplice da descrivere, ma estremamente difficile da riprodurre artificialmente sulla Terra in modo da ottenere più energia di quanta ne venga immessa nel sistema.

I nuclei degli atomi tendono a respingersi a vicenda (repulsione elettrica) e sono quindi necessarie temperature nell’ordine di vari milioni di °C per farli unire. Negli anni si è ottenuto qualche risultato su piccola scala, ma nelle sperimentazioni si consuma quasi sempre più energia per gestire il processo rispetto a quella che si ottiene alla fine. Il bilancio energetico è quindi negativo e il sistema non è efficiente a sufficienza. I progressi annunciati negli ultimi anni spesso con grande enfasi sono quasi sempre legati al raggiungimento di una migliore efficienza, ma i risultati sono distanti da un sistema che possa essere impiegato su larga scala e con chiari vantaggi economici.

L’ambito di ricerca è talmente vasto e articolato da avere portato negli anni all’avvio di alcune collaborazioni internazionali, con l’obiettivo di condividere le conoscenze e i risultati. Tra le più importanti c’è ITER, progetto che coinvolge più di 30 paesi per costruire un primo reattore sperimentale a Cadarache, nel sud della Francia. Al consorzio partecipano tra gli altri l’Unione Europea, gli Stati Uniti, l’India e il Giappone. ITER ha subìto numerosi ritardi, ha richiesto svariati miliardi di investimenti e si stima che una centrale dimostrativa basata sulle ricerche di ITER non sarà pronta prima del 2050, ammesso sia possibile realizzarne una.

Negli ultimi anni la Cina ha investito grandi risorse nella ricerca sulla fusione. All’Istituto di fisica del plasma dell’Accademia delle scienze a Hefei gli esperimenti principali sono legati al “Tokamak superconduttore avanzato sperimentale” (EAST), una sorta di grande ciambella dove si provano a riprodurre le reazioni nucleari che avvengono nel Sole. In media vengono effettuati circa 100 test al giorno, contro i 20-30 realizzati quotidianamente nel principale centro di ricerca sulla fusione in Europa. I ritmi dei gruppi di ricerca cinesi sono serrati per recuperare il divario tecnologico e rendersi ancora più competitivi.

I tokamak sono grandi macchine sperimentali a forma di ciambella (“toroidali”) nelle quali si producono il vuoto e un intenso campo magnetico necessari per isolare (o per meglio dire “confinare”) il plasma (un fluido estremamente caldo e carico elettricamente), in modo che non entri in contatto con le pareti della ciambella. Si ritiene che in questo modo si possano creare le condizioni per la fusione termonucleare in modo controllato, ma per farlo sono necessari un importante dispendio di energia e la regolazione della densità del plasma stesso, cioè della quantità di particelle presenti al suo interno.

Più il plasma è denso e più frequentemente le particelle possono scontrarsi e fondersi, liberando energia. Un plasma molto denso è però più difficile da confinare con il campo magnetico generato dal tokamak e si deve quindi trovare un equilibrio tra la densità e la qualità del confinamento. Solo in questo modo si ottiene una reazione di fusione attiva e sostenibile, producendo più energia di quella necessaria per mantenere il plasma confinato.

Nella primavera di quest’anno, un gruppo di ricerca della National Fusion Facility di San Diego (California) ha annunciato di avere ottenuto per un paio di secondi un progresso significativo nella densità del plasma, pur mantenendo un buon confinamento grazie a una nuova configurazione del tokamak. Le conoscenze acquisite con l’esperimento potrebbero essere applicate al reattore di ITER, migliorando la sua capacità di produzione dell’energia elettrica, ma anche per questo saranno necessari anni di lavoro.

Un approccio alternativo ai tokamak prevede invece l’impiego di 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. Anche in questo caso, il problema rimane il bilancio energetico.

Alla COP29 Meloni ha citato la fusione nucleare anche per ricordare il recente incontro del World Fusion Energy Group, un gruppo di lavoro organizzato dal ministero degli Esteri e dall’Agenzia internazionale per l’energia atomica (AIEA) che si è riunito per la prima volta a Roma lo scorso 6 novembre. Il gruppo ha lo scopo di promuovere la cooperazione internazionale tra governi, centri di ricerca e imprese per la condivisione di conoscenze sulla fusione e la definizione di standard condivisi. Il governo ha legato il suo avvio alle attività connesse alla transizione energetica, ma al momento appare improbabile che una tecnologia distante decenni da eventuali applicazioni commerciali possa avere un ruolo nel passaggio dal consumo dei combustibili fossili a fonti sostenibili per la produzione di energia elettrica.

Fare previsioni sulla fusione nucleare è pressoché impossibile e secondo i più scettici non si riuscirà mai a ottenere sistemi efficienti per la produzione di energia elettrica. Al di là degli annunci politici, le aspettative rimangono comunque alte, con miliardi di euro investiti a livello mondiale per finanziare ricerca e sviluppo per una tecnologia che segnerebbe una trasformazione radicale nella produzione di energia elettrica, che diventerebbe enormemente più economica e accessibile.