Fusione nucleare: la promessa di un’energia ecologica e sicura?

Cos’è la fusione nucleare? Come funziona? Quali sono i suoi vantaggi e svantaggi? Facciamo il punto su questa energia piena di promesse, ma anche di incertezza.

All’indomani della seconda guerra mondiale, le maggiori nazioni industrializzate si sono impegnate nello sviluppo di un’energia simile al sole: la fusione nucleare. Considerata un’alternativa alla fissione nucleare, la fusione avrebbe molti vantaggi: a basse emissioni di carbonio, più sicura, più economica… La fusione è oggi l’oggetto di tutti i desideri, tanto per gli Stati quanto per le aziende private in questa energia una fonte quasi infinita di elettricità.

Ma questa fonte di energia è ancora allo stadio della chimera: la ricerca procede, ma non è stata realizzata alcuna infrastruttura produttiva praticabile e, nonostante le grandi innovazioni tecnologiche, il suo avvento è ancora atteso.

Fusione nucleare: che cos’è esattamente?

Fusione nucleare (o termonucleare), e allo stesso modo della fissione, uno dei processi tecnici in grado di produrre, grazie ai materiali radioattivi, un’elevata energia termica per produrre energia elettrica. Parliamo di fusione nucleare perché l’intero processo si basa su una reazione fisica in cui due nuclei atomici si fondono in un nucleo più pesante. Al momento di questa fusione, viene rilasciata un’energia gigantesca.

È questa reazione che troviamo nel cuore delle stelle, o del sole. Queste stelle sono infatti essenzialmente composte da un “plasma” di idrogeno all’interno del quale gli atomi si fondono. Il plasma è un gas caldo e ionizzato, il quarto stato della materia (proprio come solido, liquido o gas). Normalmente, gli atomi leggeri come l’idrogeno si respingono naturalmente a vicenda. Ma quando vengono posti in un ambiente favorevole come il plasma, e condensati insieme al centro della stella grazie alla forza gravitazionale e agitati da una temperatura elevata, dell’ordine di 15 milioni di °C per il nostro sole, le particelle di idrogeno si scontrano e unisciti.

Unendosi, gli atomi di idrogeno daranno origine a un nucleo più pesante, ma anche estremamente instabile. Questa instabilità provocherà quindi l’espulsione di un neutrone e questa perdita di massa, anche minuscola, rilascerà una quantità gigantesca di energia. Questa è la famosa formula di Einstein, E=mc²: l’energia è uguale alla massa moltiplicata per il quadrato della velocità della luce. Questa energia distribuita durante la fusione farà incontrare nuove particelle… e così via, producendo energia crescente finché le risorse da consumare saranno disponibili.

In teoria, la fusione nucleare è possibile sulla Terra e potrebbe alimentare le turbine per produrre una grande quantità di elettricità, secondo lo stesso principio dell’attuale tecnologia nucleare, la fissione. Nella fusione come nella fissione nucleare, il calore rilasciato aumenta la temperatura dell’acqua in un circuito primario che riscalda una riserva d’acqua presente in un circuito secondario. Il vapore acqueo risultante da questo scambio farà girare una turbina, che a sua volta aziona un alternatore per la produzione di energia elettrica.

Oltre la fissione nucleare: vantaggi e svantaggi

Ma rispetto alla fissione nucleare, la fusione avrebbe molti vantaggi. La fissione è ad esempio criticata per i suoi rischi tecnici: gli incidenti nucleari di Chernobyl nel 1986 o più recentemente Fukushima nel 2011, sebbene rari, hanno dimostrato che il pericolo esiste. La fissione produce anche scorie radioattive, pericolose e difficili da gestire. Attualmente, in Francia, la soluzione prevista per il trattamento di questi rifiuti è la discarica, in un sito attualmente in costruzione a Bure (Mosa) sotto la direzione dell’Agenzia nazionale per la gestione dei rifiuti radioattivi (Andra). Cigeo, dal nome della discarica, intende accogliere un totale di quasi 83.000 m³ di rifiuti radioattivi, ma il progetto solleva molte domande.

La fusione potrebbe in teoria evitare questi punti critici oltre a consentire la produzione di quantità ancora maggiori di energia. In teoria, fino a quattro volte più potente, la fusione sarebbe anche più sicura della sua controparte. A differenza della fissione, normalmente non è possibile alcuna reazione a catena che possa portare a un incidente nucleare. Essendo l’equilibrio del plasma molto precario, in linea di principio basta un solo disturbo perché le reazioni si fermino, senza pericolo.

Sebbene i guasti tecnici siano ovviamente possibili, le conseguenze per le popolazioni e l’ambiente dovrebbero, secondo un rapporto dell’Istituto per la protezione dalle radiazioni e la sicurezza nucleare (IRSN), essere limitate. In ogni caso, molto di più delle conseguenze di un incidente nucleare legato a un impianto a fissione.

Per quanto riguarda i rifiuti: la fusione e le sue infrastrutture producono ovviamente rifiuti, come ogni sistema produttivo. Ma a differenza della fissione, non c’è rilascio di rifiuti con alta attività radioattiva e lunga vita (il più pericoloso). I rifiuti più preoccupanti dovrebbero poter essere riciclati entro 100 anni dallo sfruttamento, rispetto ai 300 anni a diverse migliaia di anni per l’energia di fissione.

Tuttavia, l’IRSN sottolinea la formazione di potenziali rifiuti dovuti all’erosione dei materiali che compongono la copertura interna del reattore come berillio o tungsteno, materiali tossici e radioattivi dopo il funzionamento. Altro inquinamento non radioattivo è prevedibile anche durante lo smantellamento dei numerosi progetti di fusione esistenti o futuri reattori nucleari, visti i materiali irradiati e tutte le infrastrutture. Ma a priori, il problema dovrebbe essere trascurabile rispetto a quello che è per la fissione.

Trasformare la teoria in una fonte di energia: le sfide della fusione nucleare
Nonostante i suoi numerosi vantaggi teorici, la fusione nucleare rimane ancora un’utopia. In effetti, ricreare le condizioni di formazione del plasma come nel sole è estremamente complesso sulla Terra, a causa della mancanza di una forza gravitazionale abbastanza consistente.

Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati della fusione devono essere in grado di fare quattro cose:

• Avere una risorsa primaria di atomi leggeri per la fusione (es. isotopi di idrogeno),
• Riuscire a mantenere una temperatura elevata, necessaria allo sviluppo del plasma e alla fusione degli atomi,
• Confinare questo plasma per evitare che si disperda,
• Rendere la densità abbastanza grande da aumentare la probabilità di collisioni tra atomi.

Due isotopi dell’idrogeno sono stati identificati come gli elementi più adatti alla fusione: il deuterio (D) e il trizio (T). Consentono il massimo rendimento energetico alla temperatura più bassa, anche se paradossalmente la fusione D-T richiede una temperatura di 150 milioni di gradi, ovvero 10 volte superiore alla temperatura al centro del sole. Questi elementi sono estremamente abbondanti sulla Terra, il che significa che la principale risorsa necessaria per la fusione non dovrebbe porre problemi di disponibilità (anche se infatti, è comunque necessario “produrre” questa risorsa, poiché si deve produrre l’idrogeno).

Ma per ottenere la fusione nucleare, resta ancora da generare il plasma. Attualmente, due tecniche sono principalmente studiate dagli scienziati per produrre plasma, questo stato essenziale per la reazione di fusione: il confinamento inerziale e il confinamento magnetico. Il primo metodo, per il momento più marginale, consiste nel riscaldare con l’ausilio di raggi laser una capsula metallica grande circa due millimetri e contenente le principali risorse per la fusione – trizio e deuterio. Colpito da una notevole quantità di energia – 300.000 miliardi di watt – l’involucro della capsula si trasformerà in plasma e il suo contenuto, sotto l’effetto della pressione, verrà compresso. Deuterio e trizio, sottoposti a questa forza, si fonderanno così e produrranno energia. Per il momento, questa tecnica non ha ancora permesso di produrre energia sufficiente per raggiungere quella che viene chiamata la “soglia di accensione”, ovvero il momento in cui la reazione produce tanta o più energia di quella che ha consumato.

Il confinamento magnetico è nato in Unione Sovietica, all’interno di un dispositivo chiamato “Tokamak”, e ha permesso di produrre plasma con risultati senza precedenti. Un tokamak è un dispositivo generalmente a forma torica (a forma di ciambella), che consente di confinare il plasma utilizzando campi magnetici. Quando il plasma entra in contatto con un solido, perde il suo calore. L’obiettivo è quindi, tramite i magneti, guidare le particelle presenti nel plasma in modo che non incontrino le pareti della struttura.

Problema: il confinamento magnetico del plasma è possibile solo con piccole quantità di atomi. È quindi un atto di equilibrio per gli scienziati per raggiungere le condizioni di incontro di deuterio e particelle di trizio.

Molte promesse, ma risultati ancora parziali

Gli ultimi anni hanno visto anche l’emergere di società private nel settore della fusione, e gradualmente la sua finanziarizzazione. Dopo un lungo monopolio statale sulla tecnologia legato ai giganteschi costi di investimento e all’importanza dell’opera, ne stanno beneficiando le aziende private sostenute da grandi fondi di investimento come General Fusion, il fondatore di Amazon Jeff Bezos o CFS, il fondatore di Microsoft Bill Gates dai progressi nel settore pubblico. La performance di Iter (e altri progetti di fusione) e nuovi investimenti tecnologici per il clima stanno incoraggiando le aziende private a investire in progetti di fusione nucleare.

Possiamo quindi aspettarci nuovi sviluppi nella fusione nucleare. Ma questa energia manterrà le sue promesse? Non sono sicuro, perché le sfide tecniche da superare sono gigantesche e addomesticare la fusione non sarà facile, tutt’altro. Ve lo spiegheremo in un prossimo articolo.