Fusione nucleare: cos'è e come funziona

Di Veronica Adriani.

Cos'è e come funziona la fusione nucleare e quali sono le differenze con la fissione nucleare. Come funziona lo smaltimento delle scorie

Fusione nucleare

Primo piano di un reattore di potenza a fusione tokamak
Primo piano di un reattore di potenza a fusione tokamak — Fonte: getty-images

Con la diffusione del risultato dell'esperimento di fusione nucleare condotto dal Federal Lawrence Livermore National Laboratory della California, si è iniziato a chiedersi quali saranno le possibilità per il futuro, perchè, come ha scritto Repubblica al momento della diffusione del'esperimento, la fusione nucleare realizzata grazie al laser più grande al mondo ha prodotto intorno ai 2,5 megajoule di energia, circa il 120% dei 2,1 megajoule di energia utilizzati.

I benefici della fusione nucleare

La ragione per cui si sta dando così grande importanza a questo esperimento è che la fusione nucleare, se messa a punto correttamente, potrebbe portare in futuro a produrre più energia di quanta ne venga utilizzata, e lo farebbe senza emissioni e con una produzione di scorie smaltibili più facilmente di quelle attualmente prodotte dalla fusione nucleare.

La notizia che proviene dagli USA è particolarmente rilevante, perché è la prima volta che viene prodotta effettivamente più energia di quella usata per l'esperimento. Questo, letto su scala globale, potrebbe avere importanti implicazioni commerciali: l'energia nucleare potrebbe diventare economicamente conveniente.

Bisogna ricordare che questo tipo di risultati si insegue fin dagli anni '50, ma finora non era stato possibile ottenerli, soprattutto a causa degli alti costi della tecnologia e della difficoltà della procedura. Anche se oggi questa viene accolta come una scoperta storica, quindi, va specificato che potrebbero servire decenni per mettere a punto dei sistemi efficienti in grado di produrre energia con il cosiddetto "guadagno netto" energetico.

La fusione nucleare nel Sole e nelle stelle

La fusione nucleare avviene naturalmente nel Sole e nelle stelle
La fusione nucleare avviene naturalmente nel Sole e nelle stelle — Fonte: getty-images

La fusione nucleare avviene già nel Sole e nelle stelle: lì nuclei di idrogeno si fondono per formare nuclei di elio.

Gli elementi utilizzati nei reattori a fusione sulla Terra seguono lo stesso principio, ma utilizzano due isotopi dell'idrogeno, più pesanti dell'idrogeno semplice con un solo protone: il deuterio e il trizio, che hanno rispettivamente un neutrone e due neutroni.

Questi isotopi, trattati a temperature e pressioni elevate, fondono formando nuclei di elementi più pesanti come l’elio con emissione di grandi quantità di energia.

Reattore a fusione nucleare: come funziona

La produzione dell'energia da fusione nucleare, sulla Terra, ha implicazioni molto diverse, e difficoltà specifiche. Vediamo quali.

  • I nuclei degli elementi utilizzati devono trovarsi a brevi distanze e urtarsi ad alte velocità: ecco perché i nuclei devono essere tenuti a lungo in uno spazio limitato e a temperature che superano diversi milioni di gradi. In questo modo l'energia liberata dalle reazioni di fusione può compensare sia le perdite, sia l'energia usata per produrle.
  • A temperature molto alte le particelle di un gas si dissociano in ioni ed elettroni e il gas si trasforma in una miscela di particelle cariche detto plasma, principale costituente delle stelle e del sole.
  • Per ottenere la reazione di fusione, il plasma di idrogeno deve esser confinato in uno spazio limitato. Nel sole questo si verifica grazie alle forze gravitazionali, ma in laboratorio, questo processo va riprodotto, stando però attenti a confinare quel plasma. Per farlo, si usa il confinamento magnetico: il plasma caldo è racchiuso in una camera a vuoto e non ha contatto con le pareti (il totamak nella foto è un esempio di recipiente per il plasma). Negli USA invece per confinare il plasma si utilizzano fasci di raggi laser (in questo caso si parla di confinamento inerziale).
  • I primi reattori a fusione nucleare potrebbero verosimilmente essere riprodotti intorno alla metà del secolo, difficilmente prima.

Temperatura della fusione nucleare

La fusione nucleare nel Sole avviene ad una temperatura di 14 milioni di gradi.

Le temperature a cui avviene la fusione nucleare, anche sulla Terra, sono sempre superiori ai milioni di gradi Celsius.

Ad esempio, il reattore cinese HT-7U, conosciuto come EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), è riuscito a gennaio 2022 a mantenere il plasma stabile a 70 milioni di gradi Celsius, per un totale di poco più di 17 minuti.

Fusione nucleare fredda, cinetica e termonucleare

Nel 1989 tre scienziati - Martin Fleischmann, Stanley Pons e Steven Jones - lavorarono a quella che fu chiamata fusione fredda, o fusione a freddo: una fusione nucleare a ridotta temperatura - da 40 a 1.000 °C - che avrebbe innescato la reazione attesa con ridotti investimenti economici e senza le difficoltà di gestione delle enormi temperature utilizzate normalmente nel processo.

Nel tempo gli studi furono replicati senza successo e successivamente criticati da molti studiosi, per poi essere ripresi negli ultimi anni, senza però significativi sviluppi.

La fusione nucleare cinetica è quella spegata poco sopra, in cui si utilizza l'energia cinetica dei nuclei per innescare il processo e liberare energia.  

La fusione termonucleare è invece quella che avviene all'interno del Sole e delle stelle.

Fusione nucleare e fissione nucleare: differenze

Centrale nucleare
Centrale nucleare — Fonte: istock

Se la fusione nucleare mira a fondere due nuclei di elementi diversi, la fissione nucleare, oggi largamente utlizzata, segue un processo sostanzialmente inverso.

Nella fissione nucleare si mira a disintegrare nuclei pesanti come quelli dell’uranio o del torio, bombardandoli con neutroni. I due nuclei colpiti si dividono in due frammenti con carica positiva, che si respingono violentemente liberando energia cinetica, e altri neutroni che possono a loro volta indurre altre fissioni. La reazione che si viene a creare, quindi, è una reazione a catena, che serve a mantenere attivo il reattore.

L'energia cinetica liberata nelle centrali va a scaldare l'acqua, producendo vapore. Questo vapore aziona una turbina, che a sua volta mette in moto un alternatore: l'energia quindi viene trasformata prima in energia meccanica e successivamente in energia elettrica.

Fusione nucleare: scorie

Uno dei problemi più discussi relativamente all'energia nucleare - si tratti di fissione o di fusione - riguarda lo smaltimento delle scorie.

Mentre la fissione nucleare produce scorie di uranio radioattivo, la fusione nucleare ne produce di elio, e inoltre rende in qualche modo radioattiva la stessa macchina che la produce (qui il concetto riportato da Enrico D'Urso su Open).

Questa radioattività però è più limitata nel tempo.

in ogni caso, le scorie dell'energia fossile sono valutate molto più persistenti e pericolose di quelle dell'energia nucleare.