Fusione nucleare: dopo 70 anni, l'energia illimitata del sole è a un passo
Il processo che alimenta il sole, fonte di energia pulita e illimitata, è sempre più vicino alla realtà. Dopo 70 anni di ricerca, le recenti scoperte nella fusione nucleare promettono di rivoluzionare il futuro energetico del mondo.
Energia da fusione: la nostra opportunità di energia illimitata
L’energia nucleare spesso fa pensare alla fissione – la scissione degli atomi pesanti, come avviene nei reattori odierni. La fusione nucleare è diversa. È il processo opposto: la combinazione di atomi leggeri, proprio come avviene nel sole. Questa semplice differenza racchiude la chiave per un futuro in cui un’energia pulita e abbondante alimenterà il nostro mondo.
L’energia da fusione riproduce il processo del sole. Offre una fonte di energia illimitata e pulita. Gli scienziati hanno perseguito questo obiettivo per oltre 70 anni. Recenti scoperte suggeriscono che siamo più vicini che mai.
Che cos’è la fusione e perché è importante
L’energia da fusione spinge due nuclei atomici leggeri a fondersi. Questo crea un unico nucleo più pesante. Questo processo rilascia un’enorme energia. Il combustibile è costituito da isotopi dell’idrogeno: deuterio e trizio. Il deuterio proviene dall’acqua di mare. Possiamo produrre il trizio dal litio, anch’esso abbondante.
Immaginate di spingere due magneti potenti l’uno contro l’altro. I loro poli sono orientati nella stessa direzione. Si respingono. I nuclei atomici, con le loro cariche positive, fanno lo stesso. Per superare questa repulsione, abbiamo bisogno di condizioni estreme. Dobbiamo riscaldare il combustibile a centinaia di milioni di gradi Celsius. Abbiamo anche bisogno di un’immensa pressione.
Quando le condizioni sono giuste, gli isotopi dell’idrogeno si fondono. Formano un nucleo di elio. Questo processo rilascia anche un neutrone ad alta energia. Questo neutrone trasporta via l’energia di fusione. Quest’energia viene quindi catturata per produrre elettricità. Non produce scorie radioattive a lunga durata. Non comporta alcun rischio di fusione del nocciolo.
L’energia da fusione viene perseguita a livello globale. Grandi progetti internazionali, come l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) a Cadarache, in Francia, stanno sviluppando la fusione. ITER è una collaborazione che coinvolge 35 nazioni. Queste includono l’Unione Europea, l’India, il Giappone, la Cina, la Russia, la Corea del Sud e gli Stati Uniti. La sua costruzione è iniziata nel 2007. Le prime operazioni con il plasma dovrebbero iniziare nel 2025. Anche le aziende private stanno accelerando. Attraggono ingenti capitali.
La scienza difficile: creare una stella sulla terra
Creare una mini-stella sulla Terra è difficile. Il combustibile deve raggiungere temperature superiori a 150 milioni di gradi Celsius. Si tratta di temperature dieci volte superiori a quelle del nucleo del sole. A queste temperature estreme, la materia diventa plasma. Il plasma è un gas ionizzato. Gli elettroni si separano dai nuclei atomici.
L'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) a Cadarache, in Francia, è una vasta collaborazione internazionale che coinvolge 35 nazioni per sviluppare l'energia da fusione. La sua costruzione è iniziata nel 2007, con le prime operazioni con il plasma previste per il 2025. (Fonte: man-es.com)
Mantenere questo plasma surriscaldato stabile e confinato è il problema principale. Gli scienziati utilizzano due approcci principali. Uno è la fusione a confinamento magnetico (MCF). L’altro è la fusione a confinamento inerziale (ICF). Entrambi cercano di tenere insieme il plasma abbastanza a lungo per farlo fondere. Devono anche produrre più energia di quella che consumano.
La fusione a confinamento magnetico utilizza tipicamente dispositivi chiamati tokamak o stellarator. Un tokamak è una camera a vuoto a forma di ciambella. Potenti campi magnetici intrappolano il plasma caldo all’interno. Questi campi impediscono al plasma di toccare le pareti del reattore. Il Joint European Torus (JET) nel Regno Unito è un importante tokamak. Ha iniziato le operazioni nel 1983. Gli stellarator utilizzano bobine magnetiche più complesse e contorte per stabilizzare il plasma. Lo stellarator Wendelstein 7-X in Germania è un esempio notevole.
La fusione a confinamento inerziale segue un percorso diverso. Utilizza laser ad alta potenza o fasci di particelle. Questi fasci riscaldano e comprimono rapidamente una piccola capsula di combustibile. La capsula implode. Questo crea le condizioni estreme necessarie per la fusione. La National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) negli Stati Uniti è un esempio di questo metodo. Il NIF utilizza 192 potenti laser. Si concentrano su una minuscola capsula bersaglio.
Recenti scoperte e ostacoli persistenti
Il 5 dicembre 2022 ha segnato un giorno importante per la ricerca sulla fusione. Gli scienziati del NIF hanno raggiunto per la prima volta un “guadagno netto di energia”. Hanno diretto 2,05 megajoule (MJ) di energia laser su un bersaglio di combustibile. Questo ha generato 3,15 MJ di energia di fusione prodotta. La dottoressa Kim Budil, direttrice dell’LLNL, lo ha confermato. Ha dimostrato che l’accensione della fusione è possibile. Si è trattato di una scoperta scientifica, non ancora ingegneristica.
Il risultato del NIF ha rappresentato un passo importante: Q>1. Ciò significa che la reazione di fusione stessa ha prodotto più energia. Si trattava di più energia rispetto a quella fornita al bersaglio. Ma i laser hanno richiesto molta più energia totale per il loro funzionamento. Sono stati necessari centinaia di megajoule di elettricità per alimentare la struttura NIF. Scalare questo risultato per la produzione pratica di energia resta ancora difficile.
Anche il confinamento magnetico ha fatto grandi progressi. Nel 2021, la struttura JET ha raggiunto un record mondiale. Ha prodotto 59 megajoule di energia di fusione sostenuta per cinque secondi. Ciò ha rappresentato un passo importante per il combustibile deuterio-trizio. Il dottor Tony Donné, Programme Manager per EUROfusion, ha affermato che ciò ha dimostrato che l’energia da fusione affidabile è possibile. ITER, una volta operativo, mira a produrre 500 MW di energia da fusione. Questo deriverebbe da 50 MW di potenza di riscaldamento in ingresso. Ciò equivarrebbe a un guadagno energetico dieci volte superiore (Q=10).
La National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory ha raggiunto una pietra miliare storica il 5 dicembre 2022, dimostrando per la prima volta un guadagno netto di energia da una reazione di fusione, dimostrando che l'accensione della fusione è possibile. (Fonte: photek.com)
Nonostante questi successi, rimangono diversi problemi. La scienza dei materiali è una sfida importante. Le pareti del reattore devono resistere al calore estremo e al bombardamento di neutroni. La gestione e la produzione sicura del trizio rappresenta un’altra sfida. Il trizio è radioattivo e scarso. I futuri reattori dovranno produrre il proprio trizio. È anche importante sviluppare magneti e sistemi di riscaldamento potenti ed economici. Questi componenti devono funzionare in modo affidabile per decenni.
La promessa: perché la fusione è importante per il nostro futuro
L’energia da fusione presenta benefici significativi per la sicurezza energetica globale e il cambiamento climatico. Il suo combustibile principale, il deuterio, proviene dall’acqua. L’acqua è disponibile per tutte le nazioni. Ciò significa che nessun singolo paese potrebbe monopolizzare le forniture di combustibile. Fornisce una fonte di energia inesauribile. La dottoressa Arati Prabhakar, consigliera scientifica della Casa Bianca, ha affermato che la fusione potrebbe fornire “energia pulita per il futuro del pianeta”.
A differenza della fissione, le reazioni di fusione non producono scorie radioattive a lunga durata. I sottoprodotti sono a breve durata. Decadono tipicamente a livelli sicuri entro decenni, non millenni. Non c’è nemmeno il rischio di una reazione a catena incontrollata. Se qualcosa va storto, il plasma si raffredda semplicemente. La reazione di fusione si ferma immediatamente. Questa sicurezza intrinseca allevia molte preoccupazioni pubbliche riguardo alla fissione.
L’industria privata sta ora accelerando lo sviluppo della fusione. Aziende come Commonwealth Fusion Systems (CFS), uno spin-off del MIT, stanno costruendo tokamak compatti ad alto campo. CFS mira a un guadagno netto di energia entro il 2025 con il suo progetto SPARC. Utilizzano nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura. Helion Energy negli Stati Uniti prevede di vendere elettricità da fusione entro il 2028. Utilizzano un approccio di confinamento a specchio magnetico. Queste iniziative private apportano nuovi capitali e un senso di urgenza.
Il costo di costruzione delle centrali a fusione rimane elevato. Ma i costi operativi potrebbero essere bassi grazie al combustibile economico. I benefici ambientali a lungo termine sono considerevoli. La fusione non produce emissioni di carbonio. Potrebbe sostituire i combustibili fossili come fonte energetica principale. Ciò ridurrebbe drasticamente le emissioni di gas serra. Aiuterebbe anche a stabilizzare i mercati energetici a livello mondiale.
La strada da percorrere: dal laboratorio alla rete
Il prossimo decennio sarà importante per l’energia da fusione. ITER è sulla buona strada per il primo plasma nel 2025. Testerà la fisica di un plasma in combustione su vasta scala. I dati di ITER guideranno la progettazione dei futuri reattori commerciali. Questi reattori sono spesso chiamati impianti “DEMO”. Gli impianti DEMO mirano a generare elettricità continua.
Il tokamak SPARC, sviluppato da Commonwealth Fusion Systems (CFS), uno spin-off del MIT, mira a raggiungere un guadagno netto di energia entro il 2025 utilizzando rivoluzionari magneti superconduttori ad alta temperatura, rappresentando un passo importante nello sviluppo della fusione nel settore privato. (Fonte: interestingengineering.com)
Le aziende private stanno stabilendo tempistiche ambiziose. CFS mira alla generazione commerciale di elettricità entro i primi anni 2030. Helion Energy punta ancora prima. Il loro progresso dipende da ulteriori scoperte scientifiche e soluzioni ingegneristiche. Scalare i risultati di laboratorio a centrali elettriche industriali richiede grandi investimenti. Richiede anche una continua collaborazione internazionale.
Gli scienziati stanno anche studiando altri approcci alla fusione. Questi includono specchi magnetici, configurazioni a campo inverso e confinamento elettrostatico inerziale. Ogni approccio ha i suoi vantaggi e le sue sfide. Questa ricerca diversificata aumenta la probabilità di trovare il percorso migliore verso la fusione commerciale. La dottoressa Melanie Windridge, fisica dell’UKAEA, sottolinea la necessità di approcci diversi. Nessun percorso è garantito, afferma.
Raggiungere l’energia da fusione pratica trasformerà il panorama energetico globale. Offre una soluzione pulita, sicura e inesauribile per le nostre esigenze energetiche. Il viaggio dalla curiosità scientifica all’energia commerciale è stato lungo. Ma i recenti successi infondono una speranza concreta. Il sogno di costruire una stella sulla Terra è quasi una realtà. Se avremo successo, i problemi energetici di domani potrebbero semplicemente svanire.
Domande frequenti
Qual è la differenza tra fissione nucleare e fusione? La fissione scinde atomi pesanti, come l’uranio, per rilasciare energia. La fusione combina atomi leggeri, come l’idrogeno, per rilasciare energia. La fusione è il processo che alimenta il sole.
L’energia da fusione è radioattiva? La fusione non produce scorie radioattive a lunga durata. I componenti del reattore stessi possono essere attivati dai neutroni. Tuttavia, questa radioattività indotta decade rapidamente, entro decenni.
Quando sarà pronta l’energia da fusione? Scienziati e aziende offrono tempistiche diverse. Alcune aziende private mirano all’energia commerciale tra la fine degli anni ‘20 o i primi anni ‘30. Progetti internazionali più grandi come ITER prevedono la piena operatività entro il 2035.
Quale combustibile utilizza l’energia da fusione? La maggior parte degli attuali concetti di fusione utilizza deuterio e trizio, entrambi isotopi dell’idrogeno. Il deuterio viene estratto dall’acqua. Il trizio può essere prodotto dal litio, anch’esso abbondante.
La dottoressa Melanie Windridge, fisica dell'UKAEA, è una voce di spicco nell'energia da fusione, sottolineando l'importanza di diversi approcci di ricerca per raggiungere l'energia da fusione commerciale. È anche un'autrice e divulgatrice scientifica di fama. (Fonte: skyatnightmagazine.com)
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