La fusione nucleare è il processo che alimenta le stelle e che potrebbe fornire una fonte di energia pulita, sicura e illimitata per l’umanità, ma per realizzare questo sogno, gli scienziati devono superare enormi sfide tecnologiche e scientifiche. Ora, dopo decenni di ricerca, sembra che si sia raggiunto un punto di svolta: per la prima volta, un esperimento di fusione ha prodotto più energia di quella consumata per innescarlo.
Questo risultato, annunciato a fine 2022 e ora confermato da una serie di studi, apre nuove prospettive per lo sviluppo di una centrale elettrica a fusione.
Cos’è la fusione nucleare e perché è importante
La fusione nucleare è il processo in cui due nuclei atomici leggeri, come quelli dell’idrogeno, si uniscono per formare un nucleo più pesante, come quello dell’elio, rilasciando una grande quantità di energia. Questo è ciò che accade al centro delle stelle, dove le alte temperature e le forti pressioni favoriscono la fusione degli elementi, con una parte dell’energia prodotta dalla fusione solare che raggiunge la Terra sotto forma di luce e calore, rendendo possibile la vita sul nostro pianeta.
Gli esseri umani hanno sempre sognato di poter controllare la fusione nucleare e usarla per produrre energia in modo efficiente e sostenibile, questo in quanto, a differenza della fissione nucleare, che è il processo usato nelle attuali centrali nucleari e che comporta la divisione di nuclei pesanti come quelli dell’uranio, la fusione nucleare non produce rifiuti radioattivi pericolosi, non richiede materiali rari o costosi e non presenta rischi di incidenti o di proliferazione nucleare.
Oltre a tutto ciò precedentemente detto, la fusione nucleare potrebbe fornire una quantità di energia praticamente illimitata, dato che il carburante necessario, l’idrogeno, è l’elemento più abbondante nell’universo.
Per innescare la fusione nucleare in laboratorio, gli scienziati devono ricreare le condizioni che si trovano al centro delle stelle, ovvero temperature di milioni di gradi e pressioni enormi. Questo richiede l’uso di dispositivi sofisticati e di grandi dimensioni, che consumano molta energia elettrica. Il problema principale è che, finora, nessun esperimento di fusione è riuscito a produrre più energia di quella necessaria per avviarlo, questo significava che la fusione nucleare non era ancora una fonte di energia vantaggiosa dal punto di vista economico e ambientale.
Esistono due approcci principali per realizzare la fusione nucleare in laboratorio: la fusione magnetica e la fusione inerziale. La fusione magnetica consiste nell’usare dei campi magnetici per confinare e riscaldare un gas di idrogeno, chiamato plasma, fino a raggiungere le condizioni necessarie per la fusione.
Il dispositivo più usato per questo scopo è il tokamak, una camera a forma di ciambella in cui il plasma viene fatto circolare ad alta velocità, con il progetto più ambizioso in questo campo è ITER, un tokamak internazionale in costruzione in Francia, che mira a dimostrare la fattibilità della fusione magnetica su larga scala.
La fusione inerziale, invece, consiste nell’usare dei laser potenti per comprimere e riscaldare una piccola sfera di idrogeno, chiamata pellet, fino a innescare la fusione. Il dispositivo più usato per questo scopo è il National Ignition Facility (NIF), situato negli Stati Uniti, che dispone di 192 laser che convergono su una capsula metallica che contiene il pellet.
Il progetto più ambizioso in questo campo è LIFE, un progetto del NIF che mira a dimostrare la fattibilità della fusione inerziale per la produzione di energia elettrica.
Il pareggio della fusione: un traguardo storico
Il 5 dicembre 2022, il NIF ha annunciato di aver raggiunto un risultato storico: per la prima volta, un esperimento di fusione inerziale ha prodotto più energia di quella consumata per innescarlo, in particolare, il sistema ha rilasciato 3,1 megajoule di resa della fusione, mentre l’impulso laser richiedeva 2,05 megajoule.
Questo significa che il sistema ha prodotto oltre il 150% dell’energia necessaria per avviarlo, risultato che è noto come “pareggio scientifico”, ed è un passo fondamentale per lo sviluppo di una centrale elettrica a fusione.
Tuttavia, il pareggio scientifico non è sufficiente per rendere la fusione nucleare una fonte di energia conveniente. Per avere un senso dal punto di vista economico e ambientale, la resa della fusione deve essere molto superiore all’energia iniziale, inoltre la fusione deve essere mantenuta per un tempo sufficientemente lungo e in modo stabile e controllato.
Per questo motivo, il team del NIF ha continuato a studiare nel dettaglio l’esperimento del 5 dicembre 2022, cercando di capire i meccanismi fisici che hanno permesso di raggiungere il pareggio della fusione e di individuare le possibili vie per migliorare le prestazioni del sistema.
Oggi, il team del NIF ha pubblicato una serie di cinque articoli che descrivono in modo approfondito l’esperimento del 5 dicembre 2022 e le sue implicazioni, con gli articoli che sono stati pubblicati su due prestigiose riviste scientifiche: Physical Review Letters (qui e qui gli altri due riferimenti) e Physical Review E (qui ulteriore riferimento).
Gli articoli presentano le analisi teoriche e sperimentali dell’esperimento, i modelli numerici usati per simulare il processo di fusione, le misure delle proprietà del plasma e del carburante, e le prospettive per il futuro della fusione inerziale.
Tra le scoperte più interessanti, c’è il fatto che la fusione ha portato a un riscaldamento dell’hohlraum, la capsula metallica che contiene il pellet, a energie superiori a quelle che il laser avrebbe potuto fornire. Questo fenomeno, noto come “riscaldamento a trasmissione indiretta”, è dovuto al fatto che la fusione ha generato dei neutroni e dei raggi gamma che hanno interagito con l’hohlraum, aumentandone la temperatura. Questo ha a sua volta favorito la fusione, creando un effetto di retroazione positiva.
“In sintesi, abbiamo osservato per la prima volta un sostanziale riscaldamento degli hohlraum a trasmissione indiretta derivanti dalla combustione di capsule di fusione, a livelli comparabili e superiori all’azionamento laser NIF originale”
hanno scritto gli scienziati in uno degli articoli.
Questa scoperta è molto importante, perché indica che il sistema è in grado di creare un plasma a combustione stabile, ovvero un plasma che si autoalimenta grazie alla fusione. Questa è una condizione necessaria per realizzare una centrale elettrica a fusione, in cui la fusione deve essere mantenuta per un tempo prolungato e in modo efficiente.
Gli scienziati ritengono che, ottimizzando i parametri del sistema, sia possibile aumentare ulteriormente la resa della fusione e avvicinarsi al “pareggio energetico”, ovvero al punto in cui l’energia prodotta dalla fusione sia superiore a tutta l’energia consumata dal sistema, compresa quella necessaria per il suo funzionamento.
La fusione nucleare: un sogno che si avvicina alla realtà
L’esperimento del NIF ha dimostrato che la fusione nucleare è possibile e che si può ottenere più energia di quella necessaria per innescarla.
Questo risultato, frutto del lavoro di migliaia di scienziati, è un traguardo storico per la scienza e per l’umanità, malgrado ciò la fusione nucleare non è ancora una realtà pratica e richiede ancora molti sforzi e investimenti per diventare una fonte di energia affidabile e accessibile. Gli scienziati del NIF e di altri progetti di fusione continuano a lavorare per migliorare le prestazioni dei loro sistemi e per risolvere i problemi tecnici e scientifici che si presentano, con l’obiettivo finale che è quello di costruire una centrale elettrica a fusione che possa fornire energia pulita, sicura e illimitata per il mondo.
La fusione nucleare è un sogno che si avvicina alla realtà, ma che richiede ancora tempo, pazienza e collaborazione, masSe riusciremo a realizzare questo sogno, potremo aprire una nuova era per l’energia e per il benessere dell’umanità.
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