C'è stata un'enorme eccitazione per i recenti risultati dell'impianto Joint European Torus (JET) nel Regno Unito, suggerendo che il sogno dell'energia da fusione nucleare si sta avvicinando sempre di più alla realtà. Sappiamo che la fusione funziona:è il processo che alimenta il Sole, fornendo calore e luce alla Terra. Ma per decenni si è rivelato difficile passare dagli esperimenti di laboratorio scientifici alla produzione di energia sostenuta.

Lo scopo fondamentale della fusione è portare i nuclei atomici a fondersi insieme per creare un nucleo diverso e più pesante, liberando energia nel processo. Questo è diverso dalla fissione nucleare, in cui un nucleo pesante come l'uranio viene diviso in nuclei più piccoli rilasciando anche energia.

Una difficoltà significativa è stata il processo di fusione di atomi leggeri, isotopi di idrogeno o elio, insieme. Poiché sono caricati elettricamente, respingendosi a vicenda, resistono alla fusione a meno che i nuclei non si muovano abbastanza velocemente da avvicinarsi fisicamente l'uno all'altro, richiedendo condizioni estreme. Il Sole raggiunge questo obiettivo grazie ai suoi immensi campi gravitazionali e al suo enorme volume.

Un approccio utilizzato nei laboratori sulla Terra è il "confinamento inerziale", per cui un minuscolo pellet di combustibile da fusione di circa un decimo di centimetro di diametro viene riscaldato e compresso dall'esterno utilizzando l'energia laser. Negli ultimi anni, sono stati compiuti progressi incoraggianti su questa tecnica, forse in particolare dalla National Ignition Facility negli Stati Uniti, dove l'anno scorso è stata segnalata una resa di fusione di 1,3 milioni di Joule (una misura dell'energia). Sebbene questo abbia prodotto 10 quadrilioni di watt di potenza, è durato solo una frazione (90 trilionesimi) di secondo.

Un'altra tecnica, il "confinamento magnetico", è stata utilizzata in modo più ampio nei laboratori di tutto il mondo e si pensa che sia una delle strade più promettenti per la realizzazione di centrali elettriche a fusione in futuro. Implica l'uso del combustibile di fusione contenuto sotto forma di plasma caldo, una nuvola di particelle cariche, confinato da forti campi magnetici. Nel creare le condizioni affinché avvengano le reazioni di fusione, il sistema di confinamento deve mantenere il combustibile alla temperatura e alla densità appropriate e per un tempo sufficiente.

Qui sta una parte significativa della sfida. La piccola quantità di combustibile da fusione (in genere solo pochi grammi) deve essere riscaldata a temperature enormi, dell'ordine di 10 volte più calde del centro del Sole (150 milioni di °C). E questo deve avvenire mantenendo il confinamento in una gabbia magnetica per sostenere una produzione di energia.

Diverse macchine possono essere utilizzate per cercare di mantenere questo confinamento magnetico del plasma, ma il più riuscito fino ad oggi è il cosiddetto design "tokamak", che utilizza un toro (a forma di ciambella) e complessi campi magnetici per confinare il plasma, come impiegato presso la struttura JET.

Piccolo passo o grande balzo?

I recenti risultati segnano un vero e proprio trampolino di lancio nella ricerca dell'energia da fusione. I 59 milioni di Joule di energia in totale, prodotti in un periodo di cinque secondi, hanno dato una potenza di fusione media di circa 11 milioni di Watt. Anche se questo è sufficiente solo per riscaldare circa 60 bollitori, è comunque impressionante, creando una produzione di energia 2,5 volte il record precedente, stabilito nel 1997 (anche presso l'impianto JET, raggiungendo 22 milioni di Joule).

Il successo di JET è il culmine di anni di pianificazione e di un team di scienziati e ingegneri di grande esperienza. JET è attualmente il più grande tokamak al mondo e l'unico dispositivo in grado di utilizzare sia il deuterio che il trizio (entrambi isotopi dell'idrogeno).

Il design della macchina, che utilizza magneti in rame che si riscaldano rapidamente, significa che può funzionare solo con raffiche di plasma fino a pochi secondi. Per fare il passo verso operazioni ad alta potenza più durature, saranno necessari magneti superconduttori. Fortunatamente, questo è il caso dell'impianto ITER, attualmente in costruzione nel sud della Francia nell'ambito di uno sforzo internazionale che coinvolge 35 nazioni, che ora è 80% completo. I recenti risultati hanno quindi dato grande fiducia nella progettazione ingegneristica e nelle prestazioni fisiche per la progettazione della macchina ITER, anch'essa un dispositivo di confinamento magnetico, che è progettato per produrre 500 milioni di Watt di potenza di fusione.

Tuttavia, restano altre sfide importanti. Questi includono lo sviluppo di materiali adeguatamente durevoli in grado di resistere all'intensa pressione all'interno della macchina, la gestione dell'enorme potenza di scarico e, soprattutto, la generazione di energia economicamente competitiva con altre forme di produzione di energia.

Raggiungere notevoli potenze e mantenerle per periodi di tempo più che brevi si è rivelata per decenni la sfida principale nella fusione. Senza che questo alla fine venga risolto, un'eventuale centrale elettrica a fusione semplicemente non può essere fatta funzionare. Per questo i risultati del JET rappresentano un punto di riferimento significativo, seppur segnando solo un passo lungo il percorso.

Il passo da gigante arriverà con l'aumento degli attuali risultati della fusione nei successivi sistemi di fusione, come ITER e poi nelle centrali elettriche dimostrative oltre a questo. E questo dovrebbe essere a portata di mano in un futuro non troppo lontano, con l'obiettivo di essere operativo entro il 2050 o forse leggermente prima.

Vantaggi fondamentali

C'è molto in gioco. La fusione produce più energia per grammo di carburante rispetto a qualsiasi altro processo che potrebbe essere ottenuto sulla Terra. Alcuni dei principali vantaggi della fusione sono che i prodotti del processo sono elio e neutroni (particelle che costituiscono il nucleo atomico, insieme ai protoni):non vengono rilasciati anidride carbonica o altri gas serra. I combustibili grezzi sono il deuterio, che si trova nell'acqua di mare, e il litio, anch'esso abbondante e che si trova nelle vaste distese saline. Si stima che l'energia potenziale di fusione rilasciata dal litio contenuto in una batteria per laptop e in una vasca d'acqua sia equivalente a circa 40 tonnellate di carbone.

La fusione produce una certa radioattività nei materiali che compongono il reattore. Ma questo non dovrebbe essere neanche lontanamente così lungo o intenso come le scorie radioattive prodotte dalla fissione nucleare, rendendolo potenzialmente una scelta più sicura e appetibile rispetto all'energia nucleare convenzionale.

Alla fine, Roma non è stata costruita in un giorno. Vari altri aspetti dell'ingegnosità umana, come l'aviazione, hanno storicamente impiegato molto tempo per essere realizzati. Ciò significa che i passi lungo la strada che fanno progressi sono estremamente importanti e dovrebbero essere giustamente celebrati.

La fusione sta avanzando inesorabilmente in avanti e ci stiamo avvicinando sempre di più alla realizzazione di quel sogno un tempo lontano dell'energia da fusione commerciale. Un giorno, fornirà una fornitura quasi illimitata di energia a basse emissioni di carbonio per molte generazioni future a venire. Quindi, anche se non è ancora del tutto lì, sta arrivando.