Fusione magnetica e inerziale. Due metodi sicuri di produzione termonucleare

fusione Quali sono le linee di ricerca nei processi di fusione? Come nasce e si libera l’energia termonucleare? In che modo i rischi possono essere ridotti. Lo spiega a NormaleNews Francesco Pegoraro, docente di Fisica dell’Università di Pisa.

di Francesco Pegoraro

Lo scopo della fusione termonucleare in laboratorio è di ridurre alla scala di una centrale elettrica il processo che tiene accese le stelle. L’energia che le stelle irraggiano trae origine dalle reazioni di fusione in cui, differentemente dalla fissione nucleare, i nuclei di due elementi leggeri si fondono per formare un nucleo più pesante liberando energia sotto forma di energia cinetica delle particelle prodotte. Per ottenere la fusione dei due nuclei leggeri è necessario fornire loro una energia sufficiente a superare la repulsione elettrica che tende a tenerli separati. Le condizioni fisiche in cui questo processo può avvenire in maniera efficiente sono quelle di un plasma di alta temperatura, dell’ordine di un centinaio di milioni di gradi.

Nell’universo il plasma costituisce di gran lunga lo stato di aggregazione più comune della materia visibile mentre, sulla terra, condizioni “anomale” di densità e temperatura fanno sì che la materia solo raramente appaia come plasma. Un plasma è un gas ionizzato in cui gli atomi sono separati in elettroni e ioni liberi di muoversi sotto l’azione dei campi elettromagnetici che essi stessi, collettivamente, generano. I meccanismi fisici coinvolti nella produzione di energia in un plasma di laboratorio e in una stella presentano tuttavia differenze essenziali che derivano dalla miniaturizzazione necessaria per passare dalle dimensioni stellari a quelle di un laboratorio e per fare in modo che l’energia venga prodotta in maniera controllata.

Nel processo di fusione si ha produzione netta di energia quando l’energia liberata dalle reazioni di fusione supera l’energia che deve essere fornita al plasma per portarlo nelle condizioni di temperatura richieste (moltiplicatore di energia), mentre si ha l’accensione (ignizione) quando la potenza che le reazioni di fusione depositano nel plasma è tale da mantenerlo nelle condizioni richieste anche quando non viene più fornita energia dall’esterno. Ci sono due linee di ricerca che competono per raggiungere l’ignizione: la fusione a confinamento magnetico e la fusione a confinamento inerziale. Nella fusione magnetica il plasma viene racchiuso all’interno di “bottiglie magnetiche” a forma di ciambella e riscaldato fino a portarlo alle condizioni richieste. Nella fusione inerziale una pallina di materia inizialmente solida viene compressa e riscaldata da impulsi laser di grandissima potenza. Nella reazione che verrà per prima utilizzata per produrre energia, un nucleo di Deuterio ed uno di Trizio si fondono formando un nucleo di Elio con il rilascio aggiuntivo di un neutrone. A parità di massa questo processo produce circa dieci milioni di volte più energia di quanta ne sia prodotta in un processo chimico di combustione.

Sia nello schema magnetico che in quello inerziale, l’energia prodotta verrà estratta con un procedimento di scambio termico da una “camicia” di Litio esterna alle strutture che confinano il plasma. Così come il Deuterio, il Litio è facilmente reperibile in natura e, quando colpito dai neutroni prodotti dalle reazioni di fusione, produce Trizio che viene estratto e quindi riusato. Si può giungere all’ignizione anche in plasmi di solo Deuterio o di Deuterio – Elio-3, con una sostanziale riduzione del numero di neutroni prodotti, ma le temperature richieste sono più elevate.

L’approccio magnetico e quello inerziale alla fusione sono attualmente studiati in centri di ricerca ed università negli Stati Uniti, in Europa, Russia, Giappone ed in maniera minore in altre nazioni, ma la maggior parte dei progetti sperimentali, in particolare per quanto riguarda la fusione magnetica, hanno carattere sovrannazionale. Le problematiche fisiche, ingegneristiche e tecnologiche che devono essere affrontate sono complesse e in parte diverse per i due approcci, il che ne giustifica lo sviluppo parallelo e sotto certi aspetti competitivo. In entrambi gli approcci, il collegamento tra la ricerca mirata alla produzione di energia e la ricerca di base sulla fisica dei plasmi e sulle sue applicazioni alla fisica dello spazio, all’astrofisica è stato ed è di fondamentale importanza.

In ambito italiano le ricerche sulla fusione e sulla fisica dei plasmi sono svolte dall’ Enea in associazione, insieme al CNR, all’Euratom e presso gruppi universitari e gruppi misti CNR -università principalmente, scorrendo da nord a sud, a Torino, Milano, Padova, Pisa, Firenze, Napoli, Cosenza e Bari. A livello internazionale esistono alcune proposte di esperimenti sia in fusione magnetica che inerziale che hanno come scopo lo studio di un plasma termonucleare in condizioni vicine a quelle dell’accensione o che mirano direttamente a raggiungerla. Alcuni di questi esperimenti sono in corso di realizzazione, ma nessuno di essi può essere considerato come un prototipo di rettore a fusione. Sia la fusione magnetica che quella inerziale stanno quindi avvicinandosi alla dimostrazione della loro fattibilità scientifica, della possibilità cioè di ottenere in laboratorio condizioni di plasma che portino ad un guadagno netto di energia. Lo sviluppo del reattore sarà probabilmente basato su quello dei due approcci che, per primo ed in maniera più semplice, otterrà queste condizioni. Lo sviluppo di un reattore dovrà inoltre risolvere problematiche tecnologiche, economiche e logistiche che è forse ora prematuro affrontare in dettaglio.

In entrambi gli approcci alla fusione termonucleare un fattore intrinseco di sicurezza è rappresentato dal fatto che la quantità di “combustibile” presente nel camera di reazione è estremamente limitato e dalla impossibilità quindi di qualsiasi forma di reazione a catena. In caso di malfunzionamento infatti il plasma presente nella camera semplicemente si spegne. Un discorso in parte analogo vale per la produzione di scorie radioattive. Le reazioni di fusione non lasciano scorie, ma possono rendere radioattive le strutture di contenimento del plasma a causa dei neutroni prodotti (il numero di neutroni liberati per unità di potenza prodotta in un reattore a fusione a Deuterio-Trizio è maggiore che in un reattore a fissione). Il problema della attivazione delle strutture di confinamento richiederà sviluppi tecnologici e, ad esempio, una scelta accurata dei materiali usati. Tuttavia appare molto più facilmente risolubile, e con minor costi, del problema delle scorie radioattive prodotte dalla fissione.

Non è al momento possibile prevedere in maniera credibile quale sarà il costo di un Kilowattore di fusione in paragone al costo di un Kilowattore nucleare o da petrolio. Si può tuttavia dire che il costo del combustibile contribuirà solo in piccolissima parte e che i costi saranno essenzialmente di investimento per la costruzione del reattore. Su un piano politico la diffusa disponibilità del combustibile ed il ridotto impatto ambientale della fusione (assenza di gas serra, sicurezza di funzionamento ed assenza di scorie radioattive con tempi lunghi di decadimento) rappresentano importantissimi fattori a favore della fusione come sorgente di energia.