Dal Tokamak al confinamento del plasma fino ai sogni di un futuro sostenibile: una guida per orientarsi nella fusione nucleare

Spesso ne dimentichiamo l’importanza, ma quello della fusione nucleare è un mondo contraddistinto da un linguaggio e un vocabolario propri e indispensabili se lo si vuole conoscere, capire, raccontare.
Rubrica a cura di Kevin Ben Alì Zinati
27 Settembre 2023

Fusione nucleare. Due parole e un mondo di storia e tecnologie, paure e speranze, scorci di un futuro promettente e dubbi che rischiano di minarlo.

Un mondo, come già ti avevo raccontato per la fissione, che come tutti gli altri possiede un linguaggio e un vocabolario propri e indispensabili se lo si vuole conoscere, capire, raccontare e di cui spesso dimentichiamo l’importanza.

«Fusione», per esempio: che cosa significa?

Per fartela facile – che poi facile non è – potrei definirtela come la stessa reazione energetica che alimenta il Sole e le altre stelle.

In altre parole, è lo scontro a grandissime velocità di due atomi leggeri come il deuterio e il trizio e la loro successiva fusione in nuclei di elementi più pesanti (di elio) con un notevole rilascio di energia.

Parlare di fusione non significa parlare di fissione nucleare. Può sembrare banale ma confonderle – questo sì – a volte è facile, quando invece la differenza tra queste due facce della stessa medaglia è netta e determinante.

Sì, perché se una unisce, l’altra prende avvio solo quando un atomo di uranio viene spaccato in altri due più piccoli. Un processo che produce anch’esso enormi quantità di calore ed energia.

La differenza più grande però sta anche nel tempo verbale. Di fissione senti parlare il 16 marzo, data ormai eternamente collegata all’incidente alla centrale atomica di Fukushima del 2011, oppure il 26 aprile, quando si ricorda l’anniversario del disastro nucleare avvenuto nel 1986 a Chernobyl.

L’avrai sentita nominare anche con la recente uscita in sala di «Oppenheimer», l’ultimo film di Christopher Nolan dedicato appunto alla storia di J. Robert Oppenheimer, il “padre” della prima bomba atomica basata, appunto, su una reazione di fissione non controllata. Di fissione senti parlare «al passato», insomma, perché è un traguardo tecnologico già raggiunto, conosciuto e sfruttato.

Ma perché oggi invece si parla tanto di fusione nucleare? Perché è diventata un concetto di interesse diffuso, dai dibattiti politici alle prime pagine di quotidiani fino alle conferenze sul clima?

Tutto dipende dalla promessa che la fusione porta con sé. Quella, cioè, di regalare all’uomo una fonte energetica illimitata, accessibile, democratica e soprattutto sostenibile perché non responsabile di emissioni inquinanti.

Una promessa che una grossa fetta di scienza ritiene ambiziosa ma raggiungibile, al punto da invocare per la fusione un ruolo da protagonista nella transizione energetica al pari delle rinnovabili. Una promessa che vuole il «futuro»: il tempo verbale di qualcosa che ancora non possediamo ma che forse avremo.

Quando sale l’ambizione si alza anche il livello di complessità e se in ballo c’è la fusione nucleare, le sfide da affrontare sono Everest scientifici. Riprodurre, innescare e governare una reazione di fusione infatti è ancora estremamente complicato.

Prima di tutto, per via delle altissime temperature che l’intera reazione richiede. Sto parlando di 100-150 milioni di gradi Celsius, ancora di più di quanti ne servano nel Sole, dove 10-15 milioni di gradi sono sufficienti per innescare gli urti tra particelle.

La densità nel nucleo di questa stella rende gli scontri atomici infinitamente più probabili ma per replicarle qui, sulla Terra, serve un ambiente particolare, capace di sopportare e contenere una reazione così violenta. Serve un ambiente come il «Tokamak».

Questa è un’altra di quelle parole che sono fondamentali per mettere un piede dentro al mondo della fusione. Prima di arrivare a capire a cosa fa riferimento è necessario però fare un passo indietro, aprire il vocabolario sulla lettera «P» e cercare la parola «plasma».

Parlare di fusione vuol dire parlare di plasma, ovvero uno degli stati in cui può trovarsi la materia. “Oltre alla forma solida, liquida e gassosa, la materia può anche avere forma di plasma, che altro non è se non un gas molto caldo che una volta riscaldato emette luce. Il dottor Matteo Iafrati, ricercatore in fusione nucleare presso l’Enea di Frascati e nostro «Virgilio» in questo viaggio, ci ha spiegato che una grossa fetta di Universo, circa il 90%, è fatto di plasma.

Di plasma sono fatte le stelle così come molte nebulose. Sulla Terra possiamo imbatterci in un plasma quando vediamo un fulmine oppure quando accendiamo la fiamma di un accendino.

“Quello che interessa le reazioni di fusione è un plasma molto caldo e per questo è necessario un modo per confinarlo, altrimenti tenderebbe a divergere all’infinito”. Il «confinamento» – altra parola da ricordare – serve a contenere il plasma e a non permettere che si diffonda. Il suo obiettivo è dominarlo e controllarlo. “L’idea, insomma, è quella di imbrigliare l’energia delle stelle ha chiosato Iafrati.

Con il tempo abbiamo costruito molte macchine per fare esperimenti con plasmi di interesse fusionistico (diversi dai plasmi convenzionali, più freddi) e tra queste, la più promettente è appunto il Tokamak.

“Si tratta di una struttura a forma di ciambella costituita da un contenitore in acciaio di forma toroidale che funge da camera da vuoto”. Al suo interno le particelle di deuterio e trizio vengono ionizzate, fatte attraversate cioè da corrente elettrica da cui si origina un campo magnetico. “Ce l’ha insegnato la legge di Biot–Savart: ogni filo attraversato da corrente genera un campo magnetico che si arrotola intorno a sé”. 

Il Tokamak è una struttura a forma di ciambella in grado di contenere una reazione di fusione

Perché il confinamento all’interno del Tokamak funzioni è necessaria la combinazione di questi specifici campi magnetici, detti poloidali, con altre tipologie di campi. I cosiddetti campi toroidali, generati da bobine – toroidali appunto – e responsabili del movimento obbligato delle particelle cariche del plasma lungo una specifica direzione e i campi verticali, prodotti invece da bobine esterne e indispensabili per controllare la posizione del plasma.

“L’unione di questi due campi magnetici dà luogo a un equilibrio magnetostatico. Una sorta di gabbia magnetica dentro cui viene raggiunto un equilibro stazionario che permette al plasma di funzionare.

Quello utilizzato all’interno di un Tokamak viene dunque definito un confinamento di tipo magnetico e oggi è ritenuta la strada principale per arrivare alla fusione: l’approccio più affidabile che si ritiene possa dare luogo a una fusione per un utilizzo civile. Iter, il gigantesco reattore che oggi rappresenta il più avanzato progetto tecnologico in ambito di fusione al mondo, sfrutterà questo approccio.

Il confinamento magnetico tuttavia non è l’unica strada. Un’altra, avanzata e altrettanto promettente, è il cosiddetto confinamento inerziale. “Questo approccio non si basa su campi magnetici ma prevede di innescare una reazione di fusione bombardando una pasticca di materiale in grado di fondere con una serie di laser o una sorgente di energia esterna”.

Funziona così. Una sfera di deuterio e trizio viene investita da un’altissima densità di potenza sulla sua superficie fino a generare un plasma. A quel punto la sfera viene sottoposta a una compressione sempre maggiore fino ad aumentarne densità e temperatura all’interno. “Il confinamento inerziale è altrettanto promettente e infatti ha già permesso di accendere e dominare una reazione di fusione ottenendo un guadagno positivo di energia. O quasi”.  

Il riferimento di Iafrati è all’esperimento del NIF di Livermore, annunciato e celebrato come un traguardo storico ma ancora lontano dal poterci garantire la possibilità di generare più energia da una reazione di fusione di quella utilizzata per innescarla. L’entusiasmo attorno alla notizia andava e va tuttavia limitato (o confinato), come ti spiegherò meglio nel secondo capitolo di questa rubrica.

Anche con il confinamento magnetico ci siamo andati altrettanto vicini, in entrambi i casi tuttavia l’accensione dell’intero sistema presso il Joint European Torus (o Jet), oggi il Tokamak funzionante più grande e potente al mondo, ha richiesto sempre più energia di quella che riusciva a restituire.  “C’è da dire però che Jet non è una macchina pensata per ottenere questo risultato: l’unica è Iter”.

Quello che vuole dire Iafrati è che i risultati ottenuti con Jet ci aiutano a riporre speranze sempre più solide su Iter. Spetterà infatti a questo gigantesco reattore che sta sorgendo a Cadarache, in Francia, dimostrare che è possibile utilizzare la fusione in ambito civile.

Il progetto successivo a Iter, Demo, dovrà invece dimostrare che una centrale a fusione nucleare è in grado di generare energia e consegnarla alla rete elettrica. “Il confinamento magnetico oggi dà più garanzie e offre la sensazione di estrapolabilità. È quello che in maniera più semplice ci permette di dire che sebbene non ci siamo ancora arrivati, se saremo in grado di costruire la macchina giusta potremo convertire l’energia prodotta dalla fusione in energia elettrica e consegnarla alla rete. Con i laser e l’approccio inerziale, invece, non sappiamo ancora come raccogliere l’energia”. 

Secondo Iafrati, insomma, la comunità internazionale è convinta che sia più facile estrarre energia da un Tokamak piuttosto che da un esperimento a confinamento inerziale e per questo si sta investendo moltissimo su Iter.

Percorrere più strade vuol dire avere nel proprio arco più possibilità di arrivare alla meta. Un’altra parola che appartiene al vocabolario della fusione e che devi tenere a mente probabilmente già la conosci: «fiducia».

Questo articolo fa parte della rubrica
Giornalista fin dalla prima volta che ho dovuto rispondere alla domanda “Cosa vuoi fare da grande”. Sulla carta, sono pubblicista dal altro…