Fusione nucleare: cosa ci aspettiamo, esattamente?

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 Questo testo è parte del capitolo sull’energia nucleare del mio nuovo libro in preparazione che dovrebbe essere intitolato “Il Popolo dei Minatori”. Se la fissione nucleare è, evidentemente, una tecnologia in difficoltà, rimane, cocciuto, il grande sogno della fusione nucleare. Forse per via della brillanza del sole, forse per via della potenza spaventosa della cosiddetta “bomba H” o forse per via dell’abbondanza di idrogeno negli oceani; la fusione nucleare genera sogni di abbondanza infinita. Invero, lo slogan del 1953 “energia tanto a buon mercato da non valer la pena di farla pagare” era riferito alla fusione nucleare; non alla fissione.

Ma i sogni hanno la caratteristica di infrangersi contro la realtà delle cose e la fusione nucleare si è rivelata estremamente difficile da padroneggiare. Questo è per una buona ragione: due nuclei atomici fronteggiano un’enorme barriera elettrostatica che li respinge quando si avvicinano l’uno all’altro. Far fondere due nuclei insieme richiede il superamento di questa barriera. Non che sia impossibile; per via delle leggi della meccanica quantistica i nuclei possono fondersi per mezzo di un processo chiamato “effetto tunnel” che può avvenire anche per energie inferiori a quella della barriera. Ma è un processo che avviene con tanta maggiore probabilità quanto maggiore è l’energia. A temperatura ambiente, la probabilità che avvenga è praticamente nulla, e lo stesso è vero per le temperature di qualche migliaio di gradi che possiamo ottenere senza particolari sforzi in laboratorio. In sostanza, il problema che abbiamo è che per avere energia utilizzabile nella fusione, bisogna fondere numeri enormi di atomi. Fate conto che la fissione nucleare genera circa 200 MeV (megaelettronvolt) di energia per ogni atomo di uranio che si spezza. La fusione, invece, genera circa 18 MeV di energia per ogni coppia di atomi di deuterio che si fondono. Allora, per una centrale a fissione da un GW (un gigawatt) ci vogliono qualcosa come 10^20 fissioni al secondo; per una centrale a fusione equivalente ci vorrebbero circa 10^21 fusioni al secondo. In una centrale a fissione, siamo riusciti a ottenere quel gran numero di fissioni. Ma, per la fusione, siamo veramente lontanissimi.

L’unica strada possibile per arrivare alla fusione nucleare come sorgente di energia è di aumentare l’energia dei nuclei in modo da permettere ai nuclei di avvicinarsi per effetto tunnel con un alta probabilità. Ci abbiamo provato in tutti i modi; ma il problema si è rivelato ostico. La strada più battuta al momento è quella di creare temperature elevatissime; si parla di temperature veramente spaventose, dell’ordine del centinaio di milioni di gradi centigradi, anche se per ottimizzare il processo di fusione bisognerebbe arrivare al miliardo di gradi. Nelle macchine chiamate “Tokamak” si riescono ad ottenere temperature del genere in un plasma tenuto insieme da un forte campo magnetico. In questo modo, si possono ottenere delle fusioni nucleari, ma non in numero sufficiente. La macchina è complessa e costosa e in oltre cinquanta anni di lavoro non siamo ancora nemmeno riusciti ad arrivare al “punto di pareggio”, ovvero in una condizione tale che il numero di fusioni ottenute sia tale da far pari con l’energia immessa nella macchina. Figuriamoci poi guadagnarci e rendere la macchina un produttore netto di energia. Si continua a lavorare su questo concetto, soprattutto nell’ambito del progetto “ITER” che dovrebbe finalmente arrivare al sospirato pareggio. Ma siamo ancora ben lontani da poter realizzare un sistema pratico di produzione di energia basato su questo concetto.

Oltre al Tokamak, c’è un altro metodo che possiamo chiamare “ortodosso”, nel senso che è  considerato come una strada possibile per una sorgente pratica di energia. Questo è la fusione cosiddetta “inerziale”, dove si sottopongono delle capsule contenenti deuterio e trizio a dei raggi laser o elettronici per farle implodere e generare altissime pressioni. Anche qui, si riesce a ottenere un certo numero di fusioni, ma l’energia richiesta è ancora molto superiore a quella ottenuta. Ci sono poi vari sistemi che potrebbero essere definiti ortodossi, anche se quasi nessuno pensa che potrebbero produrre veramente energia. Fra questi il “fusore di Farnsworth” che inietta ioni ad alta energia in una camera di reazione. C’è poi la fusione piroelettrica e ancora altri metodi piuttosto esotici. Ancora più esotica è la “fusione catalizzata dai muoni.”  I muoni sono particelle che sostituiscono gli elettroni nella molecola di idrogeno e riescono a fare avvicinare i nuclei abbastanza da farli fondere, occasionalmente. Ancora in questa categoria rientra la fusione detta “plasma focus,” che salta l’idea di rifare la reazione nucleare del sole per provarci invece facendo fondere un nucleo di boro con uno di idrogeno, ottenendo tre nuclei di elio. Questi metodi sono molto lontani da applicazioni come sorgenti di energia, ma funzionano, nel senso che producono fusioni. Siamo lontanissimi dai numeri che sarebbero necessari, ma possono essere utili come sorgenti di neutroni.

C’è poi tutta la galassia dei metodi “non ortodossi” dove si parla di fenomeni molto particolari e poco chiari la cui effettiva capacità di generare fusioni nucleari è perlomeno discutibile. Fra questi, la “sonofusione”, la “piezofusione” e tutti i vari metodi di “fusione fredda” che si sono sviluppati dal tempo dell’annuncio di Pons e Fleischmann nel 1989 che avevano annunciato di essere stati in grado di far fondere atomi di deuterio all’interno di un reticolo di palladio.

La questione della “fusione fredda” ha colpito la fantasia del pubblico e dal tempo di Fleischmann e Pons ha generato un gran numero di imitatori con vari annunci di successo che si sono susseguiti nel tempo. Nella pratica, nessun sistema di “fusione fredda” è mai stato provato di essere in grado di produrre energia utile e nemmeno di ottenere fusioni, sebbene alcune pubblicazioni lo sostengano. Esistono anche molti studi teorici che si sono provati a definire le condizioni che potrebbero portare due nuclei atomici a fondersi senza bisogno di enormi energie, superando la barriera elettrostatica che li separa. Si parla spesso in questo campo di “Reazioni Nucleari a Bassa Energia” (LENR) che verrebbero catalizzate dalle cosiddette “interazioni deboli,” una delle quattro forze fondamentali dell’universo. E’ difficile dare un giudizio sulla validità di questi studi dato che, per il momento, non sembra che esistano riscontri sperimentali attendibili. Quello che possiamo dire è che esiste un grosso problema con il concetto di LENR. Se le interazioni deboli potessero portare facilmente a delle reazioni nucleari, ci aspetteremmo di trovarne traccia da qualche parte in natura nella forma di isotopi radioattivi la cui origine non è spiegabile mediante le teorie attuali. Ma, per il momento, non si è trovato niente del genere. Non lo hanno trovato nemmeno i sostenitori del concetto di LENR che non hanno mai evidenziato con certezza i fenomeni tipici che avvengono in concomitanza con le reazioni nucleari. Se ci fossero reazioni del genere, dovrebbero manifestarsi con emissioni di neutroni, raggi gamma, o altri tipi di radiazioni, insieme a isotopi generati dalla reazione. Ma non c’è nessuna evidenza di fenomeni del genere, se non altro perché quelli che fanno questi esperimenti sono in buona salute; cosa che non ci aspetteremmo se fossero soggetti ai flussi di neutroni o di raggi gamma che dovrebbero venir fuori dalle reazioni. Quello che possiamo dire è che nella maggioranza dei casi gli annunci in proposito della “fusione fredda” si sono rivelati dei puri abbagli, se non degli imbrogli. Questo è vero in particolare nel caso del primo annuncio di “fusione nucleare in una provetta” fatto da Martin Fleischmann e Stanley Pons nel 1989 che nessuno riusci’ a riprodurre indipendentemente e, alla fine dei conti, nemmeno gli autori stessi.

Insomma, il problema della fusione nucleare si è rivelato molto più difficile e complesso di quanto non si pensasse quando l’idea divenne nota al grande pubblico, negli anni 1950. Il grosso problema sta in un fattore di fondo: la fissione nucleare è un processo catalizzato dai neutroni e che si “auto-sostiene” con una reazione a catena. La fissione stessa genera neutroni che generano altri neutroni e così via. Siccome la reazione a catena è molto rapida, è possibile farla sviluppare in un corpo solido prima che il calore generato vaporizzi tutto e metta fine alla reazione stessa. E’ questo fenomeno che rende possibile le bombe nucleari e i reattori nucleari, questi ultimi usano vari trucchi per impedire che il numero di neutroni diventi troppo grande e certe volte qualcosa va storto e allora si parla di “fusione del nocciolo”. Il problema della reazione di fissione è evitare che avvenga troppo alla svelta per via della reazione a catena. Ma il problema è opposto nel caso della fusione nucleare: la fusione non è catalizzata dai neutroni e quindi non c’è una reazione a catena. Pertanto, non è possibile innescare e mantenere la reazione se non per mezzo di temperature enormi. Nella pratica, l’effetto di queste temperature è quello di vaporizzare tutto e spegnere la reazione quasi immediatamente, a meno che non si usino metodi di “confinamento” costosi e complessi che, per il momento, non sono pratici da usare per produrre energia. E’ per questo che siamo tanto in difficoltà a controllare la fusione.

Da notare che uno dei motivi della popolarità della fusione nucleare è che viene associata con la potenza della “bomba all’idrogeno” o “bomba H.” Ma, attenzione, non esiste una “bomba a fusione” intesa come una bomba che usa esclusivamente la fusione nucleare. Non potrebbe esplodere perché manca una reazione a catena come quella che esiste nella fissione. Tutte le bombe nucleari sono bombe a fissione, nel senso che l’energia generata viene principalmente dalla fissione dell’uranio o del plutonio. Molte bombe, tuttavia, usano uno “stadio a fusione” che viene innescato dai neutroni prodotti dalla fissione. Questo stadio, genera un po’ di energia e quindi un po’ di potere esplosivo ma, più che altro, è pensato per generare ma moltissimi neutroni. Questi neutroni sono utilizzati per aumentare l’efficienza della reazione a catena della fissione oppure direttamente come arma contro le creature biologiche. L’idea di ammazzare la gente usando i neutroni invece che con un’esplosione è all’origine del termine “bomba nucleare pulita,” che, se non altro, ha rappresentato uno dei vertici dell’umana abilità di creare ossimori.

Su questo problema, vale la pena di riportare le parole di Luigi Sertorio, fisico nucleare, in una sua intervista del 2011 sul blog “22passi”

È ovvio che come tema scientifico la fusione terrestre è interessante, sia essa la fusione inerziale a laser sia essa la fusione a confinamento magnetico. Che poi sia realizzabile e funzioni è tutto un altro discorso. Quando viene detto “la fusione è l’energia del sole, l’uomo vuole realizzare sulla terra il fenomeno del sole” è una balla, dovuta a ignoranza: dovrebbe essere bocciato immediatamente a qualunque esame di maturità chi dice questa cosa. Le stelle producono una potenza che è, un decimillesimo (10^-4) di watt per chilogrammo. Vi rendete conto di cosa vuol dire questo numero? Un motore d’automobile produce potenza del tipo di centinaia di watt per chilogrammo. Quindi c’è un rapporto un milione a favore del motorino o dello scooter rispetto al sole. Quindi quando si vuol fare una macchina a fusione terrestre utile per produrre energia elettrica, si è lontanissimi da quello che è il modo di funzionare della natura nelle stelle. Le stelle sono macchine produttrici di energia per fusione a estremamente bassa potenza per chilogrammo. È il minimo che esiste in natura quello che succede lì. E il bello è che le stelle funzionano per miliardi di anni. La fusione che si vuole realizzare sulla terra è completamente diversa: dovrebbe essere un milione, dieci milioni più alta la resa watt per chilogrammo. La natura ha detto che quando vuol fare la fusione nucleare la fa nelle stelle; ci ha insegnato come si fa. L’uomo dice “grazie mille madre Natura, io voglio fare tutta un’altra cosa”. E madre Natura gli fa “maramao, voglio vedere cosa sai fare.”

Tutto questo non esclude che qualche giorno non riusciremo a trovare qualche trucco per tirar fuori energia dalla fusione nucleare. In fondo, la fissione dell’uranio è un trucco che si sono inventati gli esseri umani. Nell’universo, la reazione a catena esiste, ma è molto  rara; non è certamente imitando le stelle che gli esseri umani sono riusciti a creare impianti che producono energia atomica. Allora, non è impossibile che smettendo di cercare di imitare le stelle si potrebbe riuscire a trovare qualche trucco particolare per tirar fuori energia fondendo dei nuclei fra di loro. Non lo possiamo escludere ma, al momento, non possiamo aspettarci miracoli.

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Energy News

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