Parliamo di Fusione Nucleare, che sarà un traguardo fondamentale per la Sostenibilità Ambientale.

La fusione nucleare è un processo fisico in cui nuclei atomici leggeri si combinano per formare un nucleo più pesante. Questo processo rilascia una grande quantità di energia a causa del principio della conservazione della massa-energia. Nelle stelle come il nostro Sole, la fusione nucleare avviene quando nuclei di idrogeno si combinano per formare elio, rilasciando una grande quantità di energia sotto forma di luce e calore.

La fusione nucleare è considerata una fonte di energia potenzialmente rivoluzionaria perché può produrre una grande quantità di energia da una piccola quantità di combustibile, ed è essenzialmente pulita dal punto di vista ambientale, poiché non produce scorie radioattive a lunga durata come la fisica nucleare a fissione.

Tuttavia, la realizzazione di una reazione di fusione controllata e sostenibile sulla Terra è un compito estremamente difficile dal punto di vista tecnico. Richiede temperature e pressioni estremamente elevate, simili a quelle presenti all’interno del Sole, e la capacità di contenere e controllare il plasma, lo stato della materia in cui avviene la fusione, che è milioni di volte più caldo del nucleo del Sole. Nonostante queste sfide, i ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando per rendere la fusione nucleare una realtà, attraverso progetti come ITER e il National Ignition Facility.

La Fusione Nucleare è diversa dalla Fissione Nucleare

I reattori a fissione e a fusione sono entrambi tipi di reattori nucleari, ma sfruttano processi nucleari differenti per produrre energia:

• Fissione nucleare: Questo è il processo attualmente utilizzato in tutte le centrali nucleari commerciali. Nella fissione nucleare, un nucleo atomico pesante (solitamente di uranio o plutonio) viene diviso in due o più nuclei più piccoli, insieme all’emissione di una grande quantità di energia. Questa energia viene utilizzata per riscaldare l’acqua e produrre vapore, che poi aziona una turbina per generare elettricità.
• Fusione nucleare: Questo è il processo che alimenta il sole e le altre stelle. Nella fusione nucleare, due nuclei atomici leggeri si uniscono per formare un nucleo più pesante, rilasciando una grande quantità di energia. Al momento, non esistono centrali nucleari commerciali che utilizzano la fusione, ma la ricerca è in corso per sviluppare questa tecnologia.

Ci sono diverse differenze chiave tra i due processi:

• Materiale combustibile: La fissione utilizza materiali radioattivi come l’uranio o il plutonio, che devono essere estratti dalla terra e arricchiti prima dell’uso. La fusione, d’altro canto, utilizza isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio) che sono molto più abbondanti e più facili da ottenere.
• Sicurezza: La fissione produce una grande quantità di rifiuti radioattivi che devono essere gestiti con cura per prevenire la contaminazione dell’ambiente. Inoltre, esiste il rischio di fusione del nocciolo se il reattore perde il controllo, come è accaduto a Chernobyl e Fukushima. La fusione, invece, produce molto meno rifiuto radioattivo e non presenta il rischio di fusione del nocciolo. Se qualcosa va storto in un reattore di fusione, la reazione si arresta semplicemente.
• Efficienza energetica: Teoricamente, la fusione è molto più efficiente della fissione, potendo produrre molta più energia da una quantità data di combustibile. Tuttavia, al momento, non siamo ancora in grado di costruire un reattore di fusione che produca più energia di quanta ne consuma.

La fusione nucleare ha il potenziale per essere una fonte di energia più pulita, più sicura e più efficiente rispetto alla fissione nucleare. Tuttavia, la tecnologia per sfruttare la fusione è ancora in fase di sviluppo, e ci sono molte sfide tecniche da superare prima che possa diventare una realtà pratica.

A che punto siamo con gli studi sulla fusione nucleare?

Gli studi sulla fusione nucleare hanno fatto passi significativi.
Nel dicembre 2022, il National Ignition Facility (NIF) negli Stati Uniti ha annunciato un successo significativo nella ricerca sulla fusione nucleare. Per la prima volta da quando è stato costruito nel 1997, il NIF ha ottenuto un’ignizione nucleare di successo. Questo è avvenuto quando 192 dei laser più energetici al mondo hanno riscaldato un minuscolo pallottola di atomi di idrogeno con tale forza che si sono fusi insieme per creare elio e, soprattutto, energia in eccesso. L’energia che entrava nella camera di destinazione era poco più di 2 megajoules, ma uscivano 3,15 megajoules, un modesto guadagno di circa il 50%, ma sufficiente per fare la storia e consentire agli scienziati di chiamare l’esperimento un vero successo. (anche se le cinque prove successive non sono riuscite a ripetere il risultato). È ancora un progetto di ricerca e sviluppo, e la reazione di fusione nucleare deve essere ripetuta, estesa e scalata prima che possa essere veramente paragonata a un’ignizione stellare.

Parallelamente, Helion Energy e Microsoft hanno annunciato un accordo storico che potrebbe aprire la strada alla prima centrale di fusione del mondo (fonte qui). Helion prevede di costruire l’impianto commerciale nello stato di Washington, con l’obiettivo di farlo funzionare entro il 2028. Helion e Microsoft hanno firmato un contratto di acquisto di energia in cui Microsoft si impegna a comprare elettricità dalla startup di fusione una volta che l’impianto inizierà a generare energia. Helion sta completando la costruzione del suo settimo dispositivo di fusione, Polaris, nel corso di quest’anno. Il reattore dovrebbe iniziare a funzionare nel 2024 e si prevede che produca energia netta, dimostrando la validità del prodotto commerciale di Helion. Per finanziare il progetto, Helion ha raccolto 577 milioni di dollari di venture capital, con un ulteriore 1,8 miliardi di dollari che verranno sbloccati se l’azienda raggiungerà determinati traguardi con Polaris.

Rapporto tra produzione di energia tramite le centrali nucleari e la sostenibilità ambientale

La produzione di energia tramite le centrali nucleari ha un impatto complesso sulla sostenibilità ambientale. Ci sono aspetti positivi e negativi da considerare.

Aspetti positivi:

1. Basse emissioni di carbonio: Sia i reattori a fissione che a fusione nucleare producono energia con emissioni di carbonio estremamente basse. Questo può aiutare a ridurre le emissioni di gas serra e combattere il cambiamento climatico.
2. Fornitura di energia costante: I reattori nucleari possono produrre energia in modo costante, a differenza delle fonti rinnovabili come il solare e l’eolico, che sono intermittenti e dipendono dalle condizioni meteorologiche.

Aspetti negativi

1. Rifiuti radioattivi: I reattori a fissione nucleare producono rifiuti radioattivi, che possono rimanere pericolosi per migliaia di anni e devono essere gestiti e stoccati in modo sicuro.
2. Rischi di sicurezza: Esiste il rischio di incidenti nucleari gravi, come quelli di Chernobyl e Fukushima, che possono avere conseguenze devastanti per l’ambiente e la salute umana.
3. Approvvigionamento di combustibile: L’estrazione di uranio per i reattori a fissione può avere un impatto ambientale significativo, compresa la distruzione di habitat naturali.

In teoria, la fusione nucleare potrebbe superare alcuni di questi problemi. Non produce rifiuti radioattivi a lunga durata e non comporta gli stessi rischi di sicurezza della fissione. Tuttavia, la tecnologia per realizzare la fusione è ancora in fase di sviluppo e ci sono molte sfide tecniche da superare.

I problemi ancora da superare per arrivare alla realizzazione sicura di una centrale nucleare a fusione

I problemi da superare per la realizzazione di una centrale di fusione nucleare sono molteplici e significativi. Alcuni dei più importanti includono:

• Sostenere la reazione di fusione: Uno dei principali problemi è la capacità di sostenere una reazione di fusione per un periodo di tempo sufficiente. La fusione richiede condizioni estreme di temperatura e pressione, simili a quelle del sole. Creare e mantenere queste condizioni sulla terra è una sfida enorme.
• Efficienza energetica: Finora, tutti i dispositivi di fusione hanno richiesto più energia per funzionare di quanta ne producano. Perché la fusione sia una fonte di energia pratica, un dispositivo di fusione deve produrre più energia di quanta ne consuma.
• Costruzione e gestione sicura dell’impianto: Anche se la fusione nucleare è intrinsecamente più sicura della fissione nucleare, ci sono comunque rischi associati alla manipolazione di materiali radioattivi e alla gestione delle alte pressioni e temperature necessarie. Assicurarsi che un impianto di fusione possa essere gestito in modo sicuro è una sfida significativa.
• Costi: La fusione nucleare richiede investimenti significativi in termini di tempo e denaro. La costruzione di impianti di fusione è estremamente costosa, e ci sono ancora molti problemi tecnici da risolvere prima che possano diventare operativi.
• Problemi tecnici: Ci sono molti problemi tecnici da superare, tra cui il modo migliore per contenere il plasma supercaldo necessario per la fusione e come catturare e convertire l’energia prodotta in un formato utilizzabile.
• Regolamentazione e permessi: Come con qualsiasi nuova tecnologia di produzione di energia, ci sono molte questioni regolamentari da risolvere. Questo può includere ottenere l’approvazione da parte delle autorità di regolamentazione, ottenere i permessi necessari e assicurarsi che l’impianto sia conforme a tutte le leggi e i regolamenti applicabili.

Questi sono solo alcuni degli ostacoli che devono essere superati prima che la fusione nucleare possa diventare una realtà. Tuttavia, nonostante queste sfide, gli scienziati e gli ingegneri di tutto il mondo stanno lavorando sodo per rendere la fusione nucleare una fonte di energia pratica e sostenibile.

Gli obiettivi energetici considerati di successo per la fusione nucleare

È importante poter misurare i progressi che si fanno, e la cosa vale anche per l’avanzamento delle tecnologie di fusione nucleare. Ci sono degli aspetti importanti da considerare per portare le centrali nucleari a fusione ad essere una realtà attuabile nel quotidiano delle necessità:

• Ignition: L’ignizione avviene quando il plasma in un reattore a fusione è sufficientemente caldo e denso da mantenere la reazione di fusione con il proprio calore, senza necessità di ulteriori input di energia. Questo è un obiettivo chiave perché un reattore a fusione che può raggiungere l’ignizione sarebbe in grado di produrre energia in modo sostenibile.
• Guadagno energetico netto: Un altro obiettivo chiave è raggiungere un guadagno energetico netto, o “break-even”, in cui l’energia prodotta dalla reazione di fusione è maggiore dell’energia necessaria per mantenere la reazione stessa. Questo è stato raggiunto nel dicembre 2022 dal National Ignition Facility negli Stati Uniti, che ha osservato un guadagno energetico di circa il 50%​.
• Continuità della reazione: Un reattore a fusione deve essere in grado di mantenere la reazione di fusione per un periodo di tempo prolungato. Ciò è importante perché la produzione di energia continua è necessaria per un’efficace generazione di energia elettrica.
• Scala industriale: Infine, la tecnologia di fusione deve essere scalabile a un livello industriale in modo che possa essere utilizzata per alimentare le reti elettriche. Ad esempio, l’azienda Helion Energy prevede di costruire un impianto di fusione commerciale in grado di produrre almeno 50 megawatt di energia​​.
• Sicurezza e sostenibilità: Un obiettivo di successo è anche la dimostrazione della sicurezza e della sostenibilità della fusione nucleare, compresa la produzione di quantità minime di rifiuti radioattivi, l’assenza di rischio di fusione del nucleo, e l’uso di carburante che è abbondante e facilmente disponibile.

C’è anche spazio per la fantascienza, perché Fusione Nucleare potrebbe essere usata per i viaggi spaziali.

La fusione nucleare ha il potenziale per essere utilizzata nel viaggio spaziale ed è stata studiata come un possibile metodo di propulsione per missioni spaziali di lunga durata.

In teoria, la propulsione a fusione offrirebbe diversi vantaggi rispetto ai metodi di propulsione tradizionali. Ad esempio, i reattori a fusione avrebbero un rapporto potenza-peso molto migliore rispetto ai motori a razzo chimici, il che significa che sarebbero in grado di fornire più spinta per una determinata quantità di carburante. Questo li renderebbe ideali per missioni di lunga durata, come i viaggi verso Marte o verso i pianeti esterni del sistema solare.

Inoltre, la fusione nucleare utilizza carburanti leggeri e facilmente disponibili, come il deuterio e l’elio-3, che potrebbero essere estratti dall’acqua o dalla Luna, rispettivamente. Questo potrebbe permettere alle navi spaziali di “fare rifornimento” nello spazio, estendendo ulteriormente la loro portata.

Tuttavia, ci sono ancora molte sfide tecniche da superare prima che la propulsione a fusione possa diventare una realtà. Queste includono la miniaturizzazione dei reattori a fusione, la gestione del calore prodotto dalla reazione di fusione, e la progettazione di un sistema di propulsione che possa sfruttare efficacemente l’energia prodotta dalla fusione.

Quando potremmo avere la prima centrale nucleare a fusione perfettamente operante?

Al momento, non è possibile fornire una risposta definitiva a questa domanda. La ricerca sulla fusione nucleare ha fatto progressi significativi, ma ci sono ancora molte sfide tecniche e scientifiche da superare.

Nel caso del National Ignition Facility (NIF) negli Stati Uniti, essi hanno raggiunto un importante traguardo nel dicembre 2022, con una reazione di fusione che ha prodotto più energia di quanta ne è stata immessa.
Nel frattempo, Helion Energy, una startup di energia a fusione, ha annunciato piani per costruire una centrale elettrica a fusione commerciale nello stato di Washington, negli Stati Uniti, con l’obiettivo di avere l’impianto in funzione entro il 2028. Tuttavia, c’è ancora un lungo cammino da percorrere prima che possano raggiungere questo obiettivo, e la loro tecnologia deve ancora essere testata per la sua capacità di produrre elettricità a netto positivo.

Poi c’è il progetto ITER, un progetto internazionale per lo sviluppo dell’energia a fusione, ha costruito un reattore di fusione sperimentale in Francia, e si ipotizza che raggiungerà il “primo plasma“, un passo chiave nel processo di fusione, entro la fine del 2025.

C’è ancora da lavorare, ma nelle cose ci vuole ottimismo.

La fusione nucleare è un’interessante prospettiva. Ci vorrà tempo, questo è chiaro, ma poi in fondo cosa possono essere anche 10, 15, 20 anni di fronte alla prospettiva di un futuro sostenibile per il nostro pianeta.