Perché la fusione sia possibile i nuclei devono essere avvicinati tra loro, impiegando una grande quantità dienergia chimica per oltrepassare la barriera direpulsione elettromagnetica. La fusione degli elementi fino ainumeri atomici 26 e 28 (ferro enichel) è unareazione esotermica, cioè emetteenergia termica (o calore),[2] poiché il nucleo prodotto dalla reazione ha massa minore della somma delle masse dei nuclei reagenti. Per i metalli di transizione con numeri atomici superiori al 28 la reazione invece èendotermica, cioè la quantità di energia termica assorbita è maggiore di quella rilasciata. Alcune reazioni (in primo luogo quelle con una soglia di energia più bassa, come la fusione dideuterio etrizio) determinano il rilascio di uno o piùneutroni liberi; questo crea, nella prospettiva dello sfruttamento come fonte di energia, alcuni importanti problemi tecnologici legati allaattivazione neutronica e allaschermatura.
Un processo di fusione nucleare in natura, dettonucleosintesi stellare, ha luogo al centro dellestelle: si tratta di una serie direazioni esotermiche in cui nuclei di idrogeno (principalmente deuterio e trizio) si fondono tra loro per formare gli isotopi dell'elio. Tale processo emette una notevole quantità dienergia radiante e di calore, facendo risplendere le stelle nel buio del cosmo ed evitandone ilcollasso gravitazionale.
La fusione è stata per la prima volta prodotta artificialmente neglianni cinquanta per amplificare la potenza di unabomba atomica: questo tipo di ordigni è stato chiamatobomba H. A partire daglianni sessanta, sono stati eseguiti molti esperimenti per sfruttare l'energia prodotta dalla fusione, in primis per produrre energia elettrica. Ireattori nucleari a fusione sono ancora in corso di progettazione e di costruzione; si crede che il lavoro verrà concluso intorno al 2060. Il giorno 13 dicembre 2022 ilDipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha annunciato la prima reazione di fusione nucleare che ha prodotto più energia di quella utilizzata.
Partendo dagli esperimenti sullatrasmutazione dei nuclei diErnest Rutherford, condotti all'inizio delXX secolo, la fusione in laboratorio diisotopi pesanti dell'idrogeno fu realizzata per la prima volta daMark Oliphant nel 1932: nello stesso annoJames Chadwick scoprì la particellaneutrone. Durante il resto di quel decennio gli stadi del ciclo principale della fusione nucleare nelle stelle furono ricavati daHans Bethe. Le ricerche sulla fusione per scopi militari cominciarono all'inizio deglianni quaranta nell'ambito delProgetto Manhattan, ma questo fu realizzato solo nel 1951 (nelle esplosioni nucleari dell'Operation Greenhouse). La fusione nucleare fu impiegata per fini bellici per la prima volta il 1º novembre dell'anno1952, nel corso dell'esplosione dellabomba H chiamata in gergoIvy Mike.
Le ricerche sullo sviluppo dellafusione termonucleare controllata per scopi civili cominciarono in modo sistematico neglianni cinquanta, e continuano ancora oggi. Tra gli altri, nel 2021 sono in corso alcuni progetti con l'obiettivo di dimostrare la tecnologia:ITER[3],SPARC,DEMO eARC.InItalia, l'ENEA sta studiando la possibilità di realizzare un reattore a fusione nucleare controllata con confinamento magnetico, del tipo più tradizionale, il tipotokamak. Tale tecnologia ha avuto un drastico miglioramento grazie agli esperimenti condotti nei seguenti laboratori:Experimental Advanced Superconducting Tokamak (fusione di circa 20 minuti),Joint European Torus (nel 1997 ha raggiunto un guadagno netto di 59 megajoule in un singolo esperimento) e ilNational Ignition Facility (che nel dicembre 2022 ha prodotto con un raggio laser da 2.05 MJ una energia netta di 3.15 megajoule).[4]
Sezioni d'urto medie (tasso di reazione) per le seguenti reazioni: deuterio-deuterio (D-D), deuterio-trizio (D-T), deuterio-elio-3 (D-He3), trizio-trizio (T-T). Lasoglia per la reazione D-T il picco è a circa 70 keV, per la reazione D-He3 è un po' oltre 100 keV; per le reazioni D-D è oltre i 100 keV, e analogamente per T-T. Nel caso D-D, il tasso di reazione è cumulativo per entrambe le reazioni che coinvolgono il deuterio. I dati da cui il grafico è stato tratto sono stati ottenuti dalNRL Plasma Formulary (pagina 45). ilNRL Plasma Formulary può essere scaricato all'indirizzohttps://web.archive.org/web/20090901213536/http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/NRL_FORMULARY_09.pdf
(D è il simbolo convenzionale per ildeuterio (2H), e T per iltrizio (3H))
Per la realizzazione direattori a fusione, il primo problema è stato finora quello di individuare reazioni aventi una bassa temperatura (tecnicamente si parla dienergia di soglia).Il primo pensiero chiaramente è naturalmente andato all'imitazione della natura: sappiamo che la fusione è la fonte di energia dellestelle, tra cui ilSole, in cui il gas caldo è tenuto confinato e coeso dalla loro stessa forza di gravità, come è stato spiegato nei paragrafi precedenti. Le reazioni delle stelle però hanno purtroppo temperature di soglia troppo alte per la resistenza dei materiali attuali e la capacità di tenere il plasma confinato e coeso.
Le reazioni che verranno impiegate hanno una temperatura più bassa di quelle standard nelle stelle (reazione deuterio-deuterio eciclo del carbonio-azoto-ossigeno):
Altre reazioni interessanti, per la maggior parte aneutroniche:
reazione della fusione aneutronica standard, quella dell'3He (soglia di temperatura maggiore di più di tre volte; difficoltà di approvvigionamento dell'3He):
3He +3He →4He + 2 p
D +3He →4He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)
T +3He →4He (0,5 MeV) + n (1,9 MeV) + p (11,9 MeV) (51%)
T +3He →4He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) (43%)
T +3He →5He (2,4 MeV) + p (11,9 MeV) (6%)
spallazione del6Li
p +6Li →4He (1,7 MeV) +3He (2,3 MeV)
D +6Li → 24He (22,4 MeV)
3He +6Li → 24He + p (16,9 MeV)
reazioni diattivazione neutronica del trizio, usate nelle bombe a fusione "secca" e in alcuni progetti di reattore a fusione:
La reazione da decenni (di gran lunga) più studiata, per utilizzare la fusione in un reattore di una centrale per produrre energia elettrica, è la fusione deuterio-trizio (D-T), perché è quella che richiede la temperatura più bassa.Tipicamente, questa reazione ha una temperatura di soglia di circa 200 milioni digradi. In realtà, in gergo tecnico la temperatura viene espressa inkiloelettronvolt: 200 milioni di gradi sono uguali a 20 keV (per effettuare questa conversione bisogna moltiplicare per lacostante di Boltzmann). Lo svantaggio della reazione standard D-T, la più fredda, è la produzione di neutroni a energia molto alta (14,1 MeV): per dare un'idea, circa 7 volte l'energia standard di un neutrone veloce da fissione, che corrisponde a quello prodotto dalla reazione di fissione nucleare dell'uranio 235. Il problema dei neutroni veloci è che essendo privi di carica non possono essere confinati da uncampo magnetico, ma a differenza deineutrini i neutroni interagiscono in modo molto pesante con la materia. I neutroni in particolare tendono a rendere radioattivi gliacciai, ilcemento armato, e altri materiali strutturali convenzionali, trasformando glielementi chimici che contengono: il fenomeno è chiamatoattivazione neutronica. La presenza di neutroni veloci rende quindi necessario l'impiego di schermature molto pesanti (tipicamentepiombo ocemento armato). Questo è uno dei principali problemi per un reattore a deuterio-trizio, comeITER. I neutroni d'altra parte sono una fonte di calore interna alle pareti del reattore, che viene sfruttata nella produzione di energia elettrica. Inoltre, i neutroni vengono utilizzati per produrre il trizio attraverso reazioni dicattura neutronica del litio, facendo scorrere dietro le pareti del plasma del litio o una lega litio-piombo in cui il piombo scherma verso l'esterno e contribuisce a moltiplicare i neutroni veloci, aumentando il tasso di conversione del litio in trizio.
La fusione3He + D è la rappresentante tecnologicamente più importante dellefusioni aneutroniche.
La sua temperatura di soglia per la reazione3He + D è stata misurata essere intorno ai 580 milioni di gradi (50 keV), e quella della D-T è a 175 milioni di gradi (15 keV): l'aumento di temperatura risulta circa 3,3 (vedere la figura precedente con le curve delle probabilità di reazione alle varie temperature).
Questa reazione potrebbe diventare interessante come alternativa al T+D, ma sarebbe necessario l'aumento di più di 6 volte dell'intensità dicampo magnetico, e quindi della capacità di confinamento, che potrebbe essere offerto daelettromagneti che impiegano la tecnologia deisuperconduttori ad alta temperatura.Questi sarebbero naturalmente molto più capaci di tenere confinato e coeso il plasma rispetto per esempio ai magneti superconduttori a bassa temperatura, che danno un campo intorno a 1tesla per il reattore ITER di riferimento in Provenza. In effetti, un plasma di3He e D attorno ai 580 milioni di gradi produce anche fusioni secondarie di tipo D+D, che sono neutroniche: lo si può notare dalla vicinanza delle curve delle reazioni3He +D e D + D in questa regione di temperatura. I neutroni della reazione standard D + T hanno infatti un'energia molto alta, circa 7 volte quella dei neutroni generati dalla fissione standard dell'uranio 235, e quindi sono molto più penetranti. Invece, i neutroni lenti del D + D sono meno, e sono penetranti in modo simile a quelli della fissione standard siccome hanno un'energia simile; infine, attivano molto meno i materiali strutturali del reattore e quindi pongono meno problemi per lo schermaggio e lo smaltimento.
Purtroppo, le due fusioni aneutroniche più studiate in passato per fini militari sono state quella dell'elio-3 col trizio, e quella del litio-6 col deuterio.
Ci sono studi che esplorano le possibilità di sfruttamento pacifico della reazione che avviene nelle stelle, quella deuterio-deuterio (D-D), che nel 50% dei casi produce neutroni con un'energia nettamente più bassa (2,5 MeV circa). La temperatura di soglia della reazione è però ancora più elevata che nel caso3He + D, per cui anche con i nuovi magneti basati suisuperconduttori ad alta temperatura si pensa che non sia raggiungibile nell'orizzonte di qualche decina di anni.
Nella fusione nucleare il nuovo nucleo e il neutrone liberato hanno una massa totale minore della somma delle masse dei nuclei reagenti, con conseguente liberazione di un'elevata quantità dienergia, principalmente energia cinetica dei prodotti della fusione, secondo la relazione tra lamassa e l'energia stabilita dallateoria della relatività ristretta:
in cuiE è l'energia,m la massa ec2 il quadrato dellavelocità della luce nel vuoto.
Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono essere sufficientemente vicini, in modo che laforza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hannocarica elettrica positiva, si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell'ordine di qualchefemtometro (10−15 metri). L'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissimapressione (altissimatemperatura, circa 10⁷kelvin, e/o altissimadensità).
L'energia potenziale totale di un nucleo è notevolmente superiore all'energia che lega glielettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella dellereazioni chimiche. Ad esempio l'energia di legame dell'elettrone al nucleo di idrogeno è di 13,6eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T mostrata in seguito è pari a 17,6 MeV, cioè più di un milione di volte la prima. Con un grammo dideuterio etrizio si potrebbe quindi produrre l'energia sviluppata da 11 tonnellate dicarbone.
Gli atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura e in ingegneria, sono gli isotopi dell'atomo diidrogeno, caratterizzati da minimo numero atomico, a cui corrisponde la minima energia di innesco. Tuttavia all'interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti, si ritiene fino al ferro.
La fusione nucleare controllata potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici sulla terra, perché potrebbe produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi ogas serra e con la produzione di limitate quantità discorie radioattive fra cui il trizio; una piccola quantità di radioattività residua interesserebbe solo alcuni componenti del reattore a fusione sottoposti a bombardamento neutronico durante i processi di fusione. Queste componenti sarebbero peraltro facilmente rimpiazzabili; itempi di dimezzamento della radioattività residua sarebbero confrontabili con la vita media della centrale (decine d'anni).
Negli ultimi sessant'anni è stato profuso un notevole sforzo teorico e sperimentale anche per mettere a punto lafusione nucleare per scopi civili anziché bellici ovvero per generare elettricità e anche come sistema di propulsione perrazzi, potenzialmente molto più efficiente e a molto minoreimpatto ambientale sia deireattori nucleari a fissione, o della produzione centralizzata di energia convenzionale rappresentata principalmente dacentrali termoelettriche ecentrali idroelettriche.
Il problema principale dagli anni '60 ad ora, e probabilmente anche per il prossimo futuro, è rappresentato dalla difficoltà di raggiungere un bilancio energetico positivo del reattore. Ad oggi, infatti, non si è ancora riusciti a costruire un reattore che produca normalmente durante il suo funzionamento in continuo più energia elettrica di quanta ne consumi per alimentazione dei magneti e sistemi ausiliari. Una volta raggiunto il bilancio energetico positivo, poi, bisognerà assicurarsi anche un bilancio economico positivo. Il parametro principale che i tecnici usano per valutare la positività del bilancio energetico di un reattore è ilparametro di Lawson.
Al momento, il reattore più avanzato a fusione èITER:[3] un reattore a fusione termonucleare (basato sulla configurazione di tipotokamak). ITER è un progetto internazionale cooperativo traUnione europea,Russia,Cina,Giappone,Stati Uniti d'America,Corea del Sud eIndia. ITER però non è ancora il prototipo di centrale di produzione di energia elettrica ma solo una macchina sperimentale destinata a dimostrare di poter ottenere le condizioni diguadagno energetico necessarie.DEMO è invece il prototipo di centrale in fase di studio dagli stessi partecipanti al progetto ITER.[5]
Il progetto SPARC dellaCommonwealth Fusion Systems, di cuiEni è maggiore azionista, ha l'obiettivo di realizzare un reattore sperimentale a fusione più compatto ed economico rispetto a quello di ITER. Nel settembre 2021 è stato testato un prototipo per dimostrare che è possibile realizzare una camera di fusione in cui il confinamento del plasma è assicurato da magneti superconduttori ad alta temperatura[6].
Unplasma è costituito da particelle cariche, e può quindi essere confinato da un appropriatocampo magnetico. Sono noti molti modi di generare un campo magnetico in grado di isolare un plasma in fusione; tuttavia, in tutte queste configurazioni, le particelle cariche che compongono il plasma interagiscono inevitabilmente con il campo, influenzando l'efficienza del confinamento e riscaldando il sistema. Due sono le geometrie che si sono rivelate interessanti per confinare plasmi per fusione: lospecchio magnetico e iltoro magnetico. Lo specchio magnetico è una configurazione "aperta", cioè non è chiusa su se stessa, mentre iltoro (una figura geometrica a forma di "ciambella") è una configurazione chiusa su se stessa intorno a un buco centrale. Varianti del toro sono le configurazionisferiche, in cui il buco al centro del toro è di dimensioni molto ridotte ma pur sempre presente.
Ognuno di questi sistemi di confinamento ha diverse realizzazioni, che differiscono tra loro nell'enfatizzare l'efficienza del confinamento o nel semplificare i requisiti tecnici necessari per la realizzazione del campo magnetico. La ricerca sugli specchi magnetici e su altre configurazioni aperte (bottiglie magnetiche,"pinch" lineari, cuspidi, ottupoli, ecc.) ha avuto un grande sviluppo negli anni1960-1970, poi è stata abbandonata per le inevitabili perdite di particelle agli estremi della configurazione.Invece, una variante dei sistemi toroidali, iltokamak, è risultato essere una soluzione inizialmente più semplice di altre per un'implementazione da laboratorio. Ciò, assieme a una prospettiva remunerativa futura, l'ha reso il sistema su cui la ricerca scientifica in questo settore ha mosso i suoi passi più significativi. Attualmente il più promettente esperimento in questo campo è il progettoITER. Esistono comunque delle varianti di configurazioni toroidali, come lostellarator (che è caratterizzato dall'assenza di un circuito per generare unacorrente nel plasma) e lastrizione a campo rovesciato (Reversed-field pinch).
Nel 2009 usando la macchina RFX a Padova è stato dimostrato sperimentalmente che, in accordo con quanto previsto da un modello matematico, si può migliorare il confinamento dando al plasma presente nel Reversed Field Pinch una forma a elica.[7]
Il 5 settembre 2021 l’azienda americanaCommonwealth Fusion Systems ha testato con successo un prototipo in scala 1:1 di un magnete basato susuperconduttori HTS (High Temperature Superconductors). L'esperimento ha dimostrato per la prima volta che è possibile realizzare una camera di fusione in cui il confinamento delplasma è raggiunto attraverso questo tipo di supermagneti. Questa tipologia di camera di fusione potrà consentire la realizzazione di unreattore sperimentale, denominato SPARC, molto più piccolo rispetto agli altri prototipi ora in sviluppo[6]. I dati raccolti da SPARC permetteranno di realizzare ARC, il primo impianto pilota industriale in grado di raggiungere le temperature necessarie per rendere possibile la fusione controllata di deuterio e trizio. Secondo le previsioni di CFS, il reattore SPARC potrebbe entrare in funzione già nel 2025[8].
Il combustibile nucleare può essere compresso all'ignizione con un bombardamento di fotoni, di altre particelle o tramite un'esplosione.[9][10] Nel caso dell'esplosione, il tempo di confinamento risulterà essere abbastanza breve. Questo è il processo usato nellabomba all'idrogeno, in cui una potente esplosione provocata da unabomba a fissione nucleare comprime un piccolo cilindro di combustibile per fusione.
Nellabomba all'idrogeno, l'energia sviluppata da unabomba nucleare a fissione viene utilizzata per comprimere il combustibile, solitamente un miscuglio dideuterio etrizio, fino alla temperatura di fusione. L'esplosione della bomba a fissione genera una serie diraggi X che creano un'onda termica che propagandosi nella testata comprime e riscalda il deuterio e il trizio generando la fusione nucleare.
Altre forme di confinamento inerziale sono state tentate per i reattori a fusione, incluso l'uso di grandi laser focalizzati su una piccola quantità di combustibile, o usando gli ioni del combustibile stesso accelerati verso una regione centrale, come nel primitivofusore di Farnsworth-Hirsch o nel fusorePolywell.
Nel2004 scienziati russi, diretti daKrainov, riescono a produrre una reazione di fusione nucleare controllata innescata dal confinamento laser, traprotoni (atomi d'idrogeno privi dell'elettrone) e atomi diboro, alla temperatura di 1miliardo dikelvin, senza emissione dineutroni e particelle radioattive, a esclusione diparticelle alfa. Ma l'energia richiesta dal laser supera di molto quella prodotta dalla reazione[11][12][13].
Nel gennaio 2013, un gruppo di ricercatori italiani e cechi diretti dal Dr. Antonino Picciotto (Micro-nano facility, Fondazione Bruno Kessler, Trento) e dal Dr. Daniele Margarone (Institute of Physics ASCR, v.v.i. (FZU), ELI-Beamlines Project, 182 21 Prague, Czech Republic) hanno ottenuto il record di produzione di particelle alfa (10^9/steradiante) senza emissione di neutroni, utilizzando per la prima volta un target di silicio-boro-idrogenato ed un laser con intensità 1000 volte inferiore rispetto agli esperimenti precedenti.[14]
La prima applicazione tecnica della fusione termonucleare, nella seconda metà delXX secolo, fu l'amplificazione di energia di unabomba atomica ottenuta circondandola con un guscio esterno di idrogeno: questo dispositivo è chiamatobomba H.Finora questo dispositivo non è mai stato utilizzato su un obiettivo civile, ma solo sperimentato in siti di test svolti dalle grandi potenze dellaguerra fredda per lo più durante glianni '50 e'60 del XX secolo negliatolli dell'Oceano Pacifico, causando la distruzione permanente dei siti (il caso emblematico è l'atollo di Bikini: dal 1997 l'atollo è stato dichiarato nuovamente abitabile, ma le isole rimangono tuttora disabitate e ci sono grossi rischi per la popolazione), e un incremento sostanziale delfondo di radioattività naturale nell'intero pianeta durante quegli anni.
Il 5 dicembre 2022 un gruppo di ricercatori dellaNational Ignition Facility presso ilLawrence Livermore National Laboratory ha realizzato per la prima volta unafusione a confinamento inerziale con bilancio energetico positivo, i2,05 MJ forniti al target hanno infatti generato3,15 MJ di energia. Per alimentare i 192 laser, tuttavia sono serviti 300 MJ di energia. Il bilancio energetico complessivo quindi è stato estremamente negativo.[15] I risultati della ricerca sono stati ufficialmente annunciati il 13 dicembre 2022 aWashington.[16][17]
Al 2024, esistono programmi di ricerca in oltre 50 paesi e il rapporto Fusion Outlook 2023 dell'AIEA riporta che nel mondo più di 140 macchine per la fusione, frutto di progetti pubblici e privati, sono in funzione, in costruzione o in fase di progettazione.[18]
^ A. Picciotto, D. Margarone,A. Velyhan,P. Bellutti, J. Krasa,A. Szydlowsky, G. Bertuccio,Y. Shi, A. Mangione, J.Prokupek, A. Malinowska, E. Krousky, J. Ullschmied, L. Laska, M.Kucharik,and G. Korn,Boron-Proton Nuclear-Fusion Enhancement Induced in Boron-Doped Silicon Targets by Low-Contrast Pulsed Laser, inPhysical Review X, vol. 4, n. 031030.
