Dossier

Le stelle sono costituite da un gas ionizzato ad alta temperatura che prende il nome di plasma (la cosiddetta quarta materia) entro il quale avvengono reazioni nucleari che portano alla produzione di enormi quantitativi d’energia. La fusione nucleare si propone di studiare e utilizzare tale principio per produrre energia elettrica sfruttabile per fini civili e industriali. Nella reazione di fusione, nuclei di elementi leggeri sottoposti a temperature e pressioni elevate fondono formando nuclei di elementi più pesanti. Le tipologie di atomi coinvolte nel processo di fusione nucleare, sia per quanto riguarda i processi che avvengono spontaneamente che per ciò che concerne quelli generati ingegneristicamente, sono isotopi dell’idrogeno. Quest’atomo è caratterizzato da tre isotopi, l’idrogeno propriamente detto (H), il deuterio (D) e il trizio (T). La loro identificazione come forme dell’elemento idrogeno è dovuta al fatto che il nucleo di tutti e tre contiene un protone, mentre la loro individuazione come isotopi distinti è effettuata in base al numero di neutroni contenuti nel nucleo: uno per il deuterio e due per il trizio. In tutti i casi l’atomo neutro ha un elettrone al di fuori del nucleo per compensare la carica del singolo protone.

La reazione solitamente avviene tra un nucleo di deuterio e un nucleo di trizio, e genera un nucleo di elio, indicato come particella alfa, e un neutrone. La massa risultante dalla fusione è inferiore a quella delle particelle interagenti e, in rispetto del principio di equivalenza massa – energia, ha luogo liberazione di energia che si distribuisce tra la particella alfa e il neutrone in quantità inversamente proporzionale alle rispettive masse.

In base a queste conoscenze, a livello teorico la realizzazione di reazioni di fusione nucleare si svolge linearmente e non presenta punti oscuri. È l’attuazione pratica a presentare alcune difficoltà non indifferenti. Il primo problema consiste nel fatto che i nuclei coinvolti nel processo di fusione hanno carica elettrica dello stesso segno, e di conseguenza tendono a respingersi. L’ostacolo può essere superato diminuendo la distanza tra le particelle interagenti fino a 10-13cm-3, ossia l’ordine di grandezza delle dimensioni del nucleo. In questo modo, infatti, le forze nucleari sono predominanti sulle forze di repulsione elettrostatica. Per ottenere che i nuclei si avvicinino a distanze sufficientemente brevi è necessario che la loro energia cinetica, e di conseguenza la loro temperatura, sia molto elevata. Nel plasma stellare questa condizione è garantita dalla forza gravitazionale, mentre sulla Terra è necessario portare la miscela dei reagenti a temperature elevatissime, dell’ordine dei 100 milioni di gradi, per un lasso di tempo idoneo a far avvenire molte collisioni tra i nuclei così da aumentare la probabilità di dar luogo a reazioni di fusione. L’esigenza di confinare il plasma in uno spazio ben definito per un dato periodo ha comportato la necessità di studiare speciali dispositivi in grado di farlo, dando origine al filone di studio sui magneti superconduttori e sui sistemi inerziali.

Il secondo problema legato alla possibilità di realizzare reazioni di fusione nucleare è correlato all’instabilità del plasma, caratteristica che rende difficile mantenere perfetto a lungo lo stato di confinamento della miscela ad alta temperatura dei reagenti. Tuttavia, condizioni di funzionamento “a regime” rendono necessario controllare le interazioni che si verificano tra il plasma e la parete che lo contiene, da un lato agendo sui materiali che costituiscono quest’ultima, sottoposta a carichi termici pari a decine di MegaWatt (MW) per metro quadro, dall’altro studiando idonee soluzioni impiantistiche che garantiscano la realizzazione e la refrigerazione della parete stessa.