La fusione nucleare è il processo fisico che fa brillare le stelle. Poiché è un fenomeno in grado di generare molta energia in modo pulito, i ricercatori stanno facendo enormi sforzi per riprodurlo in laboratorio. Che cos'è dunque, la fusione? «È un processo che coinvolge il nucleo, il seme più profondo dell'atomo», risponde Piero Martin, docente all'Università di Padova e responsabile della fisica nel nuovo esperimento italiano Dtt, che contribuisce a Iter, il reattore a fusione nucelare in costruzione nel sud della Francia.
«L'atomo è il mattone della materia, e ha dimensioni minuscole, dell'ordine di un decimo di miliardesimo di metro. Però paradossalmente è quasi completamente vuoto, nel senso che nell'atomo ci sono elettroni, nella parte più esterna, e poi al centro c'è il nucleo, che è centomila volte più piccolo».
I processi di combustione interessano la parte esterna dell'atomo, cioè la sua configurazione elettronica. L'energia nucleare, invece, si libera quando si cambia la configurazione dei nuclei atomici, che normalmente è molto stabile. «La fusione è il processo nel quale due nuclei si fondono l'uno con l'altro», continua Piero Martin. «È esattamente il processo opposto rispetto alla fissione nucleare». Cioè il processo con il quale un nucleo più grande come quello di uranio si scinde in parti più piccole.
ATOMI PARENTI. Scendendo più nel dettaglio, le reazioni di fusione più studiate in laboratorio sono un po' diverse da quelle che avvengono davvero nelle stelle, perché le condizioni fisiche sono comunque differenti, e sono reazioni tra due atomi "parenti" dell'idrogeno, il deuterio e il trizio.
Entrambi hanno proprietà chimiche simili a quelle dell'idrogeno, ma sono più pesanti, perché hanno un nucleo diverso. Il trizio è anche radioattivo. In una reazione tipica, un nucleo di deuterio e uno di trizio si fondono per creare un nucleo di elio (quello dei palloncini) e un neutrone. Più un'energia che, per ogni reazione, è tipicamente un milione di volte superiore a quelle di combustione.
DECADIMENTO BREVE. Dal punto di vista ambientale, la fusione è molto più pulita della fissione. «Il motivo è che i prodotti delle reazioni di fissione sono radioattivi, e hanno un tempo di decadimento che può essere anche di migliaia di anni», spiega Martin, «per cui devono essere immagazzinati con estrema cura in depositi sotterranei, o comunque sicuri nel lungo termine».
I prodotti della fusione, invece, in sé non sono radioattivi; tuttavia generano un po' di radioattività sulle strutture del reattore che colpiscono. «Questa radioattività indotta ha comunque una vita media dell'ordine di poche decine di anni, ed è quindi molto ben controllabile», conclude Martin: «per chiudere un reattore a fusione, basta spegnerlo e aspettare per un certo numero di anni prima di dismetterlo».
Per finire, i reattori a fusione hanno un altro vantaggio da non trascurare: non producono gas serra come l'anidride carbonica, e quindi sono un potenziale alleato nella lotta ai cambiamenti climatici.
ATOMO. Gli atomi sono i componenti di base della materia organica e inorganica. Sono composti da un nucleo molto piccolo (che ha carica elettrica positiva) e da una nuvola di elettroni (che hanno carica elettrica negativa).
NUCLEO. Il nucleo atomico è composto da protoni e neutroni. I protoni sono particelle con carica elettrica positiva, mentre i neutroni sono neutri.
ISOTOPI. Atomi di un determinato elemento che hanno diverso peso atomico, ma stesse proprietà chimiche. In pratica, gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni (detto "numero atomico") e un diverso numero di neutroni. Per questo gli isotopi di solito si indicano riportando il numero di massa, che corrisponde alla somma di protoni e neutroni. Due isotopi dell'uranio, per esempio, sono l'uranio-235 e l'uranio-238.
ENERGIA NUCLEARE. Normalmente, le fonti di energia (elettrica, chimica, fotovoltaica) che utilizziamo si basano su variazioni della struttura esterna degli atomi, dove si trovano gli elettroni. L'energia nucleare, invece, si ottiene invece dai processi molto più energetici che avvengono all'interno dei nuclei atomici. Le reazioni nucleari possono essere di fissione o di fusione.
FISSIONE NUCLEARE. La fissione nucleare si ottiene quando un nucleo pesante si scinde in due nuclei più leggeri. Questo è il processo usato negli impianti attualmente in funzione e in progettazione, e anche nella produzione di armi.
FUSIONE NUCLEARE (O NUCLEARE PULITO). La fusione avviene quando due elementi leggeri si uniscono per formarne uno più pesante. Queste reazioni fanno brillare il Sole e le stelle, ma sono più difficili da utilizzare per produrre energia e al momento esistono solo impianti sperimentali.
COMBUSTIBILI NUCLEARI. Sono gli elementi che si usano per attivare le reazioni nucleari, che li trasformano in altri elementi. I combustibili più comuni per la fissione – fino alla terza generazione – sono l'uranio-235 e alcuni isotopi del plutonio, che sono piuttosto rari.
MASSA CRITICA. La massa minima necessaria ad attivare le reazioni a catena che permettono ai processi nucleari di autosostenersi, generando energia.
ELEMENTI TRANSURANICI. Sono gli elementi più pesanti, con numero atomico maggiore di 92 (quello dell'uranio), come nettunio, plutonio, americio. Questi elementi sono anche i più pericolosi, perché possono avere tempi di decadimento molto lunghi.
Come funziona la fissione nucleare. L'energia nucleare già dagli Anni '50 del secolo scorso si ottiene bombardando uranio con neutroni. Si ha così una fissione, cioè una spaccatura del nucleo di uranio in due nuclei più piccoli. La reazione continua perché, oltre a generarsi energia, per ogni fissione nucleare si generano altri neutroni, che a loro volta vanno a rompere altri nuclei, producendo quella che si chiama reazione a catena.
Basta una pastiglia di uranio di appena 6 grammi per produrre la stessa energia di una tonnellata di carbone. E per di più senza emissione di anidride carbonica, il gas "colpevole" dell'effetto serra. Purtroppo, però, la produzione di energia nucleare genera anche radioattività, quindi è potenzialmente pericolosa.
Ogni centrale nucleare produce inoltre rifiuti radioattivi. Una piccola parte (reflui del sistema di raffreddamento della turbina e gas) viene dispersa nell'ambiente: è ritenuta non pericolosa. I rifiuti veri e propri vengono suddivisi in base alla pericolosità: attività alta (Hlw), intermedia (Ilw), bassa (Llw). Gli Hlw devono essere conservati in depositi inerti e geologicamente stabili per migliaia di anni.
Tratto con adattamenti da articoli scritti per Focus e per le domande e risposte di Focus da Mariella Bussolati e Andrea Parlangeli.
