Energia nucleare: perché è il futuro

Nucleare non è solo Chernobyl o la bomba atomica. Anche in natura, come all’interno del Sole, avvengono reazioni nucleari. Scopriamo insieme le differenze tra fissione e fusione nucleare e gli obiettivi del progetto ITER.

L’energia nucleare, nell’immaginario collettivo, viene spesso associata al disastro di Chernobyl del 1986, o alle due bombe atomiche lanciate su Hiroshima e Nagasaki nel 1945. Si tratta in verita’ di un argomento attorno al qale vi e’ molta ignoranza, che vale sicuramente la pena di approfondire. Cerchiamo quindi di capire perché l’energia nucleare potrebbe aiutarci a combattere i cambiamenti climatici e dare la possibilità alle prossime generazioni di utilizzare energia pulita senza più dipendere dal petrolio e dal gas.

Sì, l’energia nucleare potrebbe aiutarci a rallentare i cambiamenti climatici

Il problema del nucleare è che quando ci pensi, pensi allo storico del nucleare, non tanto al suo significato. È riduttivo, ad esempio, parlare di nucleare solo attraverso Chernobyl. Circa l’80% delle radiazioni a cui siamo esposti in un anno sono conseguenza di ciò che ci circonda, o del cibo che mangiamo. Il potassio contenuto in una banana, ad esempio, è responsabile del 30% di queste radiazioni. E poi ancora le radiografie ospedaliere, o la radioterapia. E’ necessario ampliare il modo di vedere l’energia nucleare. Qualche giorno fa vi avevamo raccontato del reattore cinese Experimental Advanced Superconducting Tokamak, progettato per generare energia attraverso la fusione nucleare. L’obiettivo? Avere energia illimitata e non dipendere più né dal gas, né dal petrolio, né da qualunque altra fonte di energia fossile. Ma in cosa consiste la fusione nucleare?

In realtà potremmo chiamarla “energia stellare” (poiché è quella che accende le stelle) e toglierci ogni problema semantico. Partiamo dal presupposto che è molto più sicura di quanto possiate pensare, e in effetti potrebbe rappresentare un punto di svolta per le generazioni a venire. I reattori a fusione, a differenza dei reattori a fissione, non producono scorie radioattive a lunga durata. Il combustibile “bruciato” in un reattore a fusione è l’elio, un gas inerte. L’attivazione prodotta nelle superfici del materiale di rivestimento interno del reattore dai neutroni veloci produrrà invece rifiuti classificati come rifiuti a bassa attività, con tempi di decadimento inferiori a dieci anni (da paragonare alle migliaia di anni necessarie al completo decadimento delle scorie da fissione nucleare). Cio’ vuol dire che entro qualche decina di anni la radioattività dei materiali sarà diminuita in modo così significativo che potranno essere riciclati per l’uso, ad esempio in altri impianti di fusione.

Infine, oltre alla virtuale assenza di scorie radioattive, la fusione nucleare non emette nell’atmosfera anidride carbonica o altri gas serra. Come gia’ detto, Il suo principale sottoprodotto è l’elio, un gas inerte e non tossico, il cui peggior “effetto collaterale” e’ lo sviluppo temporaneo di una vocetta da cartone animato in chi lo inala.

La differenza tra fissione e fusione nucleare

Partiamo da un concetto fondamentale della fisica nucleare: il ferro, in particolare l’isotopo ferro-56, e’ caratterizzato da nuclei amomici con la piu’ alta energia di legame per nucleone (per nucleoni intendiamo i costituenti base di un nucleo atomico, neutroni e protoni). Cio’ vuol dire che ogni reazione nucleare in cui la massa atomica dei prodotti e piu’ vicina a quella del ferro rispetto a quella dei reagenti sara` una reazione esotermica, ovvero che libera energia. Possiamo quindi identificare subito in questo modo due macro-tipologie di reazioni nucleari esotermiche: la fusione nucleare per i nuclei atomici piu’ leggeri del ferro, e la fissione nucleare per i nuclei atomici piu’ pesanti del ferro.

Le reazioni di fusione nucleare tendono a fondere insieme due nuclei atomici in uno piu’ pesante, ma piu’ leggero del ferro, liberando energia. Si tratta della stessa tipologia di reazioni nucleari che sostiene e fa risplendere il nostro Sole, al cui interno nuclei di idrogeno vengono fusi in elio, liberando neutrini ed energia sotto forma di fotoni. Nel caso di nuclei piu’ pesanti del ferro e’ invece energeticamente piu’ conveniente dividere un nucleo atomico in nuclei piu’ leggeri: questo e’ il processo fisico alla base del funzionamento delle centrali a fissione nucleare, alimentate soprattutto dalla fissione di uranio e plutonio.

Parlando delle differenze tra centrali a fusione e fissione, viene anche spontaneo porsi domande riguardo i potenziali incidenti che potrebbero coinvolgerele: mentre un reattore a fissione può provocare gravissimi danni all’ambiente e alla salute delle persone, a causa del rilascio del materiale radioattivo dal combustibile esausto, un ipotetico incidente in un reattore a fusione non avrebbe ricadute. In un reattore a fusione nucleare, la quantità di carburante presente in qualsiasi momento è sufficiente per bruciare solo pochi secondi. È inoltre difficile raggiungere e mantenere le condizioni precise necessarie alla fusione: non appena queste condizioni (in primis l’alta tempertura necessaria) vengono meno, il plasma si raffredda in pochi secondi e la reazione si interrompe, proprio come un fornello a gas si spegne quando si chiude la manopola. Il processo di fusione è intrinsecamente sicuro; non c’è il minimo pericolo di innesco di una reazione a catena o di un’esplosione e, come gia’ menzionato, non produce alcuna scoria diretta.

Non e’ finita qui, in quanto un altro aspetto che rende la fusione nucleare molto appetibile e’ la quantita’ di energia virtualmente infinita che potremmo estrarre: pensate che con 1,6 grammi di deuterio (un isotopo dell’idrogeno, estratto da 50 litri d’acqua) e 5 grammi di litio-6 sarebbe possibile produrre circa 380mila kWh, una quantità di energia in grado di soddisfare il fabbisogno di una persona per 10 anni! La cosa difficile, che è anche una delle sfide principali che sta tenendo molto occupati ingegneri e ricercatori, è che per fondere due nuclei di idrogeno abbiamo bisogno di mantenere una temperatura altissima (oltre i 100 milioni di gradi) per un tempo molto lungo, in modo di vincere la repulsione coulombiana tra due nuclei atomici con carica positiva. Questo è possibile solo attraverso la generazione di un campo magnetico in grado di intrappolare e confinare il plasma, mantenendolo lontano dalle pareti di contenimento.

Il progetto ITER

In Francia e’ in atto la costuzione della macchina per la fusione nucleare più grande del mondo: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) . I lavori di costruzione sono iniziati nel 2007 a Cadarache, in un luogo di 42 ettari che ospita infrastrutture e impianti di alimentazione. È uno dei progetti più complessi e ambiziosi della storia: il reattore gigante richiederà milioni di componenti e peserà, pensate, 23mila tonnellate.

Altra cosa importante è il ruolo dell’Italia: nel progetto ITER sarà di primissimo livello. Le aziende italiane rappresentano un’eccellenza internazionale nel campo della fusione nucleare, grazie alle loro competenze molto elevate. Basti pensare che hanno vinto oltre la metà delle commesse di ITER, per un valore di 1,3 miliardi di euro.

Tra gli obiettivi del progetto, vi sono in primis Il raggiungimento del cosidetto “punto di Breakeven”, ovvero la generazione di energia tramite la fusione nucleare in quantita’ pari a quella immessa per far funzionare il reattore, e in seguito la produzione netta di 500 megawatt di energia nucleare utilizzando solo 50 megawatt per scaldare il plasma, portando a un guadagno finale pari a un fattore 10!

Riferimenti:

• https://ec.europa.eu/info/news/focus-fusion-power-and-iter-project-2021-mai-17_it
• https://www.iter.org/