La fusione nucleare significa la combinazione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante. Le reazioni di fusione, o termonucleari, di elementi leggeri sono reazioni tipiche che avvengono nel Sole e nelle altre stelle. Infatti, nel Sole, ogni secondo, 657 milioni di tonnellate di idrogeno vengono fuse in 653 milioni di tonnellate di elio. I 4 milioni di tonnellate di differenza di massa vengono poi convertite in radiazione – ed è così che brilla il Sole. Le condizioni estreme di temperatura e alta pressione creano uno stato di materia altamente ionizzata chiamato plasma, tenuto insieme dalle forze gravitazionali.

Una reazione di fusione in cui viene rilasciata una quantità di energia relativamente alta (27,7 MeV) è quella in cui quattro protoni reagenti portano alla formazione di un nucleo di elio (una particella alfa). Poiché in questo processo vengono fusi isotopi di idrogeno, e l'idrogeno è praticamente ovunque intorno a noi, l'idea di ottenere energia dalla fusione dell'idrogeno è estremamente attraente: offre una fonte di energia apparentemente illimitata per le generazioni future!

Le reazioni di fusione, tuttavia, non sono facili da realizzare sulla Terra. Bisogna tenere presente che le temperature richieste sono estremamente alte, generalmente dell'ordine di centinaia di milioni di Kelvin. E una volta creato il plasma caldo, il problema di mantenerlo non è affatto banale.

Ecco un elenco di reazioni di fusione di nuclei leggeri che potrebbero essere considerate per applicazioni pratiche:

Per avviare una reazione di fusione, bisogna superare la repulsione di Coulomb tra i nuclei. Pertanto, devono avere alte (da pochi keV a diverse centinaia di keV) energie cinetiche iniziali (parleremo più avanti di un'altra possibilità di avviare la fusione a basse temperature, mediante la cosiddetta fusione catalizzata da mesoni). È facile accelerare particelle leggere a tali energie. Tuttavia, l'energia necessaria per azionare gli acceleratori supera di gran lunga l'energia ottenuta dalla fusione. È più pratico usare un approccio diverso: l'energia cinetica dei reagenti può essere il risultato dell'alta temperatura di un gas di particelle. Alle temperature di decine o centinaia di milioni di Kelvin, gli elettroni vengono strappati dagli atomi, quindi i reagenti esistono come plasma caldo. Ecco perché si parla di reazioni “termonucleari”.

Il principale problema tecnico è generare le condizioni di temperatura e pressione estremamente elevate nel gas ionizzato: il plasma e il suo confinamento per un tempo sufficientemente lungo da innescare la fusione e quindi il rilascio di energia. Una volta raggiunto questo obiettivo e con abbastanza reazioni di fusione in corso, le condizioni potrebbero essere auto-sostenute, cioè un rifornimento di combustibile fresco dovrebbe creare una produzione continua di energia.

La condizione necessaria per il rilascio di energia da un reattore termonucleare è data dal cosiddetto criterio di Lawson, che afferma che il prodotto della densità dei nuclei nel plasma e il tempo di confinamento del plasma alla temperatura di accensione appropriata deve superare un certo valore soglia. Per la reazione di fusione D-T per esempio:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

La necessità di alte temperature implica che il plasma non può essere a contatto con il materiale delle pareti. Pertanto bisogna elaborare tecniche speciali per il confinamento del plasma.

Esistono tre metodi di confinamento del plasma: gravitazionale, magnetico e inerziale. Nelle stelle, il confinamento è dovuto al loro campo gravitazionale che crea una pressione sufficientemente alta. Tale tipo di confinamento non è però applicabile sulla Terra. Invece, forti campi magnetici possono essere usati per intrappolare il plasma nel metodo del confinamento magnetico, oppure, in quello che viene chiamato confinamento inerziale, pellet di idrogeno vengono compressi mediante un potente laser o fasci di particelle.

Nel caso del confinamento magnetico, dove la densità delle particelle è maggiore di circa 10²⁰/m³, il tempo di confinamento, come dato dal criterio di Lawson, deve essere superiore a 1s. Nel caso del confinamento inerziale, per esempio, la tipica densità del plasma è ≈ 10³¹/m³, e il tempo di confinamento deve essere dell'ordine di 10^-11s.

La reazione più probabile per le applicazioni pratiche è la fusione di deuterio e trizio, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, sebbene vengano considerate anche le reazioni deuterio-deuterio. Il deuterio si trova facilmente nell'acqua (30 grammi per metro cubo). Il trizio, tuttavia, deve essere prodotto o in un reattore nucleare o ottenuto in un reattore a fusione dal litio, un elemento che si trova nella crosta terrestre in grandi quantità.

Questo può essere ottenuto impiegando una coperta di litio relativamente spessa (circa 1 m), contenente anche berillio, che circonda il nucleo del reattore. Il litio assorbirà i neutroni che vengono rallentati nella coperta e si convertirà in trizio ed elio. L'energia rilasciata riscalda la coperta avviando così la generazione convenzionale di energia. Il ruolo del berillio consiste nel mantenere un numero sufficiente di neutroni nel sistema.

Il movimento delle particelle cariche nel plasma può essere controllato da un campo magnetico esterno. Nei sistemi chiusi di confinamento magnetico, chiamati reattori Tokamak, si riscalda e confina il plasma (D-T per esempio) a densità fino a 10²¹ particelle per metro cubo. Il campo magnetico è progettato per mantenere le particelle lontane dalle pareti dell'involucro. Altrimenti il plasma si ‘raffredderebbe’ immediatamente e le reazioni di fusione cesserebbero.

Oltre alla temperatura molto elevata, anche la pressione magnetica per il confinamento del plasma è impressionante. Per una densità di particelle atmosferica (circa 10²⁷ particelle per metro cubo) e un'energia termica di 10 keV, la pressione magnetica deve superare 10⁸ hPa. Le bobine del campo e i loro supporti meccanici non possono reggere tali pressioni! Per ridurre la pressione, bisogna diminuire la densità delle particelle. Per soddisfare il criterio di Lawson, bisogna quindi mantenere il plasma caldo per un tempo più lungo.

La configurazione del campo magnetico più efficace si è rivelata essere quella toroidale. La camera del reattore ha la forma di una ciambella e forma una chiusa "bottiglia magnetica". In realtà, per garantire la stabilità del plasma, le linee del campo magnetico seguono un percorso elicoidale. Tale confinamento è fornito da dispositivi noti come tokamak, stellarator e reverse field pinch (RFP).

In un tokamak, una serie di bobine è posizionata attorno alla camera a forma di toro. Il nucleo del trasformatore attraversa il centro del Tokamak, mentre la corrente del plasma forma un circuito secondario. Il campo perpendicolare, cosiddetto poloidale, è indotto sia internamente, dalla corrente guidata nel plasma, sia esternamente, dalle bobine del campo poloidale posizionate attorno alla periferia del recipiente.

Questa corrente riscalda anche il plasma all'alta temperatura richiesta di circa 10 milioni di K. L'idea del tokamak ha origine dai fisici russi Andrey Sakharov e Igor Tamm. I principali svantaggi dei tokamak sono il range operativo relativamente ristretto dei parametri. Il più grande tokamak costruito finora era il Joint European Torus (JET).

In uno stellarator, le condizioni del plasma sono regolate da correnti che circolano all'esterno del plasma. Le linee di campo elicoidali negli stellarator sono prodotte da una serie di bobine che sono esse stesse elicoidali.

Il più grande stellarator, il Large Helical Device (LHD), ha iniziato la sua operatività nel 1998 presso il National Institute of Fusion Research del Giappone. Poiché nessuna corrente è indotta nel plasma negli stellarator, il riscaldamento deve essere ottenuto con mezzi diversi, ad esempio fornendo radiazione elettromagnetica al plasma. Tale tecnica è in programma a Greifswald in Germania. Questi dispositivi sono simili ai tokamak rispetto ai campi toroidali e poloidali. Le correnti sono tuttavia molto più forti, e anche la direzione del campo toroidale all'interno del plasma è invertita al margine del plasma. Questo tipo di sistema è impiegato a Padova, in Italia, tra gli altri luoghi.

La tecnica della fusione a confinamento inerziale (ICF) si basa su un pellet di combustibile D-T preparato che viene poi rapidamente riscaldato per raggiungere la temperatura e la pressione necessarie per raggiungere uno stato di plasma.

Questo si ottiene comprimendo il pellet bombardandolo con forti impulsi di luce laser ben focalizzati. In tali condizioni, la superficie del pellet evapora e forma la corona di plasma. Il plasma si espande e genera un fronte di compressione in movimento verso l'interno che causa l'implosione del pellet causando una reazione di fusione istantanea.

Il sistema di fusione più avanzato basato sul confinamento inerziale è il NOVA al Lawrence Livermore Laboratory, USA. I ricercatori al NOVA hanno dimostrato che sotto compressione si possono raggiungere densità pari a 600 volte quella della miscela liquida D-T, e 20 volte più grande della densità del piombo.

La Comunità Europea ha avviato il programma Joint European Torus - JET nel 1978. L'obiettivo principale di JET era fare test sulla fusione, la fisica del plasma e le condizioni di stabilità. Culham in Gran Bretagna fu scelta come sede di JET.

Il dispositivo, in effetti il più grande tokamak prodotto finora, era pronto per l'operatività nel 1983 e la prima potenza di fusione controllata fu prodotta nel novembre 1991. La potenza record di 16 MW fu raggiunta per un secondo nel 1997 con combustibile misto deuterio-trizio. L'esperimento JET ha dimostrato che la fusione controllata è possibile.

Il suo successore è ITER, un progetto internazionale di ricerca e ingegneria, che sta attualmente costruendo il più grande reattore sperimentale di fusione nucleare tokamak del mondo a Cadarache, in Francia. Il progetto ITER mira a realizzare la tanto attesa transizione dagli studi sperimentali della fisica del plasma alle centrali a fusione in piena scala per la produzione di elettricità.

La National Ignition Facility (NIF), situata in California, USA, è la struttura laser più grande e più energetica del mondo, e uno dei suoi obiettivi è raggiungere la fusione nucleare e il guadagno energetico in laboratorio per la prima volta - in sostanza, creare una stella in miniatura sulla Terra.

NIF utilizza potenti laser per riscaldare e comprimere una piccola quantità di combustibile a idrogeno fino al punto in cui avvengono reazioni di fusione nucleare. NIF è il dispositivo ICF più grande e più energetico costruito fino ad oggi, e il primo che si prevede raggiunga il tanto ambito obiettivo dell'"ignizione", producendo più energia di quanta ne sia stata immessa per avviare la reazione. La sua missione è raggiungere la fusione nucleare con alto guadagno energetico in laboratorio, e supportare la manutenzione e la progettazione di armi nucleari studiando il comportamento della materia nelle condizioni presenti nelle armi nucleari.

Le temperature e le pressioni estreme create all'interno della camera bersaglio NIF consentono agli scienziati di condurre esperimenti senza precedenti nella scienza dell'alta densità di energia e di ottenere nuove intuizioni su fenomeni astrofisici come supernove, pianeti giganti e buchi neri.

La fusione è in un certo senso la reazione opposta alla reazione di fissione nucleare. In quest'ultima, da un nucleo pesante vengono creati nuclei con masse minori, e la somma delle masse prodotte è inferiore alla massa del nucleo pesante. Nel caso della fusione la massa del nucleo più pesante è inferiore alla somma delle masse iniziali dei nuclei più leggeri.

È facile vedere che per avviare tale reazione, le energie relative dei nuclei in collisione (ricordate, sono caricati positivamente!) devono essere abbastanza alte da superare la loro repulsione elettrica. Pertanto, per formare atomi di elio da, diciamo, la fusione di deuterio e trizio, il combustibile deve essere mantenuto a temperatura e pressione estremamente alte.

Nella reazione appena descritta viene prodotto un neutrone. Questo neutrone ha un'energia cinetica molto alta, che viene ceduta durante il processo di rallentamento. Questa energia può essere convertita in calore per produrre vapore, che a sua volta potrebbe muovere la turbina e azionare un generatore di elettricità. I neutroni prodotti in tali reazioni di fusione possono anche essere usati per la produzione di combustibile nucleare dall'uranio impoverito, cioè uranio contenente meno ²³⁵U dell'uranio naturale (0,72%).

Circa uno su ogni 6000 atomi di idrogeno intorno a noi (compreso l'idrogeno immagazzinato nell'acqua) è un atomo di deuterio. Questa abbondanza è un potente incentivo per progettare una qualche forma di installazione per la reazione di fusione – poiché questo darebbe effettivamente all'umanità una fornitura di energia per forse miliardi di anni!

A confronto: per produrre 1 GW-anno di energia elettrica, si ha bisogno di circa 35 tonnellate di UO₂ per la fissione, e di circa 100 kg di deuterio più 150 kg di trizio per la fusione. Un altro aspetto che rende la fusione attraente è la quasi completa assenza di qualsiasi sottoprodotto radioattivo. In particolare, dall'operazione di una centrale a fusione non risulterà alcun materiale che potrebbe essere usato per la produzione di armi nucleari. Inoltre, a differenza dei reattori nucleari che usano la fissione, un'esplosione di un'installazione è praticamente impossibile: se si verificasse un'esplosione, il plasma si espanderebbe e si raffredderebbe, il che fermerebbe implicitamente il processo di fusione.

Questo non significa che non ci siano pericoli connessi con i reattori a fusione. In particolare, bisogna tener presente la massiccia produzione di neutroni e di trizio radioattivo. Anche la presenza di sali di litio fusi e del cancerogeno berillio presenterebbe un problema.

Come nel caso dei reattori a fissione, nei reattori a fusione viene prodotta una notevole quantità di radiazioni ionizzanti (in particolare neutroni). Pertanto ci si aspetta che uno dei principali problemi sia la schermatura contro la radioattività indotta nell'intera installazione. Il pericolo associato a un possibile incidente del sistema magnetico, che immagazzina quantità estremamente alte di energia, deve essere considerato seriamente. Nel 1992 fu costituito un team chiamato European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP). Lo scopo del team è lavorare sulla progettazione di centrali a fusione, le loro condizioni di sicurezza e la valutazione del loro impatto sull'ambiente. Secondo le valutazioni di SEAFP, i principali vantaggi della fusione rispetto alle centrali nucleari a fissione consistono nel fatto che nel peggiore dei scenari, il rilascio di radiazioni non sarà mai a un livello che costringerebbe le persone ad evacuare. Inoltre, i materiali di scarto radioattivi prodotti nelle centrali a fusione decadono relativamente rapidamente e non richiedono isolamento dall'ambiente. Un problema particolare è connesso con il possibile rilascio di trizio radioattivo nell'ambiente. Questo gas radioattivo è altamente penetrante, si dissolve facilmente nell'acqua e può ancora essere pericoloso a lungo dopo la sua creazione (la vita media del trizio è di circa 12 anni).

Finora, tutte le promesse e le speranze per la produzione di energia si sono rivelate premature - solo non troppo tempo fa l'energia prodotta ha eguagliato l'energia fornita al sistema (per la prima volta nell'americano TFTR e nel giapponese JT60, e al Joint European Torus - JET). Le sfide principali sono: mantenere una configurazione stabile del plasma, trovare materiali in grado di resistere agli intensi flussi di neutroni prodotti, estrarre energia per scopi utili e produrre sensibilmente più energia di quella immessa.

Attualmente alla guida degli sforzi per commercializzare la potenza da fusione è ITER, che risale al 1985. Il progetto ha acquisito nuovo slancio dopo la fondazione dell'Organizzazione ITER nel 2007, con Cina, UE, India, Giappone, Corea del Sud, Russia e USA come membri. La macchina è in costruzione ora a Cadarache, in Francia, con l'obiettivo di raggiungere 500 MW di potenza e un fattore di guadagno di fusione Q=5-10 nell'arco temporale del progetto di 30 anni.

Posa delle fondamenta sotto il futuro Edificio Tokamak - Cadarache, febbraio 2014.

Purtroppo, l'energia termonucleare (come anche altre forme di energia) è già stata utilizzata per scopi militari nella cosiddetta bomba all'idrogeno.