Tutti i pensierini.

Pensierino di Febbraio 2023:

Il nucleare che verrà

Il tema dell'energia è spesso alla ribalta delle cronache. Per ragioni diverse: più frequentemente per la sua pretesa o reale periodica scarsità, come avvenne per la crisi del petrolio del '73 (chi si ricorda le targhe alterne? e le domeniche di austerity?) o, di questi tempi, per la scarsità di gas dovuta alla guerra in Ucraina. Recentemente, nel dicembre 2022 si è parlato di energia anche per le bombastiche e discutibili notizie di enormi passi in avanti fatti nella ricerca del "Sacro Graal" della produzione energetica: l'energia da fusione nucleare. Quello dell'energia purtroppo è un tema in cui la fuffa politico/ideologica dell'informazione sensazionalistica fa spesso strame della ragione e della verità  scientifica. NdA: se per chi legge l'espressione "verità scientifica" non ha significato, il consiglio è smettere di leggere subito.

Anni fa un gruppo di ricercatori americani annunciarono a gran voce la scoperta della "fusione fredda", ricordate? Questa pretesa scoperta si rivelò in seguito una bufala. Un po' come il recente annuncio - ancora una volta americano, guardacaso - che si è rivelato una mezza bufala e su cui ritorneremo. E' per questo che provo a spiegare con parole semplici cosa ci sia dietro alla produzione di energia nucleare, e che cosa possiamo ragionevolmente aspettarci nel prossimo futuro.

Mi piace pensare che tutti possano leggere e capire quel che scrivo, perciò cercherò di porre le premesse per raggiungere anche chi è totalmente digiuno di alcuni concetti di base; gli altri mi perdoneranno. Strutturerò perciò questo ignobile trattatello in cinque parti, che elenco:

1. Inizierà con una premessa un pochino eccentrica, che tornerà utile verso la fine, quando cercheremo di capire come mai questo mitico obiettivo della energia da fusione nucleare sia sempre all'orizzonte, ma l'orizzonte sembri sempre più lontano.
   
   
2. Continuerà con la teoria scientifica della equivalenza materia-energia, con l'introduzione del concetto di energia nucleare, sperando di renderla comprensibile anche a chi non si sia mai soffermato sulla sbalorditiva formula di Einstein.
   
   
3. Proseguirà con due parole sulla differenza abissale che esiste tra l'energia da fusione nucleare (futura speranza!) e quella da fissione nucleare (vituperata ed esecrata realtà attuale).
   
   
4. Il quarto capitoletto sarà dedicato all'approfondimento del concetto di fusione nucleare, argomento per cui in definitiva ho scritto questo pensierino, e sul perchè non si possa ragionevolmente sperare che arrivi presto.
   
   
5. Si concluderà infine cercando di comunicare come sia fondamentale coltivare la ricerca ed investire nel campo della fusione nucleare, soluzione definitiva al problema dell'indipendenza energetica. Ammesso che la disponibilità illimitata di energia sia un bene, per l'uomo e per il pianeta che lo ospita come una delle tante creature viventi.
   

Esprimo qui anche la mia personale opinione su cosa ci aspetta per i prossimi decenni, in cui la fusione nucleare rimarrà ancora nei laboratori, a meno di un coup de théâtre reale e non farlocco come quello sbandierato nei giorni scorsi dai laboratori americani. Abbiamo secondo me di fronte tre alternative per migrare verso un futuro di energia pulita:

• Andare avanti facendo finta di niente, ed arrenderci definitivamente al disastro climatico, e perciò ambientale; oppure
  
  
• Tirare la cinghia in maniera disperata, riducendo drasticamente i consumi e puntando tutto sull'energia solare; oppure
  
  
• Approfittando della scoperta di Einstein, utilizzare l'energia da fissione nucleare, per quanto discutibile e discussa, come transizione verso una soluzione basata sulla fusione, nel 2100 e seguenti.
  

Indovinare quale sia la mia personale preferenza è facile ma non importante, spero invece di poter contribuire un pochinissimo a capire un po' di più dell'argomento, e a costruire una vostra opinione, almeno per chi riuscirà ad arrivare fino in fondo...

1 - Tecnica o tecnologia?

La differenza di significato tra questi due termini l'ho capita (o interiorizzata) solo recentemente. Il che dimostra, vista la ormai venerdanda età, che c'è sempre da imparare, se uno ne ha voglia. Voglio provare a spiegarla perchè sarà d'aiuto, sul finale, a capire perchè mai questa cavolo di energia nucleare "pulita" faccia così tanta fatica ad arrivare, e per quanto sempre all'orizzonte, questo orizzonte si avvicini molto, troppo lentamente...

La storia del progresso umano è cominciata con l'abilità e la conoscenza tecnica. La tecnica è la capacità  di osservare la realtà cercando di utilizzarla e riprodurla, tentando laddove possibile di migliorarla, senza porsi problemi di generalizzazione e di teoria. La storia del progresso umano è rimasta per centinaia di migliaia di anni una storia di progresso tecnico. Preciso che l'uso di utensili non è sufficiente per definire come "tecnica" un'attività. Ci sono animali in grado di utilizzare utensili: dai fringuelli che utilizzano stecchini per stanare i vermetti dal buco, alle scimmie in grado di manipolare mazze e pietre per procurarsi cibo.

La peculiarità dell'uomo rispetto all'uso di utensili fatto da altri animali superiori, è stata quella di cercare di migliorare ciò che la natura gli offriva, per usarlo a proprio vantaggio. Nessuna scimmia (che mi risulti) scheggia le pietre o modella bastoni o ne costruisce lance per aumentarne l'efficacia. Allo stesso modo, osservando probabimente il fatto che dei semi ricrescevano come piante laddove erano stati lasciati come provvista e cercando di riprodurre questo fatto, ha visto la luce l'agricoltura. Stessa cosa è successa col fuoco: l'osservazione di cosa succedeva alla carne quando veniva messa vicino al fuoco, vedere che le belve lo rifuggivano, constatare che un pezzo di legno infuocato poteva illuminare una grotta o accendere un altro fuoco hanno reso chiaro ai primi uomini quanto prezioso fosse questo elemento naturale, e li ha spinti a cercare di dominarlo, conservarlo e riprodurlo.

Il raffinamento successivo di osservazioni ed esperienze ripetute, senza conoscere nè ricercare le ragioni del perchè un fenomeno si produca o possa essere sfruttato è quello che si definisce "tecnica". E' tecnica ad esempio lo sfruttamento della forza motrice dell'acqua per muovere mulini, visto che l'esperienza ci dice che l'acqua dei fiumi può muovere le pietre. Altri esempi di tecnica sono l'utilizzo di sfere di vetro come strumenti di ingrandimento ottico e la polvere da sparo ottenuta mescolando ingredienti a caso con l'obiettivo di tramutare il ferro in oro.

In questi casi non c'è nè una conoscenza pregressa dei fenomeni, nè la ricerca delle ragioni per cui questi funzionino. L'uomo, per decine - forse centinaia - di migliaia di anni, ha utilizzato l'energia del fuoco e dell'acqua senza sapere cosa fosse l'energia, ma migliorando in maniera graduale lo sfruttamento delle forze della natura per le proprie esigenze. Chiariamo: tecnica non è sinonimo di elementarità, facilità o arretratezza: ci ha regalato le Piramidi, il Partenone, i canali fluviali e gli acquedotti per l'irrigazione, le navi a remi e a vela. Opere che resistono ai millenni e invenzioni utilizzate tuttora. La tecnica è semplicemente un modo di progredire per tentativi ed errori, metodo che l'uomo ha utilizzato per costruire il suo progresso fino a circa 400 anni fa.

Tutto è cambiato nel 1600, in Italia, grazie alla testa di un italiano (no, non sono un campanilista sciovinista). Galileo Galilei cambiò la storia dell'umanità tutta, non solo degli italiani, concetto che allora non esisteva, o degli europei o degli occidentali - qualsiasi cosa questo voglia dire - ma di tutta la specie umana. La costruzione del cannocchiale che ha poi consentito a Galileo di scrutare il cosmo e di convincersi della bontà delle teorie copernicane non è scaturita dalla giustapposizione casuale o "per tentativi" di due lenti una dietro l'altra. Lui sfruttò la teoria dell'ottica per prevedere che due lenti, fatte in un certo modo, e poste ad una certa distanza, avrebbero avuto l'effetto del cannocchiale. Poi, non essendo personalmente in grado di costruire lenti adatte ed un tubo ben fatto per fermarle e contenerle, chiese ausilio ai bravissimi tecnici del tempo, dando loro precise istruzioni su come forgiare quelle lenti, il tubo che le conteneva, e la corretta distanza nel tubo in cui inserire le lenti.

Galileo ha progettato il cannocchiale, laddove chi ha costruito il Partenone non lo aveva progettato, e se avesse messo architravi troppo pesanti o troppo poche colonne non avremmo un Partenone ancora in piedi. Il Partenone (così come la polvere da sparo) esiste in un cerso senso per caso, il cannocchiale no. Galileo, insieme al cannocchiale, ha "inventato" la tecnologia.

Questa è la differenza tra la tecnica (osservazione, tentativi, genialità, manualità, esperienza) e la tecnologia: conoscendo leggi generali che ritengo valide le applico, con l'ausilio della tecnica, per realizzare ciò che prima ho progettato. Se non si sono fatti errori nella formulazione o nell'applicazione delle leggi generali, quel che è stato progettato funzionerà. La tecnica è figlia dell'esperienza, la tecnologia lo è della scienza. Mettiamo da parte questi due concetti e andiamo avanti.

2 - Materia ed energia.

Per arrivare all'argomento principale: quello della generazione di energia con tecnologia nucleare. Possiamo a questo punto ben a ragione utilizzare la locuzione tecnologia nucleare. Non esisterebbe infatti energia nucleare, nel bene nè nel male, se non esistesse una teoria scientifica che la precede. Figlie della stessa teoria scientifica sono sia l'energia nucleare civile sia quella militare (le bombe, che sono state la sua prima applicazione): perchè la scienza o la tecnologia non sono mai nè buone nè cattive, questi sono aggettivi che riguardano solo la loro applicazione.

Le basi teoriche per la produzione di energia nucleare, sia essa esplosiva, come nel caso della bomba atomica e di quella all'idrogeno (o bomba H), sia essa imbrigliata per l'utilizzazione umana, erano state poste da Albert Einstein con la sua famosa equazione. Questa equazione, o equivalenza, è una delle più belle della storia della scienza, e mette in relazione la massa di un corpo (che in gergo comune si chiama peso(*)) e l'energia che quella stessa massa in sè contiene. Quello che è implicito nell'equivalenza è che in qualche modo massa (materia) ed energia sono due espressioni diverse della stessa realtà, e che possono essere convertite l'una nell'altra.

Ricordiamo che calore ed energia sono due termini equivalenti, e parliamo del fuoco, il modo più semplice che tutti conosciamo per generare calore e perciò energia. Se dite ad una qualsiasi persona che la materia può essere trasformata in calore, questa vi riderà dietro dicendo: certo, che banalità, io prendo un chilo di legna, la brucio, mi restano venti grammi di cenere, tutto il resto se ne è andato in calore. Ho trasformato la materia (la legna) in energia/calore; semplice, mica ci voleva Einstein?

Ma se andate a chiedere a un chimico cosa succede quando bruciamo un chilo di legna questo intanto vi dirà che non avete consumato solo legna, ma anche ossigeno dell'aria, e che se fate il conto del peso del materiale prima della combustione (legna più ossigeno) e di quello prodotto dopo la combustione (cenere, vapore acqueo, anidride carbonica, ossido di carbonio, fuliggine, fumo e altre schifezze varie) il peso totale è uguale a quello che avevate prima. O per lo meno nessuna bilancia sarebbe mai in grado di misurare la differenza di peso tra i materiali prima e dopo la combustione. Questo concorda con il buon senso comune della chimica/fisica classica che popolarmente sentenzia: "nulla si crea e nulla si distrugge!". Ma poi è arrivato Einstein, e da allora la fisica non è più solo quella classica.

Divaghiamo ancora un pochino per capire di cosa stiamo parlando: misure, energia, vita, un po' di tutto . Mentre se parliamo di lunghezza siamo tutti d'accordo che parliamo di metri o di kilometri, se si parla di energia, o di calore, ci sono varie unità di misura. Le più usate, in pratica, sono il Kilowattora e la Kilocaloria, l'una usata per misurare l'energia elettrica, l'altra per il calore. Per chi volesse tener dietro ai conti che faremo, sappia che un Kilowattora equivale a 860 Kilocalorie. Per ridurre tutto a unità di misura standard la misura dell'energia, o del calore, è il Joule, ma nessuno lo usa se non gli scienziati, quindi dimentichiamoci di averlo anche solo nominato.

Per dare un'idea di quanta energia consumi una persona, un uomo adulto medio consuma in un giorno, per tenersi in vita in una normale attività, circa 2500 Kcalorie, un po' meno di 3 KWh. Questo vuol dire che un uomo (o una donna, ma quelle consumano un po' di meno perchè il buon Dio si è impegnato di più e le ha rese più efficienti ) consuma un po' di più di una lampadina di vecchio tipo e un po' di meno di un televisore tenuto acceso. Per sopravvivere.

L'energia per sopravvivere l'uomo la ricava dal cibo, visto che per il momento non è possibile nutrirsi infilando due dita nella presa elettrica, come invece fanno molti degli apparecchi che utilizziamo. E se l'uomo mangiasse e basta, non ci sarebbe bisogno di energia elettrica, che infatti non c'era fino a 200 anni fa. Ma nel 2022, come probabilmente nel futuro, mangiare non ci basta, e anche solo per mangiare ci serve l'energia elettrica. Fondamentalmente utilizziamo energia in tre-quattro modi diversi: per sopravvivere (e la prendiamo dal cibo), per riscaldarci (prendendola principalmente dal gas e dal petrolio) per spostarci e spostare merci (principalmente dal petrolio). Per tutto il resto la prendiamo dall'elettricità, che proviene da un mix di fonti: gas, idroelettrico, eolico/solare, carbone, nucleare. Cito qui, giusto per dare un numero che ci ricorderemo più tardi, i numeri ufficiali, che dicono che l'Italia ha consumato nel 2021 300 miliardi di Kwh di energia elettrica; segnamocelo e andiamo avanti per tornare a bomba alla famosa...

...Equivalenza di Einstein, per il matematico una delle formule esteticamente più esaltanti della fisica, che come tutti sanno è la seguente:

A sinistra ci sta l'energia (o il calore) che una certa massa genera se convertita totalmente in energia. La cosa enorme e spaventosa è nascosta nella parte destra della formula, in cui c'è la velocità della luce, che oltre ad essere essa stessa estremamente grande è addirittura elevata al quadrato, e cioè moltiplicata per se stessa. La velocità della luce è di 300mila chilometri al secondo, cioè trecento milioni di metri al secondo. Se elevato al quadrato, questo numero da trecento milioni si trasforma in 90 milioni di miliardi (Zio paperone li chiamerebbe fantastilioni, ma lui era un riccastro e non un matematico).

Quindi, adesso che sappiamo che in una quantità piccola di massa (e quindi di materia) ci sta potenzialmente una quantità molto grande di energia, o di calore, proviamo a fare qualche esempio per capire meglio, perchè i numeri sono numeri e se uno non è proprio terrapiattista almeno a quelli ci dovrebbe credere.

Dunque, se uno trasforma un grammo di materia in energia genera 25 milioni di kilowattora, una quantità di energia elettrica che basta a soddisfare 5000 italiani per un anno! . E un grammo è proprio poco: pesa un grammo ad esempio uno spillo, o una mentina. L'umanità, per ora, per trasformare la materia in energia conosce solo tre modi: la combustione, che consiste nel bruciare legna, carbone, petrolio o gas, la fissione nucleare e la fusione nucleare.

Il primo modo ha un'efficienza estramemente bassa: bisogna bruciare sette tonnellate di legna per trasformare in energia un millesimo di grammo di materia. Bruciare legna, carbone, petrolio o gas è per questo una maniera molto inefficiente di trasformare la materia in energia.

Le reazioni nucleari (fusione e fissione, vedremo tra poco le differenze) riescono invece a "distruggere" molta più materia trasformandola in energia in un sol colpo. A questo si aggiunga il fatto che i combustibili tradizionali si stanno esaurendo piuttosto in fretta al ritmo con cui li stiamo consumando; quelli nucleari, come vedremo, sono invece abbondanti. Si capisce perciò bene perchè l'uomo si stia ostinando ad inseguire l'energia nucleare (sia essa ottenuta per fissione o per fusione) come maniera facile, economica ed efficiente per ricavare energia dalla materia.

3 -Fissione e fusione

La cosiddetta opinione pubblica - un modo diverso per dire la casalinga di Voghera - non sa che differenza ci sia tra una centrale idroelettrica, una eolica e una termoelettrica. Sa però, perchè inondata da messaggi mediatici che apprende ma non comprende, che le prime due sono fonti rinnovabili e perciò bbuono mentre la terza è fonte di problemi, e quindi nobbuono. Il problema principale dell'energia termoelettrica (nobbuono), prodotta bruciando combustibili fossili, per la maggior parte degli scienziati è il cambiamento climatico indotto dall'effetto serra. E comunque anche gli ormai pochissimi negazionisti del climate change riconoscono il problema di approvvigionamento di combustibili. Queste informazioni mediatiche, vengano esse da fonti più o meno controllate o dal vociare della marmaglia socialnetuorcara sono, pur nella loro vaghezza, sostanzialmente corrette. E quindi siamo tutti d'accordo nel dire che bisogna pensare ad un modo futuro di produrre energia diverso da quello attualmente preponderante, che prevede l'uso di combustibili fossili.

La stessa inondazione mediatica è molto meno precisa e razionale quando si parla di energia nucleare. Qui l'informazione scientificamente attenta si scontra con una storia recente molto travagliata e variamente interpretata, che lascia profonde impronte ideologico-emozionali nella testa della gente (si pensi a little boy o agli incidenti nucleari di Chernobyl e Fukushima). Ultimamente c'è un qualche sforzo combinato delle forze dell'informazione informata (scusate la tautologia apparente) per comunicare la sostanziale differenza tra energia da fissione e da fusione nucleare, e nel sottolineare i vantaggi evidenti della seconda rispetto alla prima. Si sta anche chiarendo il fatto che mentre la prima - la fissione - è una tecnologia esistente ed ampiamente impiegata nel mondo, la seconda - la fusione - è ancora in fase pre-sperimentale, e non ha un orizzonte realizzativo temporale prossimo. Diciamo che oggi nessuno dice che vedrà la luce prima della seconda metà del secolo, che già sarebbe da leccarsi i baffi.

Non entro nel dettaglio delle differenze teoriche e tecniche tra le due diverse tecnologie, ma sottolineo che non c'è assolutamente nulla che le accomuni, se non il vituperato attributo di nucleare ed il fatto che entrambe hanno visto la loro prima applicazione in un campo distruttivo come quello militare. Vediamo però quali sono le differenze pratiche tra le due, quelle che chiunque può comprendere, pur se immune da conoscenze specifiche di chimica e di fisica. La prima differenza è il combustibile, cioè il materiale che viene impiegato nella generazione di energia, l'equivalente del carbone e del gas nelle centrali termoelettriche.

Nel caso della fissione nucleare, la tecnologia esistente, si usa principalmente l'uranio, elemento che i chimici definiscono pesante perchè i suoi atomi sono molto "grossi". In questo caso il trucco per estrarre energia consiste nello spezzare questi atomi "grossi", generando atomi più leggeri (o "piccoli") un pò come lo spaccasassi trasforma un masso in tanti sassi più piccoli. L'uranio è presente in natura e, anche se non abbondante, non ha problemi di esaurimento scorte nel medio periodo (non come il petrolio, che costa sempre di più perchè ce n'è sempre di meno).

Nel caso della fusione nucleare, la tecnologia futura e sperimentale, la cosa va pure meglio: il combustibile è l'idrogeno, presente in natura in grande abbondanza, praticamente infinito per quanto riguarda la generazione di energia. L'idrogeno è l'elemento più leggero che esista: il suo atomo è in assoluto il più piccolo di tutti. In questo caso, essendo dalla parte opposta nella scala degli elementi (superpesante l'uranio, ultraleggero l'idrogeno) non si può certo frantumare un atomo che è il più piccolo che esista. Si ricorre perciò al trucco opposto: si prendono due atomi di idrogeno e li si "fondono" in un atomo più pesante (un atomo di elio): come prendere due palline di pongo e formarne una più grande. Nota: in realtà si utilizzano due isotopi dell'idrogeno, ma non c'è bisogno qui di entrare nel dettaglio, la sostanza non cambia.

Abbiamo chiarito perciò che dal punto di vista del combustibile le due tecnologie sono sostanzialmente equivalenti e risolvono il problema della sua disponibilità, scongiurando una sua futura scarsità, pur utilizzando due combustibili diversissimi tra loro. Vediamo invece quali sono i problemi che affliggono le due tecnologie. Voglio ripetere qui, perchè la gente fa confusione: La fissione nucleare è quella utilizzata oggi nei reattori nucleari esistenti, la fusione nucleare è una tecnologia sperimentale, e lo rimarrà per qualche tempo. Visto che ci siamo, chiariamo che l'unico problema dell'energia civile da fusione nucleare è che ancora non esiste, ed al perchè non esiste sarà dedicato l'ultimo capitolo prima delle conclusioni. Parliamo invece del problema della fissione nucleare.

Che è uno solo: le scorie radioattive. Non credete a chi vi dice che una centrale nucleare può esplodere come una bomba atomica: questo semplicemente è una balla, come chiunque ne sappia un ette di energia nucleare vi potrà confermare. Un disatro nucleare non potrebbe mai avere conseguenze catastrofiche come un'esplosione atomica. E tantomeno, come qualcuno vi dirà, scavare un buco fino all'altra parte della terra. . Nenche il più grande incidente mai successo, quello di Chernobyl, è lontanamente paragonabile ad una esplosione atomica. E comunque oggi non potrebbe mai succedere un incidente del genere perchè l'uomo, come abbiamo detto, impara dall'esperienza.

Il problema vero è che come un fuoco di legna produce fumo, che se bruciamo certe sostanze è pure puzzolente, bruciando uranio si produce una "puzza" molto dannosa e molto persistente, che rimane nell'aria, nell'acqua e nella terra per tempi molto lunghi: la radioattività. Quando sentite parlare di radioattività pensate alla puzza: vi aiuta a capire che essa, come la puzza, può essere più o meno potente e più o meno persistente. Grandi quantità di radioattività generano grandi problemi. E più la puzza è persistente più a lungo nel tempo continua a puzzare e generare problemi. La gestione delle scorie radioattive è un problema molto complesso, ma qui mi fermo: non è obiettivo di questo trattatello il convincervi che le centrali nucleari a fissione di nuova generazione affrontano e risolvono molti dei problemi della produzione di puzza nucleare, la letteratura in merito è ampia e non ha che da essere consultata da chi abbia interesse a farlo.

Dirò invece, come introduzione all'ultimo capitolo, che è corretta l'informazione che la maggioranza delle fonti di informazione tendono a sottolineare: l'energia nucleare da fusione non ha il problema della puzza nucleare, in quanto non genera scorie radioattive. Il prodotto della combustione è un gas inerte, innocuo ed abbondante in natura: l'elio, che non è radioattivo nè dannoso. A onor del vero questo non è purtroppo totalmente corretto, ma quasi... In realtà qualsiasi reazione nucleare è talmente potente che qualche particella troppo veloce da qualche parte ci scappa sempre... Diciamo però, continuando con il paragone olfattivo, che la puzza di una centrale a fusione è molto lieve, non necessita di maschere antigas nè antivirus come quella da fissione e non preoccupa neanche quei fissati dei no-nuke che, come si suol dire, hanno la puzza al naso...

Non a caso la fusione nucleare è vista dagli scienziati e dai tecnologi come il sacro Graal della generazione dell'energia: economica e senza problemi di gestione di prodotti di scarto.

4 - Ma allora perchè non c'è ancora? Quando arriverà?

Abbiamo detto che le basi teoriche per la fusione nucleare ci sono: le hanno date Einstein, Fermi e i suoi ragazzi di Via Panisperna. C'è anche la dimostrazione del funzionamento: mentre la bomba atomica (quella di Hiroshima) dimostrava la potenza della fissione nucleare su cui era basata, la bomba H, che ha distrutto interi atolli polinesiani nella sua sperimentazione degli anni '60, è una dimostrazione della potenza della fusione nucleare. Ma allora come mai l'energia della bomba atomica (fissione nucleare) è stata resa disponibile come energia elettrica in pochi anni, mentre quella della bomba H (fusione) la studiamo da oltre settant'anni e siamo ancora al pian dei babi (**)? Il problema purtroppo, secondo me, è più tecnico che tecnologico (ricordate la differenza tra tecnica e tecnologia? ). Vediamo di spiegare il perchè.

Per spaccare un atomo in due bisogna "sparargli" contro il nucleo dei proiettili che riescano a raggiungere il bersaglio e spezzarlo. Questa cosa si riesce a fare abbastanza facilmente, ed il bello di questo tipo di reazione è che si autorigenera: gli atomi spaccandosi generano altri proiettili che spaccano altri atomi, con una reazione a catena molto simile all'espandersi di un virus in una pandemia, come ho cercato di spiegare in un mio precedente pensierino.

Far fondere due atomi di idrogeno è molto più difficile, e per di più la reazione non è di per sè autorigenerante, e quindi una volta innescata non si riproduce a catena. Il problema è che due atomi di idrogeno non ne vogliono sapere di accoppiarsi, si trovano repellenti l'un l'altro, e tendono a respingersi con forza. Per costringerli a stare "vicini vicini" dobbiamo spremerli l'uno contro l'altro e/o scaldarli molto, perchè sono di loro natura un pochino frigidi.

Quando dico scaldarli molto intendo proprio molto moltissimo: la reazione di fusione più studiata è quella che avviene a temperature di circa 150 milioni di gradi. Noi non riusciamo neanche ad immaginare questa temperatura: per confronto consideriamo che la temperatura più alta generata in un altoforno per la produzione dell'acciaio è di circa 2000 gradi, e quella del nucleo del reattore nucleare di Chernobyl al culmine del cosidetto meltdown era di circa 3000 gradi.

Quindi, un primo problema è far raggiungere all'idrogeno questa temperatura impressionante. Questo, come vedremo, sembra difficile ma si riesce ad ottenere abbastanza facilmente, soprattutto se si vuole un'esplosione. Un po' più difficile è mantenere queste condizioni più a lungo nel tempo: l'esplosione di una bomba infatti non può essere utilizzata a fini civili. Per "addomesticare" la bomba atomica si è dovuto far in modo che la reazione a catena, invece che qualche millesimo di secondo, durasse a lungo e fosse meno distruttiva. Allo stesso modo, per ottenere energia civile dalla fusione è necessario rendere la reazione meno espolsiva e "farla durare" nel tempo per riuscire a sfruttarne l'energia. Il problema del riscaldare l'idrogeno fino a 150 milioni di gradi, pur se complicato, si riesce a risolvere; cercheremo di accennare molto brevemente al come più avanti. Ma c'è un problema anche più grave, che ancora non ha soluzione.

Il fatto è che ad una temperatura di molti milioni di gradi la materia come noi la conosciamo non esiste praticamente più ! Vediamo. Tutti sanno, perchè si studia alle elementari e perchè questo corrisponde alla nostra esperienza, che gli stati della materia sono tre: solido, liquido e gassoso o aeriforme (ma non spray! ). Quello che non tutti sanno è che c'è ancora un altro stato della materia, molto comune nell'universo ma quasi totalmente assente sulla superficie terrestre, che è lo stato di plasma. Il nostro sole, ad esempio, è una enorme palla di plasma. Anche un fulmine è fatto di plasma. Quando la temperatura è altissima (come nel plasma) gli atomi dei vari elementi si comportano in maniera molto diversa da quella che conosciamo: la coesione tra protoni e neutroni e la loro interazione con gli elettroni diventa caotica; parlare di materiali differenti all'interno del plasma è molto discutibile ed aleatorio.

Con quello che ho detto finora spero di aver chiarito che la reazione di fusione nucleare può avvenire solo se lo stato del combustibile è quello che c'è nel sole: nè liquido nè solido nè aeriforme, ma plasma.

E quindi, direte voi? E quindi c'è ad esempio il problema del dove far avvenire una reazione di fusione, visto che nessun recipiente del mondo potrebbe contenere del plasma, perchè diventerebbe plasma pure lui, volatilizzerebbe, sparirebbe. Il plasma è un minestrone di materia talmente caldo che nessuna pentola potrà mai contenerlo. Ma anche questo, come vedremo, si riesce a fare in qualche modo, e quindi neanche questo è il vero problema... . Il problema di fondo è che non conosciamo abbastanza bene il plasma della fusione nucleare. E' un animale selvatico che non siamo riusciti a domare, come abbiamo fatto invece con la reazione a catena della fissione.

I più attenti si staranno già chiedendo: ma allora la bomba H come hanno fatto a costruirla? Diciamo che non è stato troppo difficile. In questo caso infatti non c'era proprio bisogno di un contenitore, anzi il fatto che la bomba distruggesse il suo contenitore insieme ad un bel po' di roba intorno era proprio l'obiettivo. Quelli ancora più attenti penseranno: OK la bomba H non aveva bisogno di un contenitore, anzi era implicito che lo avrebbe distrutto liberando l'energia, ma come hanno fatto a costringere gli atomi di idrogeno a sposarsi? Chi li ha riscaldati e spremuti insieme così forte? Si sa, con le buone maniere si ottiene tutto, ma le cattive maniere a volte sono necessarie. Per avere pressione e calore necessari dentro la bomba H (a fusione) c'è voluta una bomba atomica (a fissione) .

Immaginate di avere un nocciolo di ciliegia ripieno degli atomi di idrogeno da far fondere. Adesso mettete il nocciolo di ciliegia all'interno di una pesca che è una bomba atomica. Poi fate esplodere la pesca atomica: immaginate cosa succede all'interno del nocciolo. No, anzi, non immaginatelo, non lo immagino neanch'io, ma quel che è certo è che la pressione e la temperatura generate all'interno del nocciolo all'idrogeno dall'esplosione atomica hanno convinto, con le cattive, gli atomi di idrogeno ad accoppiarsi, e l'orgasmo è stato ... esplosivo!

Torniamo a bomba dalla bomba alle centrali future. Abbiamo detto che bisogna fare tre cose: "accendere" il combustibile portandolo allo stato di plasma, far durare il plasma abbastanza da poterlo sfruttare e controllarne la combustione. Per far tutto questo dobbiamo pensare di confinare questo minestrone caldissimo, il plasma, dentro qualche recipiente, senza fargli toccare le pareti che ne sarebbero distrutte. Normalmente si pensa a questo plasma come ad un fluido, e così faremo anche noi. L'idea è questa: se il plasma non può toccare le pareti di nessun recipiente, non ci resta che farlo "galleggiare" nel vuoto. E per non farlo cadere utilizziamo dei campi magnetici. Molti di voi avranno visto quelle palline metalliche che galleggiano per aria sopra delle calamite che le respingono, il principio è proprio quello.

Qui però casca l'asino. Siccome il plasma è uno stato della materia praticamente sconosciuto, non sappiamo bene come si comporta. E studiarlo non è facile, perchè non possiamo andare sul sole a fare degli esperimenti . Se mettiamo una pallina su un piano inclinato possiamo predire il suo comportamento, lo facciamo da Galileo in poi. Ma di palline e piani inclinati a disposizione, per verificare le nostre ipotesi sul movimento dei solidi, ne abbiamo avuti molti, e la cosa non presentava particolari difficoltà. Parimenti avevamo abbondanza di recipienti e misuratori di pressione e di volume per verificare le ipotesi della legge di Boyle-Mariotte sulla espansione dei gas.

Ma come possiamo stabilire come si comporta il plasma se non possiamo andare sul sole a fare esperimenti, e con la difficoltà di manipolarlo che abbiamo sulla terra? Come facciamo a comprendere come confinare in un campo magnetico una palla o un torrente di plasma, fare delle ipotesi teoriche e verificarle sperimentalmente? E' un bel conquibus! Fortunatamente non siamo proprio a zero: ormai settanta anni fa è stata ideato un metodo che consente di fare esperimenti in un modo che funzionicchia abbastanza bene. Questo metodo ci consente di progredire nella ricerca teorica che condurrà, almeno si spera, ad una soluzione fattibile in qualche altra decina di anni.

Immaginate una ciambella di quelle che i bimbi usano al mare come salvagente, o la camera d'aria di uno pneumatico. Un anello cavo, insomma. Immaginatelo di metallo. Non a caso questa è proprio la configurazione dei grandi acceleratori di particelle, come i sincrotroni del CERN di Ginevra. Trasferire energia per mezzo di campi elettromagnetici all'interno di queste ciambelle è una cosa che sappiamo fare abbastanza bene (quasi come sparare proiettili sul nucleo di un atomo). Quindi, se immettiamo nella ciambella il combustibile e per mezzo di fortissimi campi elettromagnetici lo riscaldiamo a sufficienza riusciamo a "incendiarlo" fino a farlo diventare plasma. Altri campi magnetici (diversi da quelli usati per riscaldare il combustibile) agiscono come le calamite della pallina volante, e mantengono il plasma a galleggiare al centro dell'anello. Immaginate questo plasma che viene fatto girare, come un vorticoso torrentello infuocato, al centro dell'anello. I campi elettromagnetici intorno all'anello lo mantengono sospeso, in modo che non tocchi le pareti. Il nome di questo anello è Tokamak, un acronimo in lingua russa: la sua ideazione risale infatti agli anni 50 del secolo scorso, quando Stalin decise per primo di finanziare la ricerca sulla fusione nucleare.

Questo metodo di contenimento del plasma è detto in gergo confinamento magnetico, ed è studiato da decine di anni in tutto il mondo. Gruppi di scienziati e ricercatori, in diversi laboratori in giro per il pianeta, hanno realizzato piccoli tokamak sperimentali e li utilizzano per lo studio del comportamento del plasma. In questi laboratori si accendono questi minifulmini all'interno delle ciambelle, e variando i campi elettromagnetici, le dimensioni della ciambella, la quantità e qualità dell'idrogeno usato e altre variabili si cerca di ricavare i parametri e le equazioni del loro moto all'interno del toroide (questo è il nome esatto della ciambella ).

Quello che si riesce a fare ad oggi è accendere e mantenere attivo del plasma di idrogeno, confinandolo all'interno del tokamak per poche decine di secondi, che è comunque un'eternità se paragonato al tempo di un'esplosione atomica, che è dell'ordine dei millesimi di secondo. L'uso del tokamak consente lo studio del comportamento del plasma al variare dei campi elettromagnetici indotti, delle temperature e di molti altri parametri, troppi dei quali sono ancora indeterminati ed estremamente aleatori. Il plasma insomma non è più l'animale sconosciuto che era settant'anni fa, ma conserva ancora alcuni dei suoi segreti, e questo fatto ci impedisce di dominarlo e contenerlo a lungo e fargli fare quello che vorremmo. Un grosso problema, ad oggi, è anche il fatto che per tenere questo fulmine acceso così a lungo all'interno delle ciambelle si utilizza più energia di quella che si riesce a generare per mezzo della reazione di fusione indotta. Se non lo si alimenta di energia il fulmine non riesce a stare acceso, si spegne.

I tokamak, fino ad oggi, sono macchine che consumano più energia di quanta ne producano e fino a quando il rapporto tra energia prodotta ed energia immessa non sarà maggiore di uno la generazione di energia da fusione nucleare utile sarà una chimera. Questo è il problema... E spero di aver chiarito che questo problema deriva dal fatto che il controllo della fusione nucleare passa per una conoscenza del comportamento del plasma, conoscenza che ancora non possediamo completamente. Stiamo procedendo un po' a tentoni, per tentativi ed errori, brancoliamo ancora nella tecnica perchè l'incompletezza della conoscenza teorica ci impedisce di passare alla fase tecnologica . Riassumendo, i tokamak servono per lo studio e la sperimentazione, anche se si prevede che la generazione utile di energia da fusione sarà probabilmente in futuro basata sullo stesso tipo di configurazione (anche perchè non se ne conoscono altre... )

Su questo tema è attivo un progetto di realizzazione di un Tokamak molto grande, per la sperimentazione a livelli di produzione industriale della generazione di energia da fusione. Il progetto, cui partecipano 35 paesi del mondo, inclusi Unione Europea, Stati Uniti, Russia, Cina, India e Giappone, si chiama ITER. Il grande Tokamak di ITER è attualmente in costruzione in uno sperduto paesino nella campagna francese. Su di esso sono puntati gli occhi del mondo per la possibile realizzazione del sogno della fusione nucleare basata sul confinamento magnetico. Consiglio gli interessati a scorrere la pagina Wiki relativa al progetto, cliccando sul link.

Per completezza, e per mantenere le promesse fatte nell'introduzione, prima delle conclusioni cito anche il metodo alternativo, per il momento perseguito solo negli Stati Uniti, per la generazione di energia da fusione. Il metodo è basato sul cosiddetto "confinamento inerziale" del plasma, anche se vedremo che il confinamento in questo caso praticamente non esiste. Si tratta in tutto e per tutto di far esplodere una microscopica bomba H in cui ovviamente le condizioni per l'innesco non sono ottenute da una bomba atomica. Il ruolo che ha la bomba atomica nella bomba H viene svolto in questo caso da una batteria di potentissimi raggi laser che bombardano tutti insieme una piccola pallina di idrogeno contenuta in una scatoletta metallica, e fanno raggiungere all'idrogeno la pressione e il calore necessari per farlo fondere nuclearmente. Il risultato è una vera e propria piccola esplosione, che dura pochi millesimi di secondo, e che genera un impulso di energia non catastrofico grazie alla minuscola quantità di combustibile ed alle condizioni controllate dell'esperimento.

Questo metodo ha avuto un suo momento di celebrità il 13 dicembre scorso, quando è stato annunciato in pompa magna che per la prima volta si era ricavata da questa piccola esplosione nucleare una quantità di energia maggiore di quella che era stata necessaria per innescarla, cosa che nei tokamak non è mai riuscita. Se andiamo a vedere i dati dell'esperimento scopriamo che in realtà questa è una mezza bufala, e già che ci siamo diamo anche i numeri ufficiali per capire meglio che non stiamo parlando di una vera bomba, ma piuttosto di un petardo. L'energia fornita dai laser alla pallina di idrogeno per farla esplodere è stata di circa 0,6 KWh: l'energia consumata da mezz'ora di forno elettrico. L'esplosione ha fornito un'energia leggermente superiore: 0,9 Kwh. Peccato che il laser sia una macchina a rendimento molto basso, e quindi l'energia netta di 0,6 KWh del laser, che ha innescato la reazione, ha richiesto 83 KWh (quindi oltre cento volte tanto) di energia elettrica, per essere generata. L'energia utilizzata per l'esperimento, perciò, è stata molto superiore a quella ottenuta dalla fusione. A ben vedere quindi la pubblicità data al risultato sembra più un tentativo di ottenere ulteriori finanziamenti per le ricerche che un reale risultato eclatantemente positivo (almeno questa è l'opinione di buona parte della comunità scientifica di settore).

C'è da dire infine che gli esperimenti che utilizzano il confinamento inerziale, quello "all'americana", per chi avesse perso il filo, sono finanziati essenzialmente dall'establishment militare. Prevedere una loro ricaduta per usi civili è infatti molto difficile: immaginate il casino di dover far esplodere tante piccolissime bombe e raccogliere l'energia liberata per trasformarla in energia elettrica...

5 - Conclusioni

Il superamento dell'uso dei combustibili fossili per la generazione di energia ad uso civile è riconosciuto universalmente come necessario per immaginare il futuro dell'umanità. Sul modo percorribile e desiderabile per azzerare i combustibili fossili la comunità scientifica non è però unanime. Una parte di essa è convinta che si possa ritornare ad un idillio arcadico con la natura in cui sfruttiamo per vivere solo l'energia che ci proviene dal sole, come peraltro succedeva fino a 300 anni fa. Peccato che trecento anni fa la popolazione mondiale fosse meno di un decimo dell'attuale e le condizioni di vita fossero quelle che chi di voi conosce la storia riesce ad immaginare. Secondo me questa parte del mondo scientifico è ampiamente minoritaria, ma questa può essere un'opinione personale, fate le vostre ricerche e fatevi un'idea.

Una parte sostanziosa degli scienziati e degli studiosi di problemi energetici invece concorda che si debba pensare per il futuro ad una fonte di energia aggiuntiva a quella solare, alternativa a quella dei combustibili fossili. L'unica possibilità sembra ad oggi essere quella nucleare.

Come abbiamo visto, l'energia nucleare da fissione, utilizzata dal secondo dopoguerra ad oggi in molte parti del mondo, ha un problema piuttosto palese: quello della produzione di scorie radioattive, che la ricerca nel settore cerca di limitare e tamponare. L'energia da fusione nucleare promette invece una fonte di energia illimitata, economica e pulita. L'ipotesi di utilizzare energia da fusione nucleare non ha forti opposizioni dal mondo dell'ideologia ecologista, al contrario dell'energia nucleare da fissione, che è invece condannata "senza se e senza ma", come si suol dire in modo becero ed adeguato all'ala più oltranzista dell'ambiente ambientalista.

Le ricerche nel mondo per la generazione di energia da fusione seguono i due metodi molto diversi brevemente descritti sopra, di cui solo uno ha qualche speranza di ricaduta positiva sulla generazione di energia a scopi civili: il metodo del "confinamento magnetico" basato sui tokamak. Purtroppo mentre la comunità scientifica è convinta sia della percorribilità e bontà della soluzione, sia della sua fattibilità in futuro, problemi di ordine teorico e tecnologico, che ho cercato di spiegare, rendono praticamente impossibile disegnare un percorso certo che porti ad una data di industrializzazione almeno indicativa. Previsioni a tal proposito fatte in passato, e che avevano alimentato speranze e velleità, sono state sonoramente ed amaramente smentite dai fatti, ed oggi tutti sono molto più cauti nell'indicare date future. Non sembra comunque possibile intravedere soluzioni prima della seconda metà di questo secolo.

30-40 anni sembrano magari pochi, ma le recenti vicende di sconquassamenti mondiali rendono palese l'urgenza di trovare soluzioni solide e credibili molto rapidamente. Checchè i miei cinque lettori pensino dell'utilizzo del nucleare da fissione, almeno spero di aver chiarito che quello da fusione è e rimarrà almeno per qualche decennio un obiettivo sensato, da sostenere con convinzione, ma lontano nel tempo. Nel frattempo, a scanso di brutte sorprese, la mia personale opinione è che le paranoie sull'energia da fissione andrebbero seriamente riviste e corrette, e una fase di transizione con tecnologie nucleari di fissione di nuova generazione sarebbe da perseguire. Ma mi rendo conto che cambiare la mentalità e le credenze della gente cresciuta con il terrore del nucleare non è semplice, per cui arrendiamoci al fatto che probabilmente andremo incontro a tempi duri.

In ogni caso, auguri a ITER e agli scienziati e i ricercatori di tutti i paesi che ogni giorno lavorano nel mondo per imbrigliare finalmente l'energia da fusione nucleare, con una soluzione soddisfacente che accontenti tutti.

FG

(*) La massa è una misura della quantità di materia di un corpo, come tale invariante in tutto l'universo ed in qualsiasi situazione. Il peso invece dipende dalla forza di gravità e, come già ci insegnava Domenico Modugno, sulla Luna è la metà della metà Torna su.

(**) Espressione tipica piemontese, dove i "babi" sono i rospi. "Essere al pian dei babi", che evidentemente non eccellono in altezza, può voler dire avere il morale a terra, oppure, quando si cerca una soluzione, esserne molto distanti. In questo caso le accezioni sono valide entrambe Torna su

FG