Un nuovo modello matematico indica che, per avvicinarsi all’ignizione della fusione nucleare, potrebbe essere più efficace riscaldare prima il plasma e aumentarne poi la densità. Secondo i calcoli, questa strategia richiederebbe meno energia rispetto all’ordine inverso. La proposta è stata descritta da ricercatori della Princeton University in uno studio pubblicato su Physical Review Letters, ma non è stata verificata con esperimenti pratici.
Nel Sole, temperature e pressioni elevatissime fanno fondere i nuclei di idrogeno in nuclei di elio, liberando energia. Riprodurre sulla Terra queste reazioni potrebbe offrire una fonte abbondante di energia senza emissioni di carbonio, ma ottenere le condizioni necessarie in un reattore è difficile. L’ignizione è il punto in cui il plasma — il gas molto caldo in cui gli atomi sono separati in particelle cariche — riesce a mantenere il calore necessario grazie alle proprie reazioni di fusione.
Il gruppo ha esteso il criterio di Lawson, elaborato negli anni Cinquanta per definire le condizioni che un reattore deve soddisfare per raggiungere l’ignizione. Nei calcoli ha considerato insieme quattro fattori che possono influire sul comportamento del plasma: la cenere di elio, cioè il combustibile esausto prodotto dalla fusione; le impurità provenienti dalle pareti del reattore; le perdite di energia per radiazione di sincrotrone; e il calore che fuoriesce dal plasma. Questi effetti erano già stati studiati, ma non tutti contemporaneamente. Includerli, spiegano i ricercatori, permette di delineare un quadro più realistico della configurazione necessaria.
«Se si trascurano questi effetti, si conclude che il progetto funzionerà senza problemi», afferma Masayuki Ono. «Quando invece li si considera, il quadro cambia e la loro importanza diventa evidente».
I ricercatori hanno cercato quella che in matematica è chiamata «sella di Cordey»: il percorso verso l’ignizione che richiede meno energia. Per descrivere l’idea, il fisico Luis Delgado-Aparicio paragona l’ignizione a una valle oltre una catena montuosa: invece di scalare le montagne, si può aggirarle. «Molte aziende vogliono scalare la montagna di petto e spendono enormi quantità di energia per arrivarci», afferma. «Invece, si può aggirare la vetta. Si arriva allo stesso punto in modo molto più intelligente e consumando molta meno energia».
Tra le indicazioni emerse dai modelli c’è anche il possibile effetto del tungsteno: persino una quantità molto ridotta di questo metallo potrebbe ostacolare la fusione. Il tungsteno, resistente alle alte temperature, è previsto per le pareti di diversi reattori in progetto; sarà quindi importante proteggere il plasma dalle impurità che potrebbero raggiungerlo.
I calcoli individuano inoltre alcuni «freni» naturali alla fusione. Le perdite per irraggiamento e la dispersione di calore potrebbero contribuire a mantenere stabili le reazioni del plasma, ma allo stesso tempo rendere più difficile avviare l’ignizione.
«Con il passaggio della ricerca sulla fusione dagli esperimenti con plasma in combustione alla produzione di energia su scala di reattore, il quadro attuale offre una base tempestiva per valutare la possibilità di raggiungere l’ignizione, la stabilità e le prestazioni dei dispositivi di nuova generazione», scrivono i ricercatori nell’articolo.
Lo studio è basato su modelli e non comprende test o esperimenti. I risultati potrebbero aiutare a valutare i reattori a fusione attualmente in progettazione o proposti e, potenzialmente, a risparmiare tempo e denaro nel loro sviluppo. Non è però possibile stabilire quando questi impianti potranno diventare operativi, né se si riuscirà a raggiungere l’obiettivo.
«Servono ulteriori studi, ma questi risultati ci entusiasmano e indicano una direzione chiara per le ricerche future in questo campo», afferma il fisico Jonathan Menard.
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