Fusione nucleare: prima scaldare il plasma, poi aggiungere combustibile

Tre fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), il laboratorio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti specializzato nella fusione nucleare, hanno pubblicato su Physical Review Letters un calcolo che modifica l’ordine delle operazioni per accendere un reattore. La proposta è semplice: prima si scalda il plasma, poi se ne aumenta la densità, cioè si aggiunge combustibile. Il comunicato del PPPL, diffuso il 5 ottobre 2026, precisa un aspetto che molti titoli non riportano: è uno studio teorico, basato su calcoli, perché oggi nessun esperimento raggiunge le temperature richieste dal metodo descritto.

Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono e Jonathan Menard hanno firmato la ricerca. Ai costruttori di reattori interessa soprattutto un altro dato: basta una parte di tungsteno su 10.000 nel plasma per raddoppiare circa la pressione necessaria all’accensione.

Cosa vuol dire accendere un plasma

Nella fusione due nuclei leggeri si uniscono e rilasciano energia. È il processo opposto alla fissione usata oggi nelle centrali, che invece divide nuclei pesanti come l’uranio. Le differenze sono spiegate nella nostra guida all’energia nucleare. Per fondere i nuclei occorre un gas molto caldo e carico elettricamente, chiamato plasma, che viene trattenuto da campi magnetici o compresso con laser.

L’accensione o ignizione avviene quando il plasma resta caldo autonomamente, sostenuto dall’energia delle proprie reazioni, senza riscaldamento esterno. I fisici usano da decenni il criterio di Lawson, un’equazione degli anni Cinquanta che collega densità, temperatura e tempo di confinamento del calore.

Il PPPL ha rivisto quel criterio inserendo quattro elementi che i calcoli più semplici ignorano:

• la cenere di elio, cioè l’elio prodotto dalle reazioni, che diluisce il combustibile;
• le impurità leggere e pesanti che si staccano dalle pareti interne della macchina;
• le perdite per radiazione di sincrotrone, l’energia emessa dagli elettroni che girano nel campo magnetico;
• il calore che sfugge dal plasma, che cresce con la temperatura.

Masayuki Ono lo ha detto così: lasciare fuori questi effetti può far sembrare che un progetto funzioni, mentre includerli «cambia il quadro».

La strada che aggira la montagna

Molti progetti seguono la procedura standard: prima aumentano la densità del plasma, poi inseriscono calore. I calcoli del PPPL suggeriscono l’opposto. Conviene prima riscaldare il plasma quando è ancora poco denso e solo successivamente aumentare la quantità di combustibile.

«Molte aziende vogliono scalare la montagna di petto e spendono un’enormità di energia per arrivarci», ha spiegato Delgado-Aparicio usando un paragone escursionistico. Esiste una cresta tra i plasmi che richiedono calore esterno e quelli che bruciano da soli. Il punto più basso della cresta è la sella di Cordey. Passare da lì costa meno energia rispetto alla vetta. «Meglio aggirare il picco», ha aggiunto. Così si arriva nello stesso posto in modo intelligente e con molta meno energia.

In un plasma ideale, composto solo da combustibile, la sella corrisponde al punto in cui la fusione restituisce circa cinque volte la potenza di riscaldamento fornita. Gli ingegneri lo chiamano Q, e qui Q vale circa 5. Nei reattori reali le impurità e i campi magnetici molto forti spostano la sella verso l’alto e aumentano il Q necessario.

Il problema del tungsteno

Qui il calcolo tocca un problema molto concreto. Oltre dodici macchine di nuova generazione impiegano il tungsteno per le pareti interne poiché resiste a temperature e flussi di particelle che altri materiali non sopportano. Anche ITER, il grande reattore sperimentale internazionale in costruzione in Francia, ha cambiato direzione: con il piano approvato nel 2024 la prima parete, quella a contatto diretto con il plasma, passa dal berillio al tungsteno.

Il calcolo del PPPL mostra gli svantaggi del tungsteno. Una sola parte su 10.000 nel plasma raddoppia all’incirca la pressione richiesta per l’accensione. L’analisi è ancora semplificata. Gli autori avvertono che, passando a tre dimensioni, la pressione necessaria può superare la soglia di stabilità del plasma.

Lo studio indica due rimedi da provare. Il primo consiste nel rivestire le pareti con litio liquido. Il PPPL studia questa soluzione da anni. Il litio impedisce al tungsteno di entrare nel plasma e aiuta a trattenere il calore. Il secondo rimedio prevede l’uso di un combustibile con nuclei polarizzati, che aumenta la frequenza delle reazioni. Le stesse perdite che rendono più difficile l’accensione frenano anche la “fuga termica”, cioè il surriscaldamento incontrollato, e possono contribuire a mantenere stabile un plasma che brucia.

A che punto è la fusione

L’accensione è già stata raggiunta, con una tecnica diversa. Il 5 dicembre 2022 la National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory, in California, ha ottenuto 3,15 megajoule di energia da fusione a fronte di 2,05 megajoule forniti dai laser al bersaglio di combustibile. Da quel momento il risultato è stato replicato più volte. Il 12 febbraio 2024 i 192 laser hanno fornito circa 2,2 megajoule e il bersaglio ne ha restituiti 5,2, il dato migliore dell’impianto (il primo traguardo è documentato in questo articolo). Il calcolo riguarda solo l’energia che colpisce il bersaglio, non quella consumata dall’intero impianto. Una centrale capace di produrre elettricità resta lontana.

I reattori a confinamento magnetico, i tokamak, richiedono tempi lunghi. Il nuovo calendario di ITER fissa l’avvio della ricerca nel 2034 e la piena energia magnetica nel 2036. Le prime operazioni con deuterio e trizio, il vero combustibile, slittano al 2039, quattro anni dopo il 2035 previsto prima. Il ritardo costa circa 5 miliardi di euro in più. Dei grandi magneti per la fusione che dovranno tenere fermo quel plasma avevamo scritto quando il primo uscì dalla fabbrica.

Cosa resta da dimostrare

Il percorso “prima il calore” esiste per ora solo nei calcoli. Il gruppo di Princeton passerà ora a simulazioni più complete per capire se l’idea funziona davvero. Jonathan Menard ha detto che i risultati indicano «una direzione chiara per la ricerca futura».

Lo studio non rende la fusione subito applicabile alla produzione di energia. Offre ai progettisti un criterio più concreto per valutare le loro macchine e un avvertimento preciso sui materiali delle pareti. Per reattori come ITER, che hanno da poco scelto il tungsteno, questa indicazione arriva prima dell’accensione del plasma.