Fusione nucleare: perché sulla Terra deve essere 10 volte più calda del Sole

Più calda del Sole e sempre a 30 anni di distanza

Sulla Terra, per la fusione, scaldiamo il combustibile a dieci volte la temperatura del centro del Sole. Il nucleo solare è a circa 15 milioni di gradi Celsius. Le più diffuse macchine a fusione terrestri scaldano il combustibile a circa 150 milioni di gradi Celsius. Perché ci serve più calore del Sole?

Una battuta tra gli scienziati: la fusione è sempre a 30 anni di distanza. Digita su Google "la fusione è sempre": compare "a 30 anni di distanza". La fusione nucleare fa brillare il Sole: nuclei leggeri si uniscono e liberano energia. Una centrale a fusione farebbe lo stesso sulla Terra, trasformando energia in elettricità.

Nel dicembre 2022, un laboratorio laser in California annunciò che un esperimento di fusione liberò più energia di quanta il laser trasmise al combustibile. I titoli mondiali lo chiamarono una svolta. Nel duemilaventisei la Cina costruisce una macchina che spera produca energia da fusione verso il duemilatrenta. Una startup USA ha un contratto per collegare una centrale a fusione alla rete entro fine 2028.

ITER, il più grande progetto di fusione terrestre, prevede di usare vero combustibile da fusione nel 2039. La fusione è quasi qui o mancano ancora 30 anni? La battuta è giusta? Quel calore la spiega? Se al Sole bastano quindici milioni di gradi, perché a noi servono centocinquanta milioni?

Al Sole bastano 15 milioni di °C

I nuclei atomici si respingono. Questo è il problema. Ogni nucleo ha carica positiva: cariche uguali si respingono. Per fondersi, due nuclei devono avvicinarsi nonostante la repulsione: il calore li avvicina e accelera. Per la fisica classica, i protoni del nucleo solare sono troppo lenti per avvicinarsi tanto.

Per quelle regole, il Sole non dovrebbe splendere. Lo salva l'effetto tunnel. Nel mondo atomico, una particella senza energia per superare una barriera può, con probabilità minima, comparire oltre. Come una palla che, troppo lenta per la cima, ogni tanto compare oltre.

Anche il primo passaggio della catena solare richiede un evento raro: uno dei protoni deve diventare neutrone al momento giusto. In media, un protone tipico del nucleo aspetta 10 miliardi di anni per fondersi. Come fa il Sole a brillare tanto? La gravità comprime il nucleo a circa 150 grammi per centimetro cubo.

Quasi otto volte più denso dell'oro. Il nucleo è enorme: anche reazioni rarissime avvengono moltissime volte al secondo. Un metro cubo del nucleo solare produce solo circa 250-300 watt di calore. È quanto un mucchio di letame uguale, meno di un corpo umano.

Il Sole non è feroce: è una fornace lenta, tenuta dalla gravità, con miliardi di anni. Sulla Terra mancano gravità schiacciante, nucleo stellare e miliardi di anni. Paghiamo con la temperatura.

Perché la Terra ha bisogno di 150 milioni di °C

Sulla Terra, la fusione più facile è tra due forme pesanti di idrogeno. Il deuterio è idrogeno con un neutrone in più, estraibile dall'acqua. Il trizio ha due neutroni in più ed è rarissimo al mondo. Fondendosi, formano un nucleo d'elio e un neutrone molto energetico.

Perché accada abbastanza spesso, il combustibile va scaldato a circa 150 milioni di gradi Celsius. A quel calore non resta gas ordinario. Gli elettroni lasciano gli atomi: elettroni liberi e nuclei carichi formano il plasma. Il plasma è in fulmini e insegne al neon, ma nella fusione è molto più caldo e l'idrogeno è ridotto a nuclei nudi.

Ma il calore non basta. Nel 1955 il fisico John Lawson definì ciò che serve perché la fusione liberi più energia del riscaldamento. La risposta moltiplica densità, temperatura e tempo di calore trattenuto dal combustibile. È il prodotto triplo: il minimo richiesto è il criterio di Lawson.

Un falò continua solo se è caldo, la legna è vicina e non perde calore troppo in fretta. Il CEA, agenzia atomica francese, indica per un tokamak la temperatura ottimale, una macchina a fusione a ciambella, fra centocinquanta e duecento milioni di gradi. Il plasma deve trattenere l'energia oltre un secondo.

Un secondo sembra poco, col combustibile 10 volte più caldo del nucleo solare. Nel maggio duemilaventicinque Wendelstein 7-X tedesco stabilì il record mondiale del prodotto triplo, trattenendo il plasma quarantatré secondi. Record così avvicinano al traguardo, ma non sono il traguardo.

Come si tengono sotto controllo 150 milioni di °C?

Come si trattiene qualcosa a centocinquanta milioni di gradi? Nessun materiale può toccarlo. La risposta della maggior parte dei laboratori: magneti. Il plasma è fatto di particelle cariche che seguono le linee magnetiche.

Un tokamak è una camera a vuoto a ciambella con potenti magneti che tengono il plasma lontano dalle pareti. Il nome russo abbrevia "camera toroidale con bobine magnetiche". Ma il plasma non sta fermo. Si attorciglia, si gonfia e fuoriesce, come gelatina in mano.

Vortici e oscillazioni improvvise, cioè turbolenza e instabilità, portano calore alle pareti. Nel 1982, ricercatori dell'ASDEX vicino a Monaco, Germania, trovarono uno stato che tratteneva molto meglio il calore: modalità ad alto confinamento, o H-mode. Ma l'H-mode porta impulsi al bordo: gli ELM, modi localizzati al bordo.

In ITER, potrebbero fondere parti della parete. Seconda via, senza magneti: un laser schiaccia una minuscola capsula, che brucia prima di disperdersi. È il confinamento inerziale, cui torneremo.

1968: la ciambella sovietica

Per anni, la fusione magnetica faticò. A Princeton, USA, gli stellarator, un tipo di macchina a fusione magnetica, non superarono circa un milione di gradi né trattennero calore per più di un millesimo di secondo. Nell'agosto 1968, scienziati della fusione mondiali si riunirono a Novosibirsk, in Siberia.

Una squadra sovietica guidata da Lev Artsimovich riferì che il tokamak T-3 superava 10 milioni di gradi. E tratteneva il calore per decine di millisecondi. Molti scienziati occidentali non ci credettero. ITER riferisce che Mel Gottlieb, capo del laboratorio di Princeton, disse ad Artsimovich: "Questo non è possibile!"

ITER chiama il risultato sovietico un colpo di tuono. In piena Guerra fredda, una squadra britannica andò a Mosca per misurarlo. La UK Atomic Energy Authority lo definisce "una violazione quasi senza precedenti della 'Cortina di ferro'." Una piccola squadra del Culham Laboratory inglese arrivò nella primavera 1969.

Portarono circa cinque tonnellate di apparecchiature, compreso il loro laser. Diffusione Thomson: un laser attraversa il plasma; la luce diffusa rivela la temperatura degli elettroni. All'inizio di agosto, avevano circa 88 scariche. Uno di loro, Mike Forrest, disse poi: "Eravamo un po' spaventati."

Le temperature misurate furono per lo più di 10 milioni di gradi. Pubblicarono su Nature nel millenovecentosessantanove. L'affermazione sovietica resse. Princeton trasformò uno stellarator in un tokamak e uguagliò il risultato sovietico circa sei mesi dopo.

Stati Uniti, Francia, Giappone e Germania passarono ai tokamak. La ciambella vinse: ITER è un tokamak. Con un progetto funzionante, crebbero l'ottimismo e i piani.

Da dove arrivano davvero i "30 anni"

Nel luglio 1976, l'agenzia USA ERDA, Energy Research and Development Administration, pubblicò un piano per la fusione. Un anno dopo, le attività dell'ERDA confluirono nel nuovo Department of Energy. Il piano dava cinque date, non una. Presentava cinque percorsi finanziari, Logic One-Logic Five, e quando ciascuno poteva portare a un reattore dimostrativo.

Un reattore dimostrativo, DEMO, segue gli esperimenti: mostra che la fusione può davvero produrre energia. In cima c'era Logic Five, "massimo sforzo efficace": "ogni richiesta ragionevole viene soddisfatta subito". Puntava a una centrale dimostrativa intorno al 1990. Logic Four, "accelerato", puntava all'inizio e alla metà degli anni 1990.

Logic Three, "aggressivo", era il piano di riferimento: reattore dimostrativo nel 1998. Il rapporto stimava quel percorso in quindici miliardi e mezzo di dollari del millenovecentosettantotto, dal millenovecentosettantotto all'avvio del reattore dimostrativo. La spesa annua sarebbe salita da circa centosessanta milioni nel millenovecentosettantasei a circa un miliardo l'anno entro metà anni Novanta. Logic Two, "espansione moderata", prevedeva un reattore dimostrativo operativo nei primi anni del XXI secolo.

Logic One: ricerca fissa, "per sviluppare la comprensione di base". Per quel percorso, il rapporto non dava alcuna data. Diceva: "A questo ritmo, forse non si costruirà mai un sistema pratico di energia da fusione." Il piano del millenovecentosettantasei non era una previsione: associava una data a ogni prezzo.

Il Congresso scelse almeno sulla carta il percorso più rapido. Nell'ottobre 1980, il Magnetic Fusion Energy Engineering Act fissò l'obiettivo di una centrale dimostrativa entro fine secolo. Dean lo chiamò poi uno sforzo da 20 miliardi di dollari in 20 anni. Ma Stephen Dean, nella storia del 2004 del programma USA, scrive: "Le disposizioni dell'Act non furono mai attuate."

Dean descrive un programma "in declino dal 1980". A metà anni Novanta, fu tagliato di nuovo: da trecentosessantacinque milioni nel millenovecentonovantacinque a duecentoventicinque nel millenovecentonovantasette, in dollari dell'epoca. Nel grafico di Dean, negli stessi dollari 1978, il piano prevedeva circa un miliardo l'anno a metà anni 1990, mentre il bilancio reale era sotto un quinto. Forse avete visto online il grafico del 1976, con i bilanci reali e una linea "fusione mai".

La scritta non è nell'originale: il rapporto dice solo che Logic One poteva non portare a un sistema energetico. Ecco il grafico, ridisegnato dalle tabelle del rapporto. Il grafico popolare coglie un punto: nella figura originale, il bilancio operativo di Logic One è circa 200 milioni l'anno; dalla fine anni 1980, Dean pone sotto quella linea l'intero bilancio reale della fusione magnetica.

Le date del piano 1976 avevano un conto, mai pagato interamente. Neppure il "sempre trent'anni" è del tutto giusto. Nel 2023, tre ricercatori giapponesi raccolsero 45 previsioni pubblicate, dal 1985 al 2022, e vi adattarono una linea di tendenza. Secondo questa tendenza, trent'anni fa la fusione era a diciannove virgola tre anni, vent'anni fa a ventotto virgola tre e dieci anni fa a ventisette virgola otto.

Nel 2022, la tendenza la collocava a 17,8 anni. La cifra cambia, ma non è ancora zero. Ma il denaro è solo parte della storia: anche macchine ben finanziate hanno scoperto quanto sia difficile.

I record: dal JET al NIF

Il tokamak europeo di punta, JET, Joint European Torus, era a Culham, Inghilterra. Nel millenovecentonovantuno JET usò per la prima volta deuterio e trizio e produsse uno virgola otto megawatt da fusione. Nel millenovecentonovantasette raggiunse per un istante sedici megawatt e, in una scarica separata più lunga, liberò circa ventidue megajoule. Un megajoule equivale circa a diciassette minuti di microonde da mille watt.

Nel dicembre 2021, JET produsse 59 megajoule in un impulso di cinque secondi. Anche allora, la potenza da fusione era circa un terzo di quella di riscaldamento immessa. Negli ultimi esperimenti del duemilaventitré, JET stabilì un record: sessantanove megajoule in circa cinque secondi da zero virgola ventuno milligrammi di combustibile. A fine 2023 fu spento definitivamente.

Il laser è arrivato più lontano. Il NIF, National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory in California, usa un enorme laser contro una minuscola capsula di combustibile. Il cinque dicembre duemilaventidue, il laser consegnò due virgola zero cinque megajoule al bersaglio e la fusione ne produsse tre virgola quindici. Per il laboratorio, è ignizione quando la fusione produce più energia di quanta ne consegni il laser al bersaglio.

Non fu un caso isolato. Nell'aprile duemilaventicinque NIF ottenne otto virgola sei megajoule da due virgola zero otto di luce laser, con guadagno circa quattro. A ottobre 2026 aveva raggiunto l'ignizione undici volte; la scarica di aprile restava il record. Arrivò tardi: NIF puntava all'ignizione entro fine 2012.

A fine campagna, settembre 2012, era ancora a circa un decimo dell'obiettivo. L'ignizione arrivò dieci anni tardi, ma arrivò.

L'accensione non è produzione di elettricità

La fusione produsse finalmente più energia di quanta usò? Non proprio. Nel 2022, la direttrice disse che il laser prende circa 300 megajoule dalla rete per produrre 2 megajoule di luce laser. Circa cento volte più dei tre virgola quindici megajoule prodotti dalla fusione. Pensatela come tre gradini.

Primo: guadagno scientifico, energia da fusione divisa per energia consegnata al combustibile; per NIF, luce laser al bersaglio. Sopra uno, il bersaglio restituisce più di quanto ha ricevuto. NIF ha superato il primo gradino: guadagno massimo circa quattro. Le macchine magnetiche no: JET fece circa zero virgola sei per un istante nel millenovecentonovantasette; il record duemilaventuno circa un terzo in media.

Secondo: guadagno ingegneristico, elettricità inviata da un'intera centrale divisa per quella consumata. Laser o magneti, pompe, raffreddamento, tutto incluso. Contando l'energia presa dalla rete, i tre virgola quindici megajoule di fusione erano circa l'uno per cento dei trecento megajoule usati dal laser. Nessuna macchina a fusione ha raggiunto uno su questo gradino.

Terzo: vendere elettricità alla rete ogni giorno. Nessuno ci è ancora arrivato. Anche ITER è una macchina del primo gradino. È progettato per 500 megawatt da fusione con 50 megawatt di riscaldamento: guadagno 10. ITER dice: "non convertirà in elettricità la potenza termica che produce".

Anche il lessico cambia: Helion ora dice che il termine "elettricità netta", che aveva usato in un titolo, "non era ben definito nel settore della fusione". Un titolo dice "energia netta"? Chiedete: netta rispetto a cosa? Anche Kim Budil, direttrice allora di Lawrence Livermore, fu prudente nel 2022.

Alla domanda su quando arrivasse una centrale, disse "probabilmente decenni", poi: "non 6 decenni, non credo. E neppure 5 decenni, credo, come dicevamo prima". Con sforzo e investimenti coordinati, disse, "qualche decennio di ricerca sulle tecnologie di base potrebbe metterci in condizione di costruire una centrale".

Qualche decennio. Di nuovo, la battuta.

Il combustibile e la parete

Anche quando il plasma dà più energia del riscaldamento, restano combustibile e parete. Si dice che il combustibile di fusione venga dall'acqua di mare. Sì, per il deuterio e il litio, materia prima del trizio. Ma il trizio è radioattivo: dodici virgola tre anni di emivita.

Dopo dodici anni sparisce circa metà della scorta: non si conserva a lungo. ITER stima il trizio mondiale in "qualche decina di chilogrammi". L'unica fonte disponibile è un reattore CANDU a fissione. ITER dice che sarà "di gran lunga il più grande consumatore di trizio di sempre".

Un articolo ITER del 2008 stimava che una centrale bruciasse 56 chilogrammi annui di trizio per gigawatt di calore da fusione. Una centrale da un gigawatt di calore da fusione brucerebbe in un anno circa quanto tutto il trizio mondiale. Il piano è che ogni centrale lo produca. I neutroni colpirebbero il litio in uno strato attorno al plasma, il breeding blanket, trasformandolo in trizio ed elio.

ITER testerà solo piccoli moduli di blanket. Nessuno ha mostrato su scala completa che una centrale produca tutto il trizio bruciato. Il secondo problema è la parete. I neutroni energetici della fusione danneggiano lentamente i materiali attorno al plasma e li rendono radioattivi.

Per testare materiali in quelle condizioni, l'Europa costruisce IFMIF-DONES a Granada, in Spagna. Nel 2023 era in costruzione, con durata prevista di circa dieci anni. Nell'ottobre 2025, il Dipartimento dell'Energia USA pubblicò una roadmap con lacune da colmare: materiali, ciclo del combustibile e mantelli fertilizzanti. Punta all'energia da fusione in rete entro metà anni 2030, ma non vincola il dipartimento a finanziarla.

Non conta se la fusione funziona, ma se una centrale regge per anni.

La corsa del 2026

Ora arrivano fondi privati: nell'anno fino a luglio duemilaventisei, le aziende della fusione raccolsero il record di quattro miliardi e mezzo di dollari, secondo l'associazione. Nel gennaio 2025, EAST cinese mantenne un plasma ad alto confinamento a 100 milioni di gradi per 1.066 secondi, circa 18 minuti. Poche settimane dopo, WEST francese mantenne un plasma più freddo per 1.337 secondi, circa 22 minuti. Sono record di durata del plasma, non di energia prodotta.

A Hefei, in Cina, si costruisce il tokamak BEST. A ottobre 2026, la televisione di Stato cinese riferì oltre metà dell'assemblaggio completata, con fine prevista nel 2027. Mira a produrre energia da fusione deuterio-trizio intorno al 2030. L'Accademia Cinese delle Scienze chiama l'obiettivo "la prima produzione mondiale di elettricità da fusione".

Nel luglio 2025, l'azienda nucleare statale cinese creò a Shanghai una società di fusione, con capitale sociale di quindici miliardi di yuan, circa due miliardi e cento milioni di dollari USA. CSIS, think tank statunitense, cita una stima: dal 2023 al 2025 la Cina investì almeno 6,5 miliardi di dollari pubblici nella fusione. Negli stessi anni, il programma di fusione del Dipartimento dell'Energia USA ricevette circa 2,3 miliardi.

È una stima esterna: la Cina non ha pubblicato un totale ufficiale. Anche ITER avanza. Il 2 ottobre 2026, l'ultimo dei nove settori della camera a vuoto ITER arrivò sul sito: cinque europei, quattro sudcoreani. A luglio 2026, sei dei nove moduli erano nella fossa del tokamak: per ITER, "due terzi della camera del plasma sono ora in posizione".

Nel 2024, però, ITER rinviò il calendario. Prima: primo plasma nel 2025. Ora, ricerca dal 2034 e combustibile deuterio-trizio dal 2039. Il direttore generale stimò in circa 5 miliardi di euro il costo extra del ritardo; Physics World valuta il totale in "decine di miliardi di euro". Anche le aziende private sono in gara.

A Devens, Massachusetts, Commonwealth Fusion Systems assembla il tokamak compatto SPARC. Mira a produrre più energia di fusione di quanta ne serva, nel 2027 secondo l'azienda. Nel giugno duemilaventicinque, Google accettò di comprare duecento megawatt dalla prima centrale dell'azienda, chiamata ARC, che dovrebbe essere in rete in Virginia nei primi anni 2030.

Helion, nello Stato di Washington, ha un progetto diverso. A febbraio 2026 disse che il prototipo aveva raggiunto 150 milioni di gradi nel plasma e prodotto fusione deuterio-trizio misurabile. Il contratto Microsoft prevede la prima centrale in rete e operativa entro fine 2028. Nel dicembre 2025, TAE Technologies accettò di fondersi con Trump Media, in un accordo azionario da oltre 6 miliardi di dollari.

A ottobre 2026 l'accordo non era concluso; le aziende puntavano a chiuderlo entro fine anno. A inizio 2024, KSTAR sudcoreano mantenne ioni a 100 milioni di gradi per 48 secondi. Si puntava a 300 secondi entro il 2026. Nel 2026, la stampa coreana lo collocò a metà degli anni 2030.

Torniamo alla domanda: perché le date slittano ancora?

Perché le date continuano a slittare

NIF: ignizione prevista per il 2012, raggiunta nel 2022. ITER: primo plasma previsto per il 2025, operazione di ricerca ora prevista nel 2034. SPARC: nel 2018 MIT e Commonwealth Fusion Systems puntavano a una centrale pilota funzionante entro 15 anni; oggi SPARC è ancora in assemblaggio, con test nel 2027.

Helion: il sito prevedeva elettricità entro il 2028. Nel 2026: "avviare le prime operazioni nel 2028". Alla conferenza del 2026, la direttrice degli affari pubblici disse: "In nessun universo avremo 50 megawatt a pieno regime nel 2028". Piena potenza nel 2029 o 2030, disse. Perché ognuna è la prima del suo genere.

All'ITER, un modulo è sul "percorso critico": se ritarda, ritarda tutto il resto. Alcuni effetti fisici emergono solo con la macchina costruita e accesa. Pietro Barabaschi, direttore generale dell'ITER: "La fusione dovrebbe essere considerata un programma di innovazione". L'innovazione non segue un orario ferroviario.

Nel millenovecentosettantasei le date presupponevano fondi che non arrivarono.

La fusione arriverà quando ne avremo bisogno?

La battuta è giusta? Metà no: nel 1976 ogni data aveva un prezzo; il percorso più lento e meno finanziato diceva che l'energia da fusione poteva non essere costruita. Le previsioni non sempre dicevano trent'anni. L'altra metà sì: la fusione è davvero difficile, dieci volte più calda del nucleo del Sole, con combustibile da produrre e pareti da far resistere.

A Lev Artsimovich, capo del T-3, si attribuisce: la fusione arriverà quando l'umanità ne avrà davvero bisogno. Nel 1976 il bisogno era sulla carta, ma non i soldi. Nel 2026 governi e aziende tecnologiche investono miliardi. Restano il combustibile, i materiali e la conversione del calore della fusione in elettricità vendibile.

10 o 30 anni? Le date sono agli atti, potrete verificarlo. Il Sole fonde lentamente da miliardi di anni. Sulla Terra proviamo a farlo 10 volte più caldo, con una scadenza.