Riscaldare il plasma prima di aumentarne la densità potrebbe permettere di raggiungere l’ignizione della fusione nucleare con un consumo di energia molto inferiore rispetto ad altri percorsi. A individuare questa possibilità sono stati tre fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), negli Stati Uniti, che hanno sviluppato un nuovo modello matematico per rendere più efficiente il processo che alimenta le stelle.
La ricerca, pubblicata il 10 settembre 2026 sulla rivista scientifica Physical Review Letters, porta le firme di Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono e Jonathan Menard. Il gruppo ha ampliato il celebre criterio di Lawson, utilizzato da oltre settant’anni per stabilire le condizioni necessarie alla fusione, individuando un percorso che potrebbe aiutare a progettare reattori più efficienti. E la differenza, secondo i calcoli, dipenderebbe anche dall’ordine in cui vengono compiute due operazioni fondamentali: riscaldare il combustibile e aumentarne la densità.
La strada più breve verso la fusione passa dalla sella di Cordey
Per spiegare il risultato, Delgado-Aparicio ha scelto un’immagine piuttosto semplice: una montagna. Immaginiamo di dover raggiungere un punto situato dall’altra parte di una vetta. Possiamo affrontare direttamente la salita, spendendo moltissime energie, oppure cercare un passaggio più basso che permetta di arrivare alla stessa destinazione. È questa seconda possibilità che i ricercatori hanno individuato nei loro calcoli.
Molti approcci alla fusione prevedono di aumentare prima la densità del plasma, cioè del gas estremamente caldo composto da particelle elettricamente cariche, e poi fornire l’energia necessaria per raggiungere temperature sufficientemente elevate. Il nuovo modello suggerisce di invertire la sequenza: prima riscaldare il plasma, poi aumentarne la densità.
In questo modo il percorso attraverserebbe una regione matematica chiamata “sella di Cordey”, il punto più basso di una sorta di cresta che separa le condizioni in cui il plasma ha ancora bisogno di riscaldamento esterno da quelle in cui può sostenere le reazioni di fusione grazie all’energia che produce.
Nel comunicato del Princeton Plasma Physics Laboratory, Delgado-Aparicio osserva che molte aziende stanno cercando di affrontare direttamente la montagna energetica. Aggirare la cima, secondo il fisico, permetterebbe di raggiungere la stessa destinazione utilizzando molta meno energia.
Il modello prende in considerazione anche il cosiddetto fattore Q, cioè il rapporto tra la potenza generata dalla fusione e quella fornita dall’esterno per riscaldare il plasma. Nel caso ideale, con un combustibile privo di impurità, la sella di Cordey si trova intorno a un valore Q pari a 5: la potenza prodotta dalle reazioni sarebbe quindi circa cinque volte quella impiegata per il riscaldamento del plasma.
Il criterio di Lawson si aggiorna dopo oltre settant’anni
Il criterio di Lawson risale agli anni Cinquanta e rappresenta uno dei riferimenti fondamentali della ricerca sulla fusione nucleare. Stabilisce quali condizioni di temperatura, densità e confinamento energetico debbano essere soddisfatte affinché le reazioni producano energia sufficiente a sostenere il processo.
Raggiungere quelle condizioni, però, è una sfida enorme. Il plasma deve arrivare a temperature di milioni di gradi, essere mantenuto confinato e conservare abbastanza energia da permettere ai nuclei atomici di fondersi. Per questo gli scienziati di Princeton hanno deciso di ampliare il modello tradizionale, integrando diversi fenomeni fisici che influenzano il comportamento del plasma nei reattori.
Tra questi c’è la cenere di elio, prodotta dalle reazioni di fusione, che può accumularsi e diluire il combustibile. Ci sono poi le impurità provenienti dalle pareti interne del reattore, le perdite di energia attraverso la radiazione di sincrotrone e il calore che tende a disperdersi quando la temperatura aumenta. Considerare contemporaneamente questi fattori permette di ottenere una rappresentazione più completa delle condizioni necessarie per raggiungere e mantenere l’ignizione.
È un risultato particolarmente interessante per i futuri tokamak e stellarator, due tipologie di dispositivi che utilizzano potenti campi magnetici per confinare il plasma senza farlo entrare direttamente in contatto con le pareti. Un modello più accurato può aiutare i progettisti a scegliere le condizioni operative e a individuare eventuali criticità prima della costruzione degli impianti. Un vantaggio tutt’altro che secondario, considerando i costi e la complessità di queste macchine.
Anche le perdite di energia possono aiutare a stabilizzare il plasma
Tra i risultati dello studio c’è anche un fenomeno che, almeno a prima vista, sembra contraddittorio. Le dispersioni di energia rendono più difficile raggiungere l’ignizione, perché sottraggono calore al plasma. Eppure, secondo il modello, possono contribuire a mantenere stabile la reazione una volta raggiunte le condizioni necessarie. I ricercatori hanno infatti individuato un meccanismo naturale di stabilizzazione termica legato proprio alle perdite di calore, alle impurità e alla radiazione di sincrotrone.
Quando la temperatura aumenta, questi fenomeni possono contrastare un’ulteriore crescita del calore, contribuendo a limitare la cosiddetta instabilità da fuga termica, nella quale l’energia prodotta dalle reazioni alimenta un aumento progressivo della temperatura. Una proprietà che potrebbe risultare preziosa per progettare reattori capaci di mantenere un plasma in combustione stabile e continuativa.
Il tungsteno è resistente, ma può complicare l’ignizione
Il nuovo modello permette anche di valutare meglio uno dei problemi più delicati nella progettazione dei reattori: la contaminazione del plasma da parte dei materiali utilizzati per le pareti interne. Molti impianti di nuova generazione prevedono l’impiego del tungsteno, un metallo particolarmente resistente alle elevate temperature e ai flussi di calore. Tuttavia, anche quantità minuscole di questo materiale possono influenzare sensibilmente le condizioni della fusione.
Secondo i calcoli del gruppo di Princeton, una contaminazione pari ad appena una particella di tungsteno ogni 10mila particelle del plasma può quasi raddoppiare la pressione necessaria per raggiungere l’ignizione nel modello bidimensionale. Estendendo l’analisi alla geometria tridimensionale di un reattore, l’aumento della pressione potrebbe superare i limiti di stabilità del plasma.
Per ridurre questi effetti, i ricercatori indicano alcune soluzioni già oggetto di studio, tra cui i rivestimenti di litio liquido. Questo materiale potrebbe limitare l’ingresso del tungsteno nel plasma e migliorare contemporaneamente la capacità di trattenere il calore. Un’altra possibilità riguarda i combustibili a spin polarizzato, nei quali l’orientamento dei nuclei viene controllato per aumentare la probabilità che avvengano le reazioni di fusione.
Cosa cambia per il futuro dell’energia da fusione nucleare
La fusione nucleare è studiata da decenni perché potrebbe offrire una fonte di elettricità a basse emissioni di gas serra, sfruttando reazioni simili a quelle che alimentano il Sole. A differenza della fissione utilizzata nelle centrali nucleari tradizionali, il processo unisce nuclei atomici leggeri, liberando energia. Uno degli ostacoli principali rimane proprio la quantità di energia necessaria per portare il plasma nelle condizioni richieste e mantenerlo confinato.
La strategia individuata dal Princeton Plasma Physics Laboratory offre quindi un nuovo strumento per affrontare questa difficoltà. Il suo interesse riguarda soprattutto la possibilità di ottimizzare il percorso verso l’ignizione, tenendo conto delle condizioni effettive del plasma e delle caratteristiche dei materiali utilizzati nei reattori.
Il lavoro è ancora nella fase teorica e il gruppo prevede di approfondire i risultati attraverso simulazioni numeriche dedicate alla strategia di riscaldamento iniziale. Le condizioni corrispondenti alla sella di Cordey dovranno poi essere studiate sperimentalmente.
Per Jonathan Menard, i risultati indicano una direzione promettente per le prossime ricerche. E potrebbero contribuire alle scelte progettuali delle future macchine per la fusione, dove anche il percorso seguito per raggiungere l’ignizione può fare una differenza enorme.
Sono decenni che si lavora per ottenere e mantenere le condizioni necessarie alla fusione ed ora i ricercatori hanno aggiunto una possibilità concreta da esplorare: scaldare prima il combustibile e aumentarne la densità soltanto dopo. Ora toccherà alle simulazioni verificare quanto sia percorribile questa strada.