Fusione nucleare
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La fusione è il processo nucleare che alimenta il sole e le stelle consistente nell'unione di due atomi a basso numero atomico in uno più pesante. In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito avrà massa totale minore della somma delle masse reagenti con conseguente liberazione di alta energia che conferisce al processo caratteristiche fortemente esotermiche.
Affinché avvenga una fusione tra due nuclei, questi devono essere sufficientemente vicini in modo da lasciare la forza nucleare forte predominare sulla repulsione coulombiana: ciò avviene a distanze molto piccole.
La fusione nucleare, nei processi terrestri, è usata in forma incontrollata per le bombe ad idrogeno, ed in forma controllata nei reattori a fusione.
Qualsiasi coppia di nuclei può essere forzata a fondere. Quando questo avviene il nucleo risultante ha solitamente troppi neutroni per essere stabile ed i neutroni in eccesso sono espulsi con notevole energia. I nuclei più leggeri, fondendo, producono più energia di quanta non sia servita per innescare la fusione rendendo la reazione esotermica e permettendole di auto-alimentarsi.
Nel caso opposto, nuclei pesanti con troppo pochi neutroni sono instabili e finiscono per dare origine al fenomeno di fissione nucleare: la scissione del nucleo. Al contrario della fusione, la fissione richiede talmente poca energia che avviene spontaneamente per nuclei sufficientemente pesanti. Questo non avviene invece per la fusione dove anche il nucleo di massa minore, l'idrogeno, richiede una quantità considerevole di energia per fondere.
L'energia totale contenuta in un nucleo, l'energia di legame, è notevolmente superiore all'energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ad esempio l'energia di ionizzazione ottenuta dall'aggiunta di un elettrone all'idrogeno è di 13.6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T mostrata in seguito è pari a 17 MeV (più di un milione di volte).
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[modifica] Requisiti perché la fusione abbia luogo
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Per approfondire, vedi la voce Criterio di Lawson. |
Ad opporsi alla reazione di fusione è principalmente la forza coulombiana repulsiva tra due nuclei, entrambi con carica positiva. Affinché avvenga una fusione tra due nuclei, questi devono essere sufficientemente vicini in maniera tale che la forza nucleare forte sia superiore alla repulsione coulombiana, ma ciò avviene a distanze molto piccole. L'intensità della repulsione tra due nuclei dipende dalla loro carica totale e, pertanto, dal numero di protoni che contengono. L'intensità della forza nucleare forte, invece, dipende dal numero di nucleoni. Dalla combinazione di questi fattori ne risulta un'energia limite che è minima per gli isotopi pesanti dell'idrogeno.
Il modo più semplice per fornire quest'energia consiste nell'aumentare la temperatura del sistema. La temperatura è infatti proporzionale all'energia cinetica media delle componenti elementari di una sostanza. A temperatura molto alta alcuni nuclei avranno energia cinetica sufficiente per innescare una reazione di fusione.
Una misura della probabilità di fusione è data dalla sezione d'urto che combina gli effetti della barriera di potenziale e della distribuzione di velocità dei nuclei in un'area efficace per le collisioni con conseguente fusione. Il numero di fusioni per unità di tempo e volume è dato dalla seguente equazione:
.
dove n1, n2 sono le densità dei nuclei reagenti, σ è la sezione d'urto, v è la velocità termica. La media 
è da intendersi effettuata su una distribuzione delle velocità delle particelle, per es. una distribuzione di Maxwell-Boltzmann. Si può vedere facilmente che la condizione che massimizza la frequenza di reazioni è n1 = n2 = n / 2 (dove n è la densità totale del sistema), in modo tale che:
.
L'aumento di una qualsiasi di queste tre quantità porta all'aumento della frequenza delle reazioni di fusione. Inoltre la sezione d'urto è a sua volta funzione dell'energia termica dei nuclei. La sezione d'urto passa da circa zero a temperatura ambiente fino a valori significativi quando l'energia termica è pari a 10-100 keV, ovvero a temperature superiori a 100.000.000 K. Essendo queste energie ben al di sopra dell'energia di ionizzazione, le reazioni di fusione avvengono in uno stato fisico di plasma.
Per una qualsiasi data quantità di combustibile (ovvero i reagenti), il tasso di fusione, f, è costante. Così la misura dell'energia netta reale che è liberata è una funzione della f (e, in alternativa, della temperatura), del numero di particelle presenti in un'area particolare (la sua densità) e del tempo che rimangono insieme (il tempo di confinamento). Questo fatto può essere ben quantificato utilizzando quello che è comunemente noto come prodotto triplo di fusione, nTτ o pτ dove p=nT.
Il rilascio di energia utile da una reazione può così avvenire ad un valore basso della f, e quindi a temperature più basse di 100 keV. Ad esempio, le condizioni affinché all'interno del Sole avvenga una fusione sono effettivamente povere e i nuclei danno luogo ad una reazione di fusione solo una volta ogni 1029 secondi. Comunque, il fatto che il Sole contenga al suo interno 1059 nuclei indica che il numero di reazioni è molto alto e quindi il Sole continuerà ancora a vivere per alcuni miliardi di anni, fino a che, giunto alla fine del proprio combustibile, non rilascerà una enorme quantità di energia.
Sulla Terra, dove il combustibile per la fusione è costoso ed abbiamo una quantità di massa significativamente inferiore rispetto al Sole, il tasso di fusione deve essere considerevolmente più grande e così le temperature molto più alte. Più alta la temperatura, più alta la pressione ed è più difficile confinare il plasma prodotto.
Per ogni particolare combustibile nucleare esiste un valore particolare di nTτ che risulterà in una liberazione di energia maggiore di quella necessaria per riscaldarlo fino a far avvenire la reazione stessa. Tale affermazione è nota come il criterio di Lawson. Per la reazione più semplice nel caso di combustibile deuterio-trizio risulta che nTτ è circa 1014 s/cm³, un valore che è risultato difficilissimo da raggiungere anche dopo 50 anni di tentativi.
Il criterio di Lawson definisce essenzialmente un valore minimo di energia che verrà prodotta dalla reazione di fusione, in genere chiamato punto di parità. Un altro livello energetico importante è il punto di innesco, dove il calore generato dalle reazioni è abbastanza grande da riscaldare il combustibile circostante per far fondere anche quello. I due numeri potrebbero sembrare gli stessi, ma il secondo tende ad essere considerevolmente più grande del primo, perché la maggior parte dell'energia tenderà ad "uscire" da ogni generatore di dimensione ragionevole. In una stella questo non è un problema, perché essa sarà abbastanza grande da intrappolare la grande maggioranza dell'energia, ma in un generatore posto sulla Terra è molto più difficile trattenere l'energia generata. Anche se un reattore non deve obbligatoriamente raggiungere il punto d'innesco per essere utile come generatore di energia, l'innesco rimane uno degli obiettivi principali della maggior parte delle ricerche.
[modifica] Reazioni di fusione
(D è il simbolo convenzionale per il deuterio, 2H, e T per il trizio, 3H)
La fusione è la fonte di energia del Sole e delle altre stelle, in cui il combustibile è confinato dalla forza della sua stessa gravità. Nelle stelle di massa inferiore o uguale a quella del Sole, prevale la reazione a catena protone-protone, in stelle di massa maggiore è invece predominante il ciclo CNO. Entrambe queste reazioni hanno temperature di soglia considerevolmente maggiori e pertanto velocità di reazione inferiori rispetto a quelle oggetto di studio sulla Terra.
Per la realizzazione di reattori a fusione, il primo problema è quello di individuare reazioni aventi una bassa energia di soglia. Questo significa un criterio di Lawson inferiore e quindi un minor sforzo iniziale. Il secondo problema è rappresentato dalla produzione di neutroni, difficili da gestire e controllare. Le reazioni che non liberano neutroni, dette pertanto aneutroniche, sono di grande interesse, ma anche quelle che liberano neutroni a bassa energia sono egualmente interessanti.
Reazioni a bassa energia di soglia:
reazione D-T (la soglia più bassa, ~50 keV)
- D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
reazione D-D (le due reazioni hanno la stessa probabilità di avvenire)
- D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV)
- D + D → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
reazione T-T
- T + T → 4He + 2 n (11.3 MeV)
Altre reazioni interessanti, per la maggior parte aneutroniche:
reazioni dell'3He
- 3He + 3He → 4He + 2 p
- D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
- T + 3He → 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (51%)
- T + 3He → 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43%)
- T + 3He → 5He (2.4 MeV) + p (11.9 MeV) (6%)
reazioni del 6Li
- p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV)
- D + 6Li → 2 4He (22.4 MeV)
- 3He + 6Li → 2 4He + p (16.9 MeV)
reazioni generatrici di trizio, usate nelle bombe a fusione "secca" ed alcuni progetti di reattore a fusione:
- n + 6Li → T + 4He
- n + 7Li → T + 4He + n
reazioni del 11B
- p + 11B → 3 4He (8.7 MeV)
Si noti che molte delle reazioni sono parte di processi a catena. per esempio, un reattore alimentato con T ed 3He produce del D che, se le energie in gioco lo consentono, può prendere parte alla reazione D + 3He.
Le due reazioni aneutroniche più studiate sono T + 3He e D + 6Li, quest'ultima è alla base delle bombe termonucleari a fusione. In ogni caso tutte queste reazioni, anche quelle aneutroniche, non avvengono in modo "pulito", bensì in contemporanea ad una serie di reazioni secondarie, di cui alcune di esse generano neutroni.
La reazione più studiata per uno sfruttamento pacifico è la reazione Deuterio-Trizio (D-T), che è quella a energia di attivazione più bassa: ciò permette di utilizzare dei reagenti a temperature nettamente più basse che nelle altre reazioni (tipicamente, a una temperatura di 20 keV, che è comunque una temperatura elevatissima, equivalente a circa 200 milioni di gradi). Lo svantaggio è la produzione di neutroni ad alte energie (14.1 MeV), che per esempio non possono essere confinati da un campo magnetico, necessitano di schermature apposite (cemento armato), e tendono ad attivare i materiali metallici nelle vicinanze. Questo è infatti il principale problema per un reattore a fusione, come ITER.
Ci sono studi che esplorano le possibilità di sfruttamento pacifico della reazione Deuterio-Deuterio (D-D), che al 50% dei casi produce neutroni con un'energia nettamente più bassa (2.5 MeV circa). L'energia di attivazione è però molto più elevata che nel caso D-T, per cui allo stato attuale delle ricerche la possibilità di usare praticamente questo tipo di reazione è abbastanza remota.
C'è da sottolinare infine che i requisiti che devono essere richiesti a un reattore a fusione (assenza di reazioni a catena, possibilmente basso flusso neutronico, bassa energia di attivazione) sono esattamente l'opposto di quello che si richiede a una bomba all'idrogeno. Nel caso della fusione nucleare quindi, la separazione fra ricerca civile e militare è stata più netta che nel caso della fissione nucleare.
[modifica] Confinamento del combustibile nucleare
[modifica] Confinamento gravitazionale
Ogni massa, ed energia in genere, crea una forza gravitazionale. Un modo per tenere assieme una massa di combustibile nucleare sufficientemente a lungo da produrre fusione è disporne in uno spazio una quantità sufficiente tale che sia la gravità creata dal combustibile stesso a trattenerlo ed a comprimerlo, come nelle stelle. Le stelle si autoregolano, dato che il calore generato dalle reazioni di fusione si oppone all'azione comprimente della gravità. Se la velocità delle reazioni di fusione cresce, la stella si espande e quindi le reazioni rallentano. Semplici calcoli matematici dimostrano che la massa di combustibile nucleare necessaria a creare una stella basata sulla reazione D-D è all'incirca una massa simile a quella della Luna.
[modifica] Confinamento inerziale
Il combustibile nucleare può essere compresso all'ignizione con un bombardamento di fotoni, di altre particelle o, naturalmente, tramite un'esplosione. Nel caso dell'esplosione, il tempo di confinamento risulterà essere abbastanza breve. Questo è il processo usato nella bomba all'idrogeno, in cui una potente esplosione provocata da una bomba a fissione nucleare comprime un piccolo cilindro di combustibile per fusione.
Nella bomba all'idrogeno, l'energia sviluppata da una testata nucleare a fissione viene utilizzata per comprimere il combustibile, solitamente un miscuglio di deuterio e trizio, fino alla temperatura di fusione. L'esplosione della bomba a fissione genera una serie di raggi X che creano un'onda termica che propagandosi nella testata comprime e riscalda il deuterio e il trizio generando la fusione nucleare.
Altre forme di confinamento inerziale sono state tentate per i reattori a fusione, incluso l'uso di grandi laser focalizzati su una piccola quantità di combustibile, o usando gli ioni del combustibile stesso accelerati verso una regione centrale, come nel fusore di Farnsworth-Hirsch.
[modifica] Confinamento magnetico
Un plasma è costituito da particelle cariche che possono quindi essere confinate da una appropriato campo magnetico. Molti campi magnetici possono essere impiegati per isolare un plasma in fusione, tuttavia il plasma interagisce con il campo magnetico influenzando l'efficienza del confinamento e riscaldando il sistema. Due sono le geometrie che ci sono rivelate interessanti per confinare plasmi per fusione: lo specchio magnetico ed il toro magnetico. Lo specchio magnetico è una configurazione "aperta", cioè non è chiusa su se stessa, mentre il toro (una figura geometrica a forma di "ciambella") è una configurazione chiusa su se stessa intorno a un buco centrale. Varianti del toro sono le configurazioni sferiche, in cui il buco al centro del toro è talmente piccolo, da scomparire totalmente.
Ognuno di questi sistemi di confinamento ha diverse realizzazioni che differiscono tra loro nell'enfatizzare l'efficienza del confinamento o nel semplificare i requisiti tecnici necessari per la realizzazione del campo magnetico. Storicamente, la ricerca sugli specchi magnetici e su altre configurazioni aperte (bottiglie magnetiche, "pinch" lineari , cuspidi, ottupoli, ecc.) ha avuto un grande sviluppo negli anni 1960-1970, ma poi è stata abbandonata per le inevitabili perdite di particelle agli estremi della configurazione. Invece, una variante dei sistemi toroidali, il tokamak, è risultato essere una soluzione inizialmente più facile di altre per un'implementazione da laboratorio. Ciò l'ha reso il sistema su cui la ricerca scientifica in questo settore ha mosso i suoi passi più significativi. Attualmente il più promettente esperimento in questo campo è il progetto ITER. Esistono comunque delle varianti di configurazioni toroidali, come lo stellarator e il Reversed-field pinch (RFP).
[modifica] La fusione come fonte di energia
Articolo su Wikinotizie: Riprodotta in laboratorio la fornace solare
Da molti anni viene profuso un notevole sforzo teorico e sperimentale per mettere a punto la fusione nucleare per generare elettricità e anche come sistema di propulsione per razzi ben più efficiente dei sistemi basati su reazioni chimiche o sulla reazione di fissione. Al momento, il progetto più avanzato per la realizzazione di energia elettrica da fusione è ITER (progetto internazionale cooperativo tra Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d'America e Corea del Sud)
[modifica] Bibliografia
- (EN) A. A. Harms et al. Principles of Fusion Energy. World Scientific Publishing, 2000. ISBN 9812380337
[modifica] Voci correlate
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