Fusione nucleare
Principi teorici della fusione nucleare
Nella fusione nucleare si ha la trasformazione di atomi con nuclei leggeri in atomi con nuclei più pesanti con conseguente liberazione di energia nucleare.
La tipiche reazioni nucleari per il processo di fusione sono le seguenti:
2H + 2H → 3H + n0 + 3,3 MeV
2H + 3H → 4He + n0 + 17,6 MeV
in cui due atomi di deuterio danno luogo a tritio ed a un neutrone, e la seconda in cui un nucleo di deuterio ed un nucleo di tritio danno luogo ad un neutrone e ad un nucleo di elio. Entrambe le reazioni sono fortemente esotermiche. Il processo di fusione nucleare trasforma sostanzialmente il deuterio in elio.
Il deuterio è l'isotopo di massa 2 dell'idrogeno che si trova in natura con abbondanza di circa 150 ppm.
Questo nucleo si forma dall'idrogeno ordinario per cattura di un neutrone, mentre industrialmente viene ottenuto per separazione isotopica dell'idrogeno leggero.
Il tritio è l'isotopo di massa 3 dell'idrogeno, si forma dal deuterio per cattura neutronica. Bombardando il litio con neutroni si forma un nucleo di elio ed un nucleo di tritio.
Isotopi dell'idrogeno.
In base al coefficiente di conversione di Einstein (E = m · c2) ed alla differenza dei difetti di massa relativi al deuterio ed all'elio, si calcola che 1 g di deuterio possa produrre circa 180000 kWh quando si trasforma in elio.
Di conseguenza, sulla scala dei consumi umani, le masse d'acqua degli oceani possono costituire una riserva praticamente illimitata di energia.
Le suddette reazioni di fusione nucleare avvengono ad una temperatura di qualche decina di milioni di gradi, infatti le reazioni di fusione richiedono enormi energie di attivazione, per la repulsione elettrostatica tra i nuclei. Solo a temperature di qualche decina di milioni di gradi le forze repulsive tra i nuclei sono superate dall'energia cinetica dei nuclei stessi e possono avere luogo reazioni nucleari di fusione.
Il problema è che, a queste temperature, la materia è completamente ionizzata allo stato di plasma.
Una delle maniere più promettenti per innescare il processo di fusione è quello di dirigere un fascio laser sopra un ghiacciolo d'acqua pesante, cioè di un'acqua in cui, al posto di due atomi d'idrogeno, sono posti due atomi di deuterio.
In parecchie macchine sperimentali negli Stati Uniti, in Inghilterra e in Russia è stato innescato il processo di fusione che si è mantenuto per tempi brevissimi. La grande difficoltà che si riscontra nel rendere stabile il processo è quella di contenere in un volume ristretto la massa reagente del plasma ad una così alta temperatura.
Nelle stelle il contenimento è fatto dal campo gravitazionale; un corpo celeste diventa una stella quando la sua massa è sufficiente ad innescare (grazie all'aumento di temperatura dovuto al collasso gravitazionale della materia verso l'interno) il processo di fusione ed a contenere con la forza gravitazionale la materia reagente.
Nelle macchine attualmente allo studio il contenimento artificiale è tentato con l'impiego di campi magnetici che costringono le particelle elettricamente cariche del plasma a circuitare all'interno del reattore in orbite chiuse.
Plasma contenuto da un campo magnetico toroidale, generato da un avvolgimento elettrico esterno.
Il problema non è però ancora risolto né esiste un ben definito orientamento tecnologico che prometta il successo finale. Anzi, secondo il parere di alcuni, non è detto che la fusione controllata possa avere una soddisfacente soluzione a breve scadenza.
Vantaggi delle reazioni di fusione nucleare
Le reazioni di fusione degli isotopi dell'idrogeno presentano grossi vantaggi, non soltanto energetici, rispetto alle reazioni di fissione nucleare; il deuterio è disponibile in natura in quantità praticamente illimitata (come già detto può estrarsi dall'acqua) ed il tritio, che non esiste in natura, può ottenersi bombardando con neutroni gli isotopi del litio, anche questi largamente disponibili.
La fusione nucleare significherebbe la fine dei monopoli dei combustibili convenzionali e nucleari e metterebbe a disposizione dell'Uomo quantità praticamente illimitate di energia.
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