Diagramma della reazione D-T

La fusione è il processo nucleare che alimenta il sole e le stelle consistente nell'unione di due atomi leggeri, isotopi di Idrogeno: Deuterio e Trizio in uno più pesante. In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito ha 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 che forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva quindi si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell'ordine di qualche femtometro (10^-15 metri). L'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita alle particelle portandole in condizioni di altissima pressione (altissima temperatura e/o altissima densità).

La fusione nucleare, nei processi terrestri, è usata in forma incontrollata per le bombe ad idrogeno, ed in forma controllata nei reattori a fusione termonucleare, ancora sperimentali.

L'energia potenziale totale di un nucleo 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 legame dell'elettrone al nucleo di idrogeno è di 13.6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T mostrata in seguito è pari a 17.5 MeV, cioè più di un milione di volte superiore. Con un grammo di deuterio e trizio si potrebbe produrre tanta energia quanta con 11 tonnellate di carbone.

Le tipologie di atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura ed in ingegneria, sono isotopi dell'atomo di idrogeno, caratterizzati da minimo numero atomico a cui corrisponde la minima energia di innesco. Tuttavia all'interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti, si ritiene fino all'ossigeno.

La fusione nucleare se controllata potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici sulla terra, perché potrebbe produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi o gas serra, e senza la produzione di scorie radioattive: la piccola quantità di radioattività residua interesserebbe solo alcuni componenti del reattore a fusione, peraltro facilmente rimpiazzabili; i tempi di dimezzamento della radioattività residua sarebbero però confrontabili con la vita media della centrale (decine d'anni). La quantità di deuterio e trizio ricavabile da tre bicchieri di acqua di mare e due sassi di medie dimensioni potrebbe supplire al consumo medio di energia di una famiglia di 4 persone. Purtroppo oggi non siamo ancora in grado di sfruttare la fusione nucleare per produrre energia in modo commerciale.

Reazioni di fusione

Sezioni d'urto medie (tasso di reazione) per le seguenti reazioni: Deuterio-Deuterio (D-D), Deuterio-Trizio (D-T), Deuterio-Elio (D-He³), Trizio-Trizio (T-T). La soglia per la reazione D-T è circa 50 keV, per la reazione D-He³ è circa 100 keV; per le reazioni D-D è di oltre 100 keV, e analogamente per T-T. Nel caso D-D, il tasso di reazione è cumulativo per entrambe le reazioni che coinvolgono il Deuterio.

(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 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 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 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.

La fusione come fonte di energia

• Articolo su Wikinotizie: Riprodotta in laboratorio la fornace solare

Negli ultimi sessant'anni è stato 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: un reattore a fusione termonucleare (tokamak). ITER è un progetto internazionale cooperativo tra Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d'America, Corea del Sud e India.

Per poter spingere a fondere atomi di idrogeno in maniera controllata all'interno di un reattore o, più in generale, di una camera, il combustibile deve essere innanzitutto confinato spazialmente attraverso opportune tecniche, al fine di conferire ad esso le caratteristiche fisiche ideali espresse nel criterio di Lawson.

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.

Confinamento magnetico

Un plasma è costituito da particelle cariche che possono quindi essere confinate da un 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 (che è caratterizzato dall'assenza di un circuito per generare una corrente nel plasma) e il Reversed-field pinch (RFP).

Bibliografia

• (EN) Peter Stott, Garry McCracken, The Energy of the Universe (Complementary Science Series), Academic Press (London), 2004. ISBN 012481851X

• (EN) A. A. Harms et al. Principles of Fusion Energy. World Scientific Publishing, 2000. ISBN 9812380337

• (EN) John Wesson, Tokamaks. Oxford University Press, USA; 3^rd edition, 768 pages (January 5, 2004). ISBN 0198509227

• (EN) Kenro Miyamoto, Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion. Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics, 1 edition, 371 pages (July 21, 2005). ISBN 3540242171

• (EN) Jeffrey P. Freidberg, Plasma Physics and Fusion Energy . Cambridge University Press; 1 edition, 690 pages (February 12, 2007). ISBN 0521851076

• Roberto Germano, "Fusione Fredda. Moderna Storia d'inquisizione e d'alchimia", Bibliopolis, Edizioni di Filosofia e Scienze

Voci correlate

• Tokamak
• ITER
• Criterio di Lawson
• Fisica del plasma
• Bomba all'idrogeno