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
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
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ISBN 3540242171
- (EN)
Jeffrey P. Freidberg, Plasma Physics and Fusion Energy . Cambridge
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ISBN 0521851076
- Roberto Germano, "Fusione Fredda. Moderna Storia d'inquisizione e
d'alchimia", Bibliopolis, Edizioni di Filosofia e Scienze
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Archivio Rischio Nucleare
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