La fusione nucleare
La fusione nucleare è il processo fisico in cui due nuclei atomici si fondono e si uniscono tra loro. E' il principio alla base dell'energia erogata dalle stelle.
E' il processo inverso della fissione nucleare.
Come funziona la fusione nucleare
La fusione si ottiene tra due atomi leggeri, con massa e numero atomico molto basso. Ad esempio, l'idrogeno ( H ).
Nota. Il nucleo di un atomo di idrogeno è composto soltanto da un protone. Ha un numero atomico ( Z ) pari a uno. La massa varia a seconda degli isotopi. Nelle stelle abbonda il prozio che ha solo un protone e non ha neutroni. Il deuterio, invece, è un isotopo con un protone e un neutrone, quindi una massa atomica pari a due. Il trizio ha un protone e due neutroni.
Quando due atomi di idrogeno sono molto vicini tra loro, i loro nuclei si uniscono per formare un nucleo atomico superiore, più pesante, di un altro elemento chimico.
In quali circostanze si verifica la fusione?
La fusione si verifica soltanto in particolari circostanze ambientali, quando la pressione e la temperatura sono molto alte.
In natura queste condizioni le riscontriamo all'interno delle stelle, dove un enorme massa di gas idrogeno è concentrata in uno spazio ridotto dalla forza di gravità.
Cosa accade in una stella? In una stella le temperature raggiungono milioni di gradi centigradi. I nuclei di idrogeno si muovono a grandi velocità con un'enorme energia cinetica. I nuclei ionizzati vincono la repulsione coulombiana dei protoni e si uniscono tra loro formando il plasma.
La pressione sugli atomi spinge quattro nuclei di idrogeno a unirsi tra loro.
Durante la fusione nucleare, due protoni si trasformano in neutroni mentre gli altri due sono immutati.
Ha così origine un nuovo nucleo di elio ( He ).
Dalla fusione si libera anche una grande quantità di energia. Nelle stelle questa energia viene trasmessa dai raggi solari in ogni direzione.
I reattori nucleari a fusione
Da diversi anni si sta tentando di realizzare dei reattori nucleari a fusione. Si tratta di centrali termoelettriche che sfruttano il principio fisico della fusione nucleare per produrre energia elettrica.
Nei reattori sperimentali a fusione si utilizzano come combustibili due isotopi dell'idrogeno, il deuterio e il trizio.
La fusione di un nucleo di trizio e deuterio genera un nucleo di elio e libera dai legami nucleari un neutrone. La reazione nucleare è la seguente:
La differenza tra la massa iniziale e finale libera una quantità di energia pari a 17,6 MeV.
In un reattore a fusione gli isotopi di idrogeno sono sottoposti a correnti elettriche intense per raggiungere temperature elevatissime, qualche milione di gradi centigradi.
Così facendo, gli elettroni si staccano dagli atomi di idrogeno e si ottiene il plasma in modo artificiale.
A queste temperature qualsiasi struttura fonderebbe. Per questo motivo il plasma viene confinato nel vuoto dentro un campo magnetico.
Nota. Le particelle degli isotopi di idrogeno sono ionizzati. Questo consente di creare un campo magnetico di contenimento.
I limiti della fusione nucleare artificiale
Non mancano però le difficoltà tecnologiche per creare una fusione nucleare calda in laboratorio che abbia un bilancio energetico positivo.
Per far avvicinare due nuclei di idrogeno tra loro e innescare una fusione nucleare in modo artificiale, è necessario consumare una grande quantità di energia ( Einput ) superiore a quella ottenuta dalla fusione stessa ( Eoutput ).
In tali circostanze, non ha alcuna utilità costruire un reattore per consumare più energia di quanta se ne produce ( bilancio energetico negativo ).
Il progetto ITER. In Europa è in costruzione un reattore nucleare nel Sud della Francia. Il progetto si chiama ITER ed è portato avanti da una collaborazione tecnologica e scientifica internazionale.
