LA FUSIONE NUCLEARE:da fuoco delle stelle a nuova fonte energetica

(tratto da un lavoro di Sara Romer e Arturo Romer)

Il 23 marzo 1989, i ricercatori Martin Fleischmann e Stanley Pons dell'università dello Utah (USA) annunciarono di avere rivelato un processo di fusione nucleare a temperatura ambiente, cioè un processo di fusione a freddo. Tale scoperta era rivoluzionaria poiché permetteva di produrre in modo semplice (sfruttando il principio dell'elettrolisi) energia pulitissima. Purtroppo, la riproducibilità dell'esperimento non era garantita e tentativi successivi non furono capaci di dimostrarne in modo inconfutabile la validità.

Nel marzo di quest'anno l'interesse per la fusione nucleare controllata è stato ravvivato da una nuova pubblicazione scientifica. Un gruppo di ricercatori americani e russi afferma di avere osservato in un esperimento relativamente semplice un processo di fusione [1]. Il metodo presentato si basa su di un principio fisico scoperto nel 1935 [5] ma ancora oggi non del tutto compreso, chiamato sonoluminescenza. Se un liquido viene irradiato con delle intense onde sonore, vi si può osservare la formazione spontanea di bolle di gas. Queste bolle non sono stabili e in breve tempo si sgonfiano (implodono). A causa di questa forte compressione, il gas si riscalda, emettendo luce. Se questo aumento di temperatura è sufficientemente elevato (nell'ordine di milioni di gradi) lo si potrebbe anche sfruttare per innescare una reazione di fusione. In questo caso si tratta di una reazione di fusione nucleare calda, come quella che si verifica nelle stelle.

Nell'esperimento sopra citato, si è utilizzato come liquido dell'acetone deuterato, cioè dell'acetone dove al posto degli atomi di idrogeno si hanno degli atomi di deuterio (un isotopo dell'idrogeno). Il liquido è stato poi sottoposto ad un fascio di ultrasuoni. Questo trattamento provoca la formazione di bolle. Dopo avere raggiunto un diametro di circa 1 millimetro le bolle si sgonfiano riducendo le loro dimensioni a pochi millesimi di millimetro. Secondo i ricercatori, a queste condizioni, la temperatura del gas dovrebbe essere di 10 milioni di gradi, paragonabile alla temperature nelle stelle.

Anche nel caso di questa scoperta il dibattito è acceso e solo nuovi esperimenti potranno dimostrare o confutare la validità della nuova tecnica.

Ma che cosa è la fusione nucleare?

I paragrafi seguenti cercano di dare una semplice risposta a questa domanda, presentando i principi che stanno alla base di questo processa.

1. ATOMI E NUCLEI

Gli oggetti che ci circondano, la Terra e in generale tutta la materia sono costituiti da unità microscopiche chiamate atomi. Un atomo ha una struttura sferica con un raggio 10'000'000 volte più piccolo di un millimetro (di solito tale raggio viene descritto con le unità di misura Ångstrom). A sua volta questa struttura non è omogenea, bensì comprende diverse particelle atomiche distribuite in modo non uniforme. Infatti, l'atomo è formato da un nucleo centrale e compatto, costituito da protoni p e neutroni n (detti in generale nucleoni), attorno al quale orbitano gli elettroni e. Il raggio del nucleo è 10'000 volte più piccolo di quello dell'atomo e giacché gli elettroni sono circa 2'000 volte più leggeri dei protoni e dei neutroni, la massa dell'atomo è praticamente tutta concentrata nel nucleo che ha dunque una densità altissima.

I protoni hanno una carica elettrica positiva e gli elettroni una carica elettrica negativa. I neutroni invece sono privi di carica. Poiché gi atomi sono elettricamente neutri, il numero dei protoni e quello degli elettroni è sempre esattamente uguale. Il numero degli elettroni (e dunque quello dei protoni) viene chiamato numero atomico Z. Al contrario il numero dei neutroni N è variabile e non deve essere necessariamente lo stesso di quello dei protoni. Il numero di massa dell'atomo viene quindi definito come il numero totale di protoni e neutroni, A = Z + N.

Due o più nuclei sono detti isotopi (dal greco "topos" = luogo) se hanno lo stesso numero di protoni Z, ma un numero diverso di neutroni N. Gli isotopi occupano lo stesso posto nel sistema periodico degli elementi.

L'idrogeno ha il nucleo più semplice: esso è composto di un solo protone, ¹H. Il deuterio è un isotopo dell'idrogeno ²H (anche semplicemente designato D), con un nucleo composto da un protone e un neutrone. Il trizio è un altro isotopo dell'idrogeno, ³H (anche semplicemente T). Esso ha due neutroni e un protone.

Il secondo nucleo più semplice è quello dell'elio, ⁴He , formato da due protoni e due neutroni. Idrogeno e elio e i loro isotopi sono i nuclei che stanno alla base di un processo di fusione nucleare.

2. L'ENERGIA DI LEGAME

Ma perché i protoni nel nucleo non si respingono rendendo impossibile l'esistenza di un atomo?

La scienza dell'elettrostatica ci insegna che particelle di carica uguale si respingono e questa repulsione è tanto più intensa quanto più vicine sono le cariche. Pertanto i protoni nel nucleo si respingono vicendevolmente e, se nel nucleo esistessero solo tali forze elettriche, esso non potrebbe esistere. Neppure la forza di gravità può spiegare la coesione dei protoni perché a livello microscopico essa è troppo debole. Forze di altra natura devono esistere all'interno del nucleo per permetterne l'esistenza. Queste forze nucleari (forti), scoperte nel corso del XX secolo, sono indipendenti dalla carica e dalla massa dei nucleoni. Esse sono attrattive e diventano efficaci per distanze paragonabili al raggio del nucleo (10^-15 m).

A causa delle forze nucleari, i protoni (o i neutroni) non lasciano spontaneamente il nucleo. Solo fornendo energia dall'esterno li si può rimuovere. L'energia di legame è dunque definita come l'energia necessaria per rimuovere un nucleone dal nucleo. Nel caso di un'energia di legame negativa la formazione di un nucleo sarebbe impossibile poiché esso si dissocerebbe spontaneamente. Figura 1 rappresenta schematicamente l'energia di legame per nucleone in funzione del numero di massa A (unità 1 MeV = 1.6 10^-13 J = 4.45 10^-20 kWh).

Si può notare che l'energia di legame aumenta per i nuclei leggeri con l'aumentare di A. Per A = 4, cioè per il nucleo di elio, essa è particolarmente elevata poiché la configurazione con due protoni e due neutroni è particolarmente stabile. L'energia di legame raggiunge un massimo per il nucleo del ferro (A = 56) e decresce poi per i nuclei pesanti. Da tale comportamento si desume che esistono due processi medianti i quali si possono ottenere specie atomiche più stabili. Da un lato, due nuclei leggeri (A < 10) possono fondersi, formando un nucleo più pesante. Questo è anche più stabile poiché è caratterizzato da un'energia di legame maggiore, bisogna cioè fornirgli maggiore energia se si vuole rimuovere i nucleoni. Dall'altro lato, un nucleo pesante (A > 200) si può spezzare in due nuclei più leggeri. Questi sono anche caratterizzati da un'energia di legame maggiore e dunque sono più stabili del nucleo di partenza. In atomi molto pesanti, come l'uranio o il plutonio, l'energia di legame è difatti appena sufficiente a compensare le forze elettrostatiche. Infatti, per Z > 92 non esistono più nuclei stabili.

3. FISSIONE E FUSIONE

Questi due processi sono chiamati fusione e fissione nucleare.

Fig. 2: a) La fissione; b) La fusione e l'energia liberata dal processo.

La fissione è la frammentazione di un nucleo pesante (per esempio uranio o plutonio) in nuclei più leggeri. La fusione, quale processo opposto della fissione, è l'unione di nuclei leggeri, come l'idrogeno, in un nucleo più pesante. Figura 2 riassume questi due processi.

Fissione e fusione nucleare sono processi capaci di trasformare la materia in energia. Questa produzione di energia è spiegabile in termini di energia di legame per nucleone. Il guadagno di energia di legame per nucleone durante questi meccanismi comporta che il prodotto della reazione è più legato dei reagenti, per cui si ha un difetto di massa rispetto ai reagenti, cioè la massa del prodotto è più piccola della massa dei reagenti. Ma dove è finita questa massa?

Le leggi fondamentali della Fisica classica non sono capaci di spiegare questo fenomeno che viene invece previsto dalla moderna teoria della Relatività. La massa si è trasformata in energia, E, secondo la famosa equazione relativistica di Albert Einstein E = m c²,

dove c è la velocità della luce nel vuoto. Massa e energia sono dunque concetti equivalenti.

Il difetto di massa e dunque l'energia (cinetica, elettromagnetica) liberata dipende dalla differenza delle energie di legami per prodotto e reagenti.

4. LE STELLE: REATTORI A FUSIONE NUCLEARE

 Fig. 3: Il Sole.

La fusione è un fenomeno molto frequente in natura. Infatti, l'energia irraggiata dal Sole e dalle stelle è dovuta a reazioni di fusione nucleare (Figura 3). Una stella è fatta di gas leggeri, quali idrogeno e elio. A causa della grandissima contrazione gravitazionale alla quale questi gas sono sottoposti, la materia stellare si trova a pressioni e temperature elevatissime (nell'ordine milioni di gradi). Tali pressioni e temperature sono essenziali per il meccanismo della fusione nucleare, giacché comprimono sufficientemente i nuclei gli uni agli altri, opponendosi alle forze di repulsione elettrica. Come visto nei paragrafi precedenti, tutti i nuclei hanno infatti una carica elettrica positiva. Alle condizioni a noi abituali, è così molto difficile che due nuclei si uniscano poiché quando si cerca di avvicinarli essi si respingono a causa delle cariche positive. Nelle stelle, invece, le condizioni sono tali che i nuclei possono avvicinarsi abbastanza da entrare nel raggio di azione delle forze nucleari che li terranno uniti a formare un nucleo più pesante.

La fusione di due nuclei di idrogeno non genera però un nucleo stabile. Difatti perfino le fortissime forze nucleari non sono in grado di tenere assieme due soli protoni a causa della loro forte repulsione elettrica. Esiste però in un nucleo una seconda forza nucleare, chiamata forza nucleare debole. Grazie a questa forza uno dei protoni può trasformarsi in neutrone emettendo contemporaneamente due particelle elementari, quali un positrone e⁺ (una particella identica ad un elettrone ma con carica positiva) e un neutrino elettronico v (una particella neutra):

Si forma così un nucleo di deuterio 2H). Un nucleo di deuterio può a sua volta fondere con un protone rimasto isolato e formare il nucleo di elio ³ He (2 protoni e un neutrone), liberando una radiazione elettromagnetica y. Due nuclei ³ He possono poi fondere e fonnare un nucleo di elio ⁴ He (2 protoni e due neutroni), lasciando liberi i restanti due protoni che possono ricominciare il ciclo.

LO SFRUTTAMENTO DEL PROCESSO DI FUSIONE - APPENDICE -

Il termine "termonucleare" si riferisce al fatto che il calore che si sviluppa da una reazione tende a mantenere le reazioni successive, a patto di tenere la temperatura sufficientemente elevata.

L'energia che si ricava dalla fusione è dovuta al fatto che gli atomi di massa (Z) media sono favoriti sul piano energetico, cioè hanno legami più forti. Si veda a tale proposito fig. 1.

Al di là di come si voglia affrontare l'argomento, il problema alla base di tutte le strategie risolutive è quello di vincere la forza nucleare forte, che tende a far respingere i nuclei degli atomi leggeri da fondere. Tale ostacolo e descritto dalla seguente formula:

con Ec energia cinetica necessaria per vincere la forza re forte; Z numero atomico dei reagenti; e carica dell'elettro ne; R_o la distanza alla quale le forze attrattive diventano dominanti.

Da questa formula si capisce anche indirettamente come l'energia sia proporzionale a Z.

Basterebbe tuttavia un'energia di solo qualche migliaio di eV per operare la fusione in una buona percentuale di casi, sempre dopo aver superato la barriera di potenziale. Ciò è dovuto ad un effetto quantistico noto come "effetto tunnel". Ciò può ottenersi con una macchina acceleratrice, ma i nuclei che parteciperebbero sarebbero troppo pochi e la reazione rimarrebbe dell'or-dine di una normale reazione di fissione. Per un effetto più efficiente è dunque necessario portare i reagenti allo stato di plasma.

Fra queste le più studiate sono il Tokamak ( TOroidal KAmera MAgnetika Katiusca) e il confinamento inerziale. Le variabili fondamentali da cosiderare in entrambi i casi sono:

• la temperatura per raggiungere lo stato di plasma;

• la densità del plasma;

•     t , il tempo minimo necessari per la fusione con quelle temperatura e densità.

Col confinamento magnetico bisognerà avere t alto (5 sec.) e densità bassa, cioè il loro prodotto è minore di 10¹⁴ dyne / cm³.

Col confinamento inerziale si avrà invece t basso ma densità alta , ovvero il loro prodotto è minore di 10¹⁵ dyne / cm³.

Per quanto riguarda la Macchina-Z, al di là del mezzo usato il pellet viene immediatamente ionizzato nella parte esterna. Il esterno si espande velocemente (1000 km/sec), comprimendo la parte interna in l0^-12 sec. Alta temperatura e pressione dovrebbero garantire la fusione.

Per ionizzare la parte esterna, nel caso si usino i laser, un fascio di luce viene scisso in fasci più piccali di uguale intensità. Questi vengono poi amplificati singolarmente e risovrapposti.

La pellet, inoltre, verrà ionizzata da più direzioni.

Guindani Nicola

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