La Fusione Nucleare
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La Fusione Nucleare
La Fusione Nucleare Sono gli elementi leggeri ad essere coinvolti nel processo di Fusione, dal quale si otterranno nuclei pesanti. Il processo è analogo a quello che avviene nel Sole e nelle stelle e potrebbe essere prodotto artificialmente anche sulla Terra. Oltre alla formazione di nuovi elementi, la fusione nucleare comporta la formazione di una grandissima quantità di energia. Basti pensare che, se si unissero due protoni e due neutroni tanto da formare una particella a, si libererebbero 26 MeV (1 eV = 1,60219 x 10-12 erg). Per avvicinare le particelle, però, bisogna dar loro molta energia, riscaldando del gas reagente fino alla temperatura di 50 milioni di gradi. In un gas costituito dagli isotopi pesanti dell'idrogeno, del deuterio e del trizio, ogni evento di fusione rilascia un'energia pari a 17,6 MeV, che si manifesta dapprima come energia cinetica del nucleo di elio 4 e del neutrone prodotti, e quindi si trasforma in energia termica, determinando un rapido riscaldamento del gas circostante. I due maggiori problemi tecnici della realizzazione della fusione nucleare sono: il riscaldamento del gas ad altissima temperatura, e il "confinamento" dei nuclei reagenti. Un problema complesso è anche quello della cattura dell'energia sprigionata e della sua conversione in elettricità. Per temperature superiori ai 100.000 °C, gli atomi di idrogeno sono completamente ionizzati. Il gas reagente si trova cioè nello stato della materia detto plasma, che consiste in una miscela di cariche libere positive e negative, complessivamente neutra. Perché il processo sia efficiente è necessario confinare il plasma entro uno spazio ridotto, così da aumentare il più possibile il numero degli eventi di fusione. Per confinare il plasma si possono usare due tecniche. Il confinamento magnetico che si basa sulla reazione deuterio-trizio: il plasma è racchiuso in un reattore a forma di ciambella e isolato da un fortissimo campo magnetico. Anche se non vengono prodotte scorie radioattive, nel reattore c’è radioattività, per l’emissione di neutroni. Il confinamento inerziale che si basa sulla reazione deuterio-deuterio, che è più pulito di quello deuterio-trizio. Si ottiene colpendo delle piccole masse di deuterio con dei raggi laser, che produrrebbero delle piccole esplosioni di fusione. I vantaggi dell'energia ricavata dalla fusione, quando si riuscirà a trovare il metodo efficace per produrla e renderla utilizzabile, saranno: 1. una fonte inesauribile di combustibile (il deuterio dell'oceano); 2. un basso rischio di incidente all'interno del reattore, che conterrebbe quantità minime di combustibile; 3. residui molto meno radioattivi di quelli della fissione. Dalla fusione nucleare si ottiene un'enorme quantità di energia, dovuta al difetto di massa: una volta che i due atomi si fondono, la loro massa non è pari alla somma delle masse dei due nuclei, ma minore. La prima fusione nucleare artificiale fu realizzata alla fine degli anni Ottanta, mediante il bombardamento di un bersaglio di deuterio, con nuclei di deuterio ad alta energia; ma, poiché era richiesta molta energia per accelerare i nuclei, l’energia prodotta fu molto meno di quella consumata. Un rilascio di energia positivo fu ottenuto per la prima volta con le sperimentazioni sulle armi nucleari da parte di Stati Uniti, Gran Bretagna, Unione Sovietica e Francia. In questo caso il bilancio energetico fu positivo, ma il rilascio di energia fu breve e incontrollato, e non fu quindi utilizzabile per la produzione di elettricità. Centrale a fusione nucleare Non esistono ancora delle centrali a fusione nucleare, ma solo prototipi sperimentali attraverso i quali è stato possibile dimostrare che è possibile ottenere energia mediante fusione di nuclei di elementi leggeri. Nel 1989 un gruppo di scienziati è riuscito a produrre energia per fusione mettendo piccole quantità di gas (deuterio e trizio) in un recipiente sotto vuoto e alla temperatura di 200 milioni di gradi. Per impedire la fusione dei materiali dell'impianto, il gas è stato tenuto sospeso all'interno del recipiente da un campo magnetico di grande intensità. Successivamente sono stati fatti altri esperimenti che hanno portato anche alla fusione a freddo, ma enormi ancora risultano gli investimenti necessari ed i problemi irrisolti, che si può tranquillamente affermare che siamo molto lontani dalla sua applicazione nella realtà tecnologica. Per sfruttare il fenomeno che avviene nel Sole, molti anni dovranno ancora trascorrere, ma quando ci si riuscirà probabilmente saranno risolti, sia il problema energetico che i problemi ambientali legati allo sfruttamento delle altre fonti d'energia. Infatti, il processo di fusione è ecologicamente "pulito". Fusione a freddo Il 25 marzo 1989 é la data in cui due coraggiosi ricercatori dell’Università di Salt Lake City (Utah - USA), Martin Fleischmann e Stanley Pons, annunciarono alla stampa d’aver trovato un modo molto semplice e poco costoso per produrre energia pulitissima: l’energia derivata dalla fusione di atomi di deuterio (isotopo dell’idrogeno) a bassa temperatura. In sostanza l’energia del futuro. Nonostante che i due scienziati disponessero di risultati ben documentati, successivamente riprodotti in più di duecento laboratori sparsi in tutto il mondo, si innescò una inconcepibile serie di polemiche. Una campagna di disprezzo venne imbastita dai loro colleghi, studiosi della fusione calda, ed anche la stampa e le riviste specializzate rivolsero pesanti critiche al loro operato. Essi scomparvero per alcuni mesi, fino a quando approdarono a Nizza dove stanno ancora lavorando per il loro progetto in un laboratorio finanziato con nove milioni di dollari dalla IMRA Europe S.A., impresa affiliata alla giapponese Toyota. Nella titanica lotta di interessi di ogni tipo, il movimento scientifico scaturito dalla fusione fredda é ancora vivo e i risultati raggiunti sono da tenere veramente nella più alta considerazione, nonostante che essi producano energia di tipo calorico, cioè una forma non nobile, ma pur sempre benedetta. A differenza della tecnica studiata e portata avanti da circa 40 anni per attuare la fusione calda degli atomi di idrogeno, sfruttando enormi macchine capaci di far arrivare la temperatura interna anche a centinaia di milioni di gradi, la fusione fredda si basa sul principio dell’elettrolisi e sfrutta un’apparecchiatura semplicissima. Facendo passare elettricità tra due elettrodi, uno di palladio e l’altro di platino, immersi in acqua pesante si può produrre una quantità di energia molto superiore a quella immessa. Secondo quanto sinora accertato, nel reticolo cristallino del Palladio si crea una forma di fusione, tra i nuclei di deuterio. Negli ultimi anni sono state sviluppate nuove tecniche come l’uso di particolari accorgimenti sugli elettrodi, soprattutto l’uso di acqua normale. Risultati sorprendenti mostrano rendimenti energetici addirittura del 900%. Per restare nel tema della fusione nucleare fredda, ricordiamo l’esempio del chimico tedesco Friedrich Paneth. Questo ricercatore, ancora sconosciuto, nel 1926 pubblicò sull’ "Annuario della Società chimica tedesca" il rendiconto dei suoi esperimenti sulla fusione. Recentemente tali studi sono stati ripresi dal direttore del Laboratorio sulle Energie Rinnovabili dell’Università di Mosca. Un altro avvenimento di fondamentale importanza è lo studio che Enrico Fermi intraprese negli anni ‘30, per creare un generatore artificiale di neutroni. La nota, a firma di Amaldi, Rasetti e Fermi, venne pubblicata su "La Ricerca Scientifica" nel 1937 e dove si dimostrava la possibilità di sfruttare la reazione atomica per produrre neutroni necessari per bombardare gli atomi. Per realizzare tale impianto Fermi ebbe necessità di usare acqua pesante, cioè un bersaglio contenente un’alta percentuale di Deuterio allo stato solido. Visto il notevole sviluppo di calore, si dovette ricorrere all’aria liquida per mantenere a bassissima temperatura il blocco di ghiaccio. Forse tutto ciò non é una reazione di fusione nucleare fredda? Anzi, superfredda. Andando avanti nel tempo, ci sono stati notevoli esempi di questo tipo di reazione, sfruttabile in vario modo, fino ad arrivare al fatidico 25 marzo 1989. Da quel momento centinaia di ricercatori si sono costantemente impegnati, per portare avanti uno dei migliori sistemi per produrre energia pulita. Naturalmente anche in Italia ci sono alcune Università che studiano il fenomeno. In questi ultimi otto anni la ricerca ha raggiunto un accettabile livello nel cercare di creare energia a basso costo senza l’incubo dell’inquinamento o di altre diavolerie simili. La bomba H La bomba h è assai più potente della bomba atomica in quanto si basa sulla reazione di fusione nucleare. Il funzionamento è, a spiegarsi, abbastanza semplice: un primo detonatore fa saltare una piccola bomba atomica disposta accanto ad una massa di idrogeno, dentro un cilindro metallico di un materiale speciale, il cobalto-59, l’unico capace di resistere alle altissime temperature sprigionate. L’esplosione provoca una fortissima pressione interna e porta la temperatura a circa 100 milioni di C°, sufficiente a far fondere i nuclei di idrogeno, con conseguente emissione incontrollata di energia. La prima dimostrazione della potenza di quest’ordigno nucleare fu resa nota dagli U.S.A., che polverizzarono l’atollo di Bikini, in pieno oceano pacifico. Il Sole Il Sole, il corpo centrale del Sistema Solare, e' una sfera di gas incandescente, idrogeno ed elio. Viene classificato come una stella nana di tipo spettrale; la sua temperatura superficiale e' di circa 5.700 gradi ed esso emette radiazione elettromagnetica tra 2.000 Angstrom e 3 micron, con una potenza di 400.000 miliardi di miliardi di KW. L'origine di questa emissione, che nel secolo scorso era stata attribuita alla contrazione gravitazionale del Sole e al conseguente riscaldamento del suo interno, risiede nella fusione nucleare che avviene nel centro: a causa della sua grande massa, le regioni interne del Sole vengono compresse fino a raggiungere temperature elevatissime (15 milioni di gradi) e ad innescare così la fusione, che richiede alte pressioni e temperature. Ogni secondo, 594 milioni di tonnellate di idrogeno vengono trasformate in 590 milioni di tonnellate di elio; la differenza, 4 milioni di tonnellate, corrisponde all'energia che il Sole irradia in un secondo. La fusione nucleare e' autoregolata in modo tale che l'emissione di energia sia stabile nel tempo; le riserve di idrogeno nel nucleo non sono però i illimitate e la durata totale di questo processo e' di circa 10 miliardi di anni. Poiché l'età' del Sole è stata stimata 5 miliardi di anni, tra altri 5 miliardi di anni la fusione cesserà ed esso comincerà a trasformarsi, diventando più freddo e meno luminoso, cioè una gigante rossa; i suoi strati esterni si espanderanno inghiottendo i pianeti più vicini, tra cui la Terra, dopodiché finirà la sua vita come nana bianca, diventerà cioè una stella molto calda e densa ma poco luminosa, e si spegnerà lentamente. Le altissime temperature all'interno del Sole fanno sì che il gas sia quasi completamente ionizzato, cioè che gli elettroni vengano strappati alle loro orbite e si muovano liberamente nel gas. La temperatura decresce da 15 milioni di gradi nel centro fino a circa 5.700 gradi alla superficie. Anche la densità del gas decresce verso l'esterno, da circa 158 g/cm3 al centro fino a 10-7 in superficie; in realtà ' il Sole non possiede una superficie fisica ben definita: quella che noi possiamo vedere e' soltanto una superficie detta fotosfera: uno strato di gas molto sottile (dello spessore di circa 200 Km), che circonda la zona interna. L'interno e' composto da un nucleo, nel quale avvengono le reazioni di fusione, circondato da uno strato di gas detto zona radioattiva, a sua volta circondato da uno strato detto zona convettiva. Nella zona radioattiva, l'energia prodotta dalla fusione nucleare viene trasportata verso l'esterno tramite fotoni che vengono trasferiti da uno ione all'altro, in un processo molto lento, che richiede qualche milione di anni; muovendosi verso l'esterno la temperatura del gas diminuisce e gli atomi degli elementi più pesanti cominciano a ricombinarsi con i propri elettroni. Il gas coronale alla temperatura di un milione e mezzo di gradi. Si possono notare le strutture del campo magnetico solare. (ESA/NASA) Pennacchi di gas caldo che fuoriescono dal Sole, forse sorgenti di vento solare e di particelle cariche. Dall'alto verso il basso: il campo magnetico vicino al polo sud solare; immagine ultravioletta di un pennacchio alla temperatura di un milione di gradi, nella stessa regione; immagine ultravioletta di una regione di atmosfera solare più quieta e vicina alla superficie . (ESA/NASA)