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)