Fusione nucleare



Una  reazione di fusione nucleare avviene quando in un plasma due nuclei di un atomo leggero (per esempio ioni degli isotopi dell’idrogeno, deuterio e tritio) vengono a trovarsi molto vicini tra loro, a una distanza dell’ordine di 10–15 m. A queste distanze le forze nucleari predominano sulla repulsione elettrostatica, e i due nuclei si fondono generando un singolo nucleo atomico più stabile (nell’esempio citato una particella alfa, cioè uno ione di elio) ed eventualmente un nucleone libero.

La massa dei prodotti della reazione è lievemente minore della massa dei nuclei reagenti. La differenza di massa è liberata sotto forma di energia cinetica delle particelle prodotte, in accordo con la relazione di equivalenza E=mc2 tra massa m ed energia E scoperta da Einstein (qui c rappresenta la velocità della luce nel vuoto).

Se in un plasma si riesce a generare una reazione a catena di fusione nucleare, le particelle emesse urtano contro il contenitore del plasma e lo riscaldano: il calore prodotto può allora essere usato per generare energia elettrica. Questo è l’obiettivo delle ricerche in corso sulla fusione nucleare controllata, che mirano a permettere la costruzione di un reattore a fusione per la produzione di energia.

u L'uso militare
 

Sebbene  ancora oggi non si riesca ad addomesticare la fusione nucleare per uso civile, purtroppo da molti decenni essa ha trovato applicazione nelle armi di distruzione di massa, con la costruzione della bomba H (bomba all’idrogeno o termonucleare). In una bomba infatti non vi è l’esigenza di controllare la reazione a catena, e la difficoltà tecnico- scientifica da superare è soltanto quella dell’innesco della reazione.

Questo problema fu risolto all’inizio degli anni 1950, quasi simultaneamente dagli scienziati statunitensi (in primis Edward Teller) e sovietici (in primis Andrej Sacharov). Oggi gli ordigni termonucleari – molto più potenti e distruttivi perfino delle bombe atomiche usate contro il Giappone alla fine della Seconda guerra mondiale – costituiscono una gran parte dell’arsenale delle potenze nucleari. Una piccola bomba A (all’uranio o al plutonio) viene detonata e i raggi X emessi sono focalizzati su una miscela di idrogeno e tritio, innescandone la fusione a catena che dà luogo all’esplosione principale.
 

u La fusione nucleare controllata
 

I  nuclei atomici sono ioni positivi che si respingono elettrostaticamente secondo la legge di Coulomb. Esistono soltanto due situazioni nelle quali un urto tra nuclei può farli avvicinare in misura tale da dar luogo alla fusione nucleare. La prima situazione si verifica per esempio nelle zone centrali delle stelle, dove la densità degli ioni è elevatissima a causa dell’enorme compressione dovuta alla forza di gravità.

Se invece la densità del plasma è minore, è necessario che la sua temperatura sia altissima (addirittura superiore a quella dei nuclei stellari): in tal caso la velocità degli ioni che si urtano è tale da far superare la barriera di repulsione coulombiana, e i nuclei possono avvicinarsi fino a fondersi.

Questa seconda situazione è quella che si cerca di creare in laboratorio negli esperimenti sulla fusione termonucleare controllata. In questo settore di ricerca esistono approcci basati su diversi tipi di dispositivi, ma quello che finora ha avuto più successo è il metodo del confinamento magnetico di un plasma toroidale, cioè a forma di ciambella.

Affinchè il plasma possa raggiungere le altissime temperature necessarie alla fusione, esso deve essere tenuto lontano dal contatto con il materiale del contenitore. Ciò si realizza attraverso l’uso di intensi campi magnetici, configurati in modo tale che le linee di campo si richiudano su se stesse. Le particelle del plasma, essendo elettricamente cariche, sono allora vincolate dalla forza di Lorentz a muoversi su traiettorie elicoidali che seguono le linee del campo magnetico, e restano così confinate all’interno di un volume toroidale.

Un approccio completamente diverso alla fusione controllata è quello basato sul cosiddetto confinamento inerziale. In questo schema una pallina di combustibile solido (per esempio deuterio) è il bersaglio su cui si concentrano laser di grande potenza. La pallina implode e la sua parte centrale è portata a uno stato di altissima densità in cui possono avvenire reazioni di fusione, come in una microscopica stella.

Con le macchine a confinamento magnetico chiamate tokamak sono stati ottenuti negli anni 1990 i risultati a tutt’oggi migliori della ricerca sulla fusione controllata.

Affinchè un plasma termonucleare possa raggiungere le condizioni di ignizione (accensione di una reazione di fusione nucleare a catena) è necessario che tre diversi parametri abbiano simultaneamente un valore sufficientemente elevato: la densità del plasma deve essere dell’ordine di 1020 ioni per metro cubo, la temperatura degli ioni deve essere intorno ai 100 milioni di gradi e il tempo di confinamento (durata dell’isolamento del plasma da ogni contatto con il suo contenitore) deve essere dell’ordine del secondo.

Il tokamak JET realizzato dall’Unione Europea (è situato a Culham vicino a Oxford, in Inghilterra) ha raggiunto separatamente – ma non ancora simultaneamente – i valori dei tre parametri richiesti per l’ignizione. Risultati di poco inferiori sono stati ottenuti dal tokamak TRTR del laboratorio di Princeton, negli Stati Uniti.

Nei plasmi di deuterio e tritio del JET si è riusciti a produrre fino a 10 MW di potenza (termica) dovuta a reazioni di fusione, ma sempre in presenza di un riscaldamento del plasma dall’esterno (con una potenza impiegata superiore ai 20 MW). Molti progressi restano ancora da compiere per arrivare a un bilancio energetico positivo, innescando una reazione a catena che si autosostiene. A questo scopo è in corso di progettazione un tokamak internazionale di nuova generazione chiamato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che dovrebbe poter dimostrare la fattibilità di un reattore commerciale a fusione.
 

u La "fusione fredda"
 

Enorme  scalpore fu suscitato nell’aprile del 1989 dall’annuncio della realizzazione della “fusione nucleare fredda” attraverso l’uso di celle elettrolitiche a temperatura ambiente, quindi con una tecnologia semplice e un investimento ridottissimo.

L’idea di base degli autori dell’esperimento era sfruttare una nota proprietà di metalli come il palladio (la capacità di assorbire atomi leggeri all’interno del proprio reticolo cristallino) per accumulare un’alta densità di idrogeno all’interno di un elettrodo.

Secondo questi ricercatori (Martin Fleischmann e Stanley Pons, allora all’Università dello Utah negli Stati Uniti) ciò portava a una sostanziale emissione netta di calore, con la formazione di elio a dimostrare l’avvenuta reazione di fusione nucleare. Se confermato, questo risultato sarebbe stato rivoluzionario non soltanto per le ovvie applicazioni alla produzione di energia, ma anche perchè avrebbe violato leggi della fisica attualmente considerate fondamentali e assodate.

Negli anni successivi, tuttavia, nonostante numerosi tentativi di ripetizione in tutto il mondo, nessun esperimento ha confermato le asserzioni di Fleischmann e Pons, e la ricerca sulla cosiddetta “fusione fredda” è stata gradualmente abbandonata dalla comunità scientifica.