Scuola secondaria di 1° grado di Ovaro (UD)  3a B    2004-05

La Fusione Nucleare

Mariano Fiorencis

La fusione nucleare è il processo inverso di quello della fissione: consiste, infatti, nell'unione di nu-clei leggeri in un nucleo pesante; il difetto di massa si è convertito in energia.
La fusione di due nuclei di idrogeno è la principale reazione che alimenta le stelle e viene sfruttata anche nelle bombe all'idrogeno. Questa,però, può essere sfruttata anche come una via per produrre energia pulita, senza produrre CO2 e utilizzando un elemento (idrogeno) che può essere ricavato semplicemente dall’acqua.
L'interesse per questo processo è molto alto visto che, se si riuscirà ad applicarla in maniera controllata, fornirà enormi quantità di energia ad un costo relativamente basso e senza produzione di gas contribuenti all’effetto serra. Per questo una lunga serie di sperimentazioni scientifiche sono iniziate dai primi anni '90; ultimamente si sta cercando di realizzare un progetto, chiamato International Thermonuclear Experimental Reactor in modo da poter realizzare una fusione nucleare controllata; questo progetto è stato promosso da Canada, UE, Giappone, Russia, Cina, Corea del Sud e USA. La costruzione durerà almeno dieci anni e produrrà energia a partire dal 2035. È comunque prevedibile un certo ritardo, la fusione nucleare controllata potrebbe diventare una realtà solo dalla metà di questo secolo.
La probabilità che una fusione nucleare avvenga è molto bassa ma i nuclei sono moltissimi e quindi le fusione sono numerosissime. Nel sole, per esempio, un nucleo può produrre una fusione solo una volta ogni 1029 secondi, ma il sole contiene al suo interno 1059 nuclei e questo indica che il numero di reazioni probabili è molto alto e quindi il Sole continuerà ancora a vivere per alcuni miliardi di anni. Sulla Terra, a causa della minor quantità di combustibile per la fusione, è necessario che la probabilità che una fusione avvenga sia più alta possibile; per fare questo bisogna che la temperatura sia il più alta possibile.

Reazione nucleare o chimica

L'energia totale contenuta in un nucleo, l'energia di legame, è notevolmente superiore all'energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Per questo l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche (che interessano solamente gli elettroni). Ad esempio aggiungendo un elettrone ad un atomo d’idrogeno si ottiene un’energia di 13.6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione Deuterio-Tritio è pari a 17 MeV (più di un milione di volte superiore).

Vantaggi dei reattori a fusione

Il 90% delle scorie hanno un’altissima radioattività che però si esaurisce in pochissimo tempo. Questo permette di eliminare il problema sociale e politico dello stoccaggio delle scorie.
Producono un gas di scarico non radioattivo (l'elio).
Non producono gas che contribuiscono all’effetto serra e quindi al riscaldamento globale
Il combustibile della fusione è estratto dall'acqua, una risorsa presente in qualsiasi paese del mondo.
Si riducono le conseguenze di eventuali incidenti: in caso di perdita del controllo, il reattore a fusione tenderà a raffreddarsi arrestando spontaneamente il processo di fusione.

Come funziona la fusione nucleare?

I combustibili usati dai reattori a fusione sono degli isotopi dell’idrogeno (idrogeno appesantito da neutroni).
Es. 200 kg di litio e 100 kg di deuterio possono produrre 1000 MWh di potenza elettrica. Gli isotopi dell'idrogeno sono posti sotto vuoto e riscaldati ad alte temperature fino a formare il “plasma” (nuclei separati dagli elettroni) che è confinato da un potente campo magnetico. Questa “miscela” viene poi riscaldato a sua volta da corrente elettrica per far sì che gli atomi di idrogeno si fondano rilasciando energia e atomi di elio.
Quando avviene una fusione nucleare il nucleo risultante ha troppi neutroni per essere stabile e quelli in eccesso sono espulsi con produzione di energia.
I nuclei più leggeri, fondendo, producono più energia di quanta non sia servita per innescare la fu-sione rendendo la reazione esotermica e permettendole di auto alimentarsi.

Perché la fusione nucleare richiede altissime temperature per compiersi?

Due nuclei posti ad una distanza minima (millimiliardesimo di millimetro) tendono a fondersi sotto spinta della forza di gravità nucleare rilasciando energia. Il processo di fusione nucleare è ostacolata dalla forza coulombiana (repulsiva) che può essere superata dalla forza nucleare forte; quest’ultima però opera a distanze piccolissime e quindi per poter superare la repulsione bisogna portare i nuclei sufficientemente vicini in modo che la forza nucleare forte possa superare la barriera coulombiana. Per far sì che questo avvenga bisogna realizzare all'interno del reattore una temperatura di 100.000.000 °C, indispensabile per innescare le reazioni di fusione.

Il problema delle temperature elevate

Le alte temperature richieste dalla fusione pongono un problema concreto: nessun materiale può resistere a centinaia di milioni di gradi. Negli ultimi anni si è cercato di risolvere il problema creando dei campi magnetici tali da distanziare il plasma dalle pareti metalliche. Esistono due tipi di confinamento del plasma: il confinamento gravitazionale e quello magnetico.
Confinamento gravitazionale
ogni massa, ed energia in genere, crea una forza gravitazionale. Un modo per tenere assieme una massa di combustibile nucleare sufficientemente a lungo da produrre fusione è distribuirne in uno spazio una quantità sufficiente tale che sia la gravità creata dal combustibile stesso a trattenerlo ed a comprimerlo, come nelle stelle.

Confinamento magnetico

un plasma è costituito da particelle cariche che possono quindi essere confinate da una appropriato campo magnetico. Molti campi magnetici possono essere impiegati per isolare un plasma in fusione, ma il plasma interagisce con il campo magnetico influenzando l'efficienza del confinamento e riscaldando il sistema.

Il problema dell'energia per avviare la fusione

L'energia necessaria per provocare la fusione nucleare è pertanto elevata. Nei primi esperimenti l'energia prodotta non ha compensato quella necessaria per produrla. Un problema di non poco conto che gli scienziati devono cercare di superare per consentire una concreta applicazione industriale della fusione nucleare.

Armamenti nucleari

La produzione di armi nucleari resta l'ultimo grande handicap. Nessuno può negare un legame tra la produzione civile di energia nucleare e l’industria bellica. Ad esempio, nel 2004, gli USA e altri paesi occidentali fecero grandi pressioni per impedire la costruzione di una centrale nucleare civile in Iran nel timore che questi impianti fossero utilizzati anche per finalità belliche.

In conclusione
L’energia nucleare è stato presentata come una fonte indispensabile per generare energia elettrica a basso costo. In realtà i suoi costi “nascosti” (ossia sostenuti dallo Stato) sono ancora troppo alti se paragonati alle normali centrali termoelettriche (gas o carbone).

La Bomba H

La bomba all'idrogeno (più propriamente detta bomba termonucleare), a differenza della bomba atomica è caratterizzata da un'energia che non deriva completamente dalla sola fissione nucleare. Nella bomba all'idrogeno, infatti, l'energia sviluppata da una testata nucleare a fissione viene utilizzata per comprimere il combustibile, solitamente un miscuglio di deuterio e trizio, fino alla temperatura di fusione. Il trizio non è presente nella composizione iniziale della bomba ma viene prodotto dall'urto veloce di neutroni contro nuclei dell'isotopo del litio.

Fungo Nucleare prodotto dall’esplosione di una Bomba

La temperatura di innesco molto elevata della fusione nucleare e i neutroni veloci necessari per generare il Trizio vengono forniti da una bomba atomica. Per il processo di fusione non vi è alcuna limitazione teorica di potenza. Nel 1961 in una serie di esperimenti termonucleari, l'URSS fece esplodere la più grossa bomba H mai realizzata che liberò energia equivalente a 100 milioni di tonnellate di tritolo e 5000 volte più potente dell'esplosione di Hiroshima.