0279. Come avviene la fusione nucleare?

Potete chiarirmi come avviene la fusione nucleare, e quali sono le differenze con la fissione. Come avviene il processo di fusione nel Sole? (Martina Piersantelli) (2160)

La possibilità di due nuclei atomici di fondere originando un nucleo più pesante è una caratteristica che posseggono quasi tutti gli elementi (con poche eccezioni tra cui, ad es., il nucleo del ferro ). La massa del nucleo prodotto dopo la reazione di fusione [79] è minore dei nuclei di partenza, e tale difetto di massa (Δm) è trasformato in energia secondo l’equazione di Einstein : E=Δmc² [276]. L’elemento della materia ordinaria che è largamente più diffuso nell’Universo è l’idrogeno nello stato di plasma [4], cioè di un fluido costituito da protoni ed elettroni che presenta complessivamente carica elettrica nulla. La fusione nucleare dell’idrogeno è l’attività più diffusa fuori della terra per produrre energia, come avviene sulle stelle ed in particolare sul nostro Sole. Perché si produca la fusione bisogna che i nuclei vengano a trovarsi a distanze molto piccole. In tali condizioni, la forza di attrazione denominata interazione forte , che opera solo su protoni e neutroni che si trovano a distanze dell’ordine del raggio del nucleo supera la forza di repulsione elettrica . La forza elettrica è – diversamente dall’interazione forte presente solo a distanze sub-nucleari - un’interazione efficace anche su grandi distanze, ed è di tipo repulsivo perché i nuclei hanno carica dello stesso segno. L’interazione forte è una delle quattro forze fondamentali della natura, assieme alle forze gravitazionale , elettromagnetica e debole . Ciò che consente di realizzare la condizione di fusione nucleare sul Sole (vedi Figura 1) è la compressione prodotta dalla forza gravitazionale a causa dell’enorme massa del plasma [4] di idrogeno che costituisce la stella.

Tuttavia, la reazione fondamentale che si verifica, non è quella di due nuclei d’idrogeno, cioè due protoni (che hanno massa 1), che formano un nucleo di elio con massa pari a 2. Infatti il nucleo di elio con massa 2 è instabile e non esiste in natura. Ciò che avviene sul Sole è invece la trasformazione dei due protoni in un nucleo di deuterio (isotopo di idrogeno con massa 2). Tale reazione è resa possibile dall’interazione debole , forza che non ci è familiare perché ha un raggio di azione molto piccolo e si esaurisce nelle dimensioni sub-atomiche. La fusione sul Sole avviene proprio grazie alla compressione gravitazionale e a questa forza fondamentale della natura. Questo processo di fusione del combustibile solare è molto lento (miliardi di anni). Se fosse ammessa la semplice fusione di due protoni per formare un nucleo di elio2, la vita del sole sarebbe stata ridotta ad una frazione di secondo. Dunque possiamo dire che dobbiamo la nostra vita all’interazione debole (oltre che alle altre tre forze fondamentali della natura). La fusione nucleare sulla terra non è un processo che può avvenire spontaneamente e non può essere utilizzato in modo relativamente semplice come invece avviene nei comuni processi impiegati per produrre l’energia elettrica di cui ha bisogno la società industriale, come ad esempio la combustione petrolio (energia termoelettrica ), o la caduta di masse d’acqua (energia idroelettrica ) o la fissione nucleare. Sono questi appunto tutti i processi che possono avvenire spontaneamente sulla Terra. In particolare, la produzione di energia dalla fissione nucleare utilizza il processo spontaneo del decadimento radioattivo di nuclei di elementi pesanti (ad es. uranio ) in nuclei più leggeri. Si tratta del processo inverso alla fusione nucleare, con l’importante differenza che quest’ultimo non può avvenire spontaneamente sulla Terra. Anche nella fissione nucleare si ha una forte produzione di energia, prodotta dall’interazione forte (nucleare). Anche in questo caso la massa dei prodotti della trasformazione è inferiore alla massa dei nuclei di partenza e il difetto di massa corrisponde a produzione di un’enorme energia. Tuttavia la fissione nucleare non può rappresentare una soluzione al problema dello sviluppo sostenibile della società moderna sia perché utilizza riserve non rinnovabili del pianeta, sia perché lo smaltimento delle pericolose scorie radioattive rappresenta un problema dal costo incalcolabile. La fissione nucleare non può essere considerata come una vera fonte di energia che possa risolvere il problema del fabbisogno energetico e della conservazione della biosfera. Solo la fusione nucleare darà all’uomo la vera energia nucleare, come fanno le stelle. Produrre energia dalla fusione nucleare di plasmi di deuterio (isotopo di idrogeno con massa 2) rappresenta il progetto più ambizioso che l’uomo abbia mai concepito. La principale difficoltà consiste nel riscaldare (a 100 milioni di gradi) il plasma [4] per consentire ai nuclei di urtare tra di loro vincendo così la repulsione elettrica. Per tale motivo parliamo di fusione termonucleare. Il plasma ad elevate temperature è tenuto assieme per mezzo di campi magnetici prodotti all’interno di opportune macchine sperimentali denominate tokamak . Nei laboratori dell’ENEA a Frascati opera il tokamak denominato FTU .

Fig 3. Joint European Torus (JET)

Le future centrali elettriche utilizzanti la fusione nucleare potrebbero soddisfare il fabbisogno del nostro paese per mille anni prelevando il combustibile necessario esclusivamente dall’acqua di un piccolo lago.

Roberto Cesario -Ingegnere Nucleare