Immagine della stella Sole, classificata come nana gialla
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La fusione nucleare: che cos’è e che prospettive può darci?

La fusione nucleare è un promettente candidato per soddisfare i futuri fabbisogni energetici, compatibilmente con i requisiti di sostenibilità, sicurezza e elevata densità energetica. A causa della complessità tecnologica richiesta non è ancora possibile ricreare una produzione netta di energia qui sulla Terra, ma un esempio di reattore nucleare a fusione si trova a circa 150 milioni di chilometri da noi: il Sole. La fusione nucleare, difatti, è ciò che permette alle stelle di auto-sostenersi.

 

La reazione di fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione in cui due o più nuclei atomici si avvicinano così tanto da riuscire ad unirsi. La reazione produce uno o più nuclei atomici più pesanti e altre particelle subatomiche (neutroni o protoni). La massa dei prodotti è minore rispetto al totale iniziale dei reagenti. Questa frazione di massa m, sottratta al totale, viene trasformata in energia E secondo la famosa relazione di Einstein

E = m c2

dove la costante c rappresenta la velocità della luce che ricordiamo essere pari a 300.000.000 m/s.

Immagine della stella Sole.

Più nello specifico, nel Sole avviene la fusione di 4 protoni, cioè 4 nuclei di idrogeno 1H, in un nucleo di elio 4He, elemento stabile ma con energia di legame inferiore all’idrogeno. Il difetto di massa, pari a 0,029 u.m.a. (unità di massa atomica), produrrà 27,05 MeV di energia (ovvero 4,334 x 10-12 Joule).

Schematizzazione della reazione di fusione che porta alla produzione di elio nelle stelle.

Affinché il meccanismo di fusione abbia inizio, i nuclei atomici devono vincere la repulsione coulombiana e avvicinarsi a tal punto da risentire della forza nucleare forte, cioè la forza che permette a neutroni e protoni di formare un nucleo atomico. Ciò si verifica solo se gli atomi si trovano in uno stato di plasma (il quarto stato di aggregazione della materia dopo solido, liquido e gassoso), ad elevata temperatura e densità di particelle: nel plasma i nuclei atomici sono separati dai loro elettroni, per cui condizioni di alta temperatura e elevata densità favoriranno l’urto fra i nuclei e l’innesco della fusione. A tal proposito è doveroso citare il criterio di Lawson, secondo il quale un reattore a fusione funziona se il prodotto delle grandezze temperatura T, tempo di confinamento t e densità n è sufficiente a porre il plasma in condizioni di innesco reazione.

T t n > 1,2 x 1021 m-3 keV s

Se da una parte la reazione stessa, una volta avviata, è in grado di mantenere la temperatura ai livelli desiderati, la maggiore difficoltà risiede nel mantenere il plasma caldo ad elevate densità per un tempo sufficiente. Nelle stelle, il confinamento del plasma è assicurato dalla forza gravitazionale e quindi dalla pressione che enormi masse esercitano sul nucleo. Ciò è impensabile qui, sulla Terra, per cui si cerca di mettere a punto processi alternativi per la generazione e il confinamento dei plasmi. Nonostante gli sforzi di numerosi ingegneri e fisici, gli esperimenti eseguiti finora non hanno dimostrato una produzione di energia superiore a quella spesa per predisporre il plasma alla fusione.

In realtà, la reazione di fusione che verrà adottata nei futuri reattori non è quella che avviene nel Sole, bensì la reazione deuterio-trizio: il deuterio (2H o D) e il trizio (3H o T) sono due isotopi dell’idrogeno. Il primo è stabile e presente nell’acqua di mare, il secondo è radioattivo e ricavabile da specifiche reazioni che coinvolgono il litio contenuto nelle rocce della crosta terrestre. (N.B. nella successiva reazione con n si intende un neutrone.)

D + T → 4He + n + 17,6 MeV

Tale reazione, in pratica, ha un potere calorifico pari a 3,37 x 108 MJ/kg. Per potere calorifico di una sostanza si intende la quantità di energia ottenuta dalla completa conversione di 1 kg di quella data sostanza. Nella successiva tabella è riportato il potere calorifico di altre sostanze comunemente impiegate nella produzione di energia.

Metano

50,0 MJ/kg

Gasolio

43,3 MJ/kg

Idrogeno (inteso come combustibile)

120,0 MJ/kg

Uranio (Fusione Nucleare)

9,4 x 105 MJ/kg

 

Pro e contro

In primo luogo, quindi, la fusione nucleare a partire da deuterio-trizio si dimostra, a parità di massa di “combustibile”, più performante. Il combustibile stesso è pressoché inesauribile, a differenza dei combustibili fossili e dell’uranio, le cui scorte di questo passo si esauriranno entro questo secolo. Ma non solo: le sovra citate sostanze hanno come residuo della reazione gas quali la CO2, responsabile dell’effetto serra o, nel caso della fissione, scorie nucleari le cui problematiche di smaltimento sono ben note. La reazione deuterio-trizio, invece, prevede solamente la presenza del trizio, elemento radioattivo con vita media di circa 12.3 anni, e la produzione di neutroni veloci che verranno assorbiti dagli elementi di contenimento del plasma i quali, a causa della radioattività che ne deriva, dovranno essere smaltiti in maniera appropriata. Questi aspetti potranno essere limitati tramite un avanzamento tecnologico dei reattori.

Il tasto dolente risiede, come si è detto, nel livello tecnologico richiesto da questo tipo di reazioni. Finora non si è riusciti a mantenere le condizioni di temperatura e densità desiderate per un tempo sufficiente a superare il cosiddetto “break-even”, ovvero il pareggio tra l’energia prodotta dalla fusione e quella spesa per ottenerla. In questo aspetto sta un’altra differenza fra fusione e fissione nucleare: la prima può essere fermata interrompendo l’apporto di combustibile; la fissione invece, se non controllata, si auto-alimenta lo stesso con un aumento esponenziale dell’energia che porta alla fusione del nocciolo, come successo alla centrale di Chernobyl.

In definitiva, la fusione nucleare come forma energetica è ancora oggetto di studio da parte della comunità scientifica. Nei prossimi articoli verranno messe in luce le tecnologie in via di sviluppo e i progetti messi in piedi da varie nazioni che, negli anni, hanno saputo stringere accordi di collaborazione per l’ottenimento di un risultato potenzialmente determinante per il futuro energetico mondiale.

 

Fonti:

Gabriele De Sano
Dottore in Ingegneria Energetica. Appassionato delle tecnologie utilizzate nel campo delle fonti rinnovabili e dello sviluppo sostenibile. Credo che l'interesse di ognuno nei confronti di queste tematiche possa essere il motore della transizione ecologica.

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