Cos’è la fusione nucleare?

La fusione nucleare consiste nel fondere insieme due o più nuclei di atomi formando elementi diversi e, nel processo, liberando energia. Questa è la principale reazione che avviene all’interno delle stelle: il Sole, ad esempio, fonde in atomi di Elio 620 tonnellate di Idrogeno al secondo ad una temperatura di circa 14 milioni di gradi Kelvin. Stelle più grandi di 5-6 volte il Sole (masse solari) possono arrivare a fondere – grazie all’intensa pressione causata dalla propria forza di gravità e alle altissime temperature raggiunte al proprio interno – elementi via via più pesanti, fino ad arrivare al Ferro.

Trasformazioni a livello atomico

In particolare, l’energia che si libera durante la fusione è dovuta all’interazione tra due forze che esistono all’interno dei nuclei atomici: quella di Coulomb, che porta particelle con uguale carica elettrica a respingersi a vicenda, e quella detta semplicemente Attrazione Nucleare, che a distanze minori di 1 femtometro (1.10-15 metri) mantiene stabili i neutroni e i protoni nel nucleo degli atomi. I nuclei leggeri (più di Nickel e Ferro) sono abbastanza piccoli e poveri di protoni da permettere all’Attrazione Nucleare di agire su ognuna delle loro componenti e contrastare la forza repulsiva di Coulomb. Costruire, quindi, un atomo di Elio da due più piccoli di Idrogeno rilascia energia: quella che inizialmente era impiegata nell’Attrazione Nucleare.

Al contrario, in nuclei più grandi di 2,5 femtometri, l’Attrazione Nucleare non riesce più ad agire: non solo essi non liberano energia durante una ipotetica fusione, ma hanno addirittura bisogno di assorbirne perché tale reazione avvenga.

La fusione nucleare che si verifica nelle stelle avviene tra elementi leggeri e, via via che tutto il combustibile viene trasformato nelle successive reazioni, produce virtualmente tutti gli elementi esistenti nell’universo. È perciò ragionevole pensare che anche gli atomi di cui siamo fatti, milioni di anni fa siano stati creati all’interno delle stelle.

Anche l’uomo ha imparato il mestiere delle stelle

Qui sulla Terra ovviamente mancano le condizioni di pressione necessarie di cui le stelle si servono grazie alla loro massa e quindi forza di gravità, di conseguenza per ottenere reazioni di fusione nucleare è necessario spingere gli atomi alla collisione in un altro modo. Grazie a reattori in grado di raggiungere al proprio interno temperature dell’ordine di 100 milioni di gradi Kelvin, le particelle possono essere accelerate abbastanza da avvicinarsi tra loro più di quanto la repulsione di Coulomb normalmente permetterebbe, cominciando a subire invece l’Attrazione Nucleare. A questo punto la vera e propria fusione dei due nuclei avviene, con liberazione di energia (e di materiale subatomico) maggiore di quanta ne era inizialmente richiesta: la reazione è esotermica, e si sostiene da sola con il solo bisogno di aggiungere combustibile.

Ci sono al momento due modalità per ottenere la fusione nucleare: attraverso plasma confinato grazie ad un forte campo magnetico di forma toroidale (tokamak) oppure comprimendo il materiale da fondere ad altissime densità e poi riscaldandolo con appositi laser o raggi di particelle.

Una fonte di energia pulita

In laboratori come il Max Planck di Monaco, la fusione nucleare è resa possibile grazie alla creazione controllata di plasma. Il plasma è uno stato della materia in cui gli atomi stessi sono suddivisi nelle loro parti: gli elettroni sono separati dal nucleo a causa della enorme quantità di energia (calore) a cui sono sottoposti, e queste particelle (elettroni e nuclei atomici) sono libere di muoversi indipendentemente tra loro sotto forma di ioni. Gli atomi più utilizzati per questo tipo di esperimenti sono gli isotopi dell’Idrogeno Deuterio (presente nell’acqua marina ad una concentrazione di circa 30 grammi/metro cubo d’acqua; a confronto un bicchiere d’acqua sottoposto a fusione produrrebbe la stessa quantità di energia ottenuta bruciando un barile di combustibile fossile) e Trizio (raro sulla Terra ma sostituibile con Elio-3, molto probabilmente abbondante sulla superficie lunare). Dalla loro fusione a parità di massa si guadagna quattro volte l’energia ottenibile dalla fissione dell’Uranio-235. Inoltre, a differenza del processo di fissione, la fusione non produce alcun rifiuto radioattivo ed è completamente sicura per l’ambiente: se anche si dovesse perdere il controllo della reazione e il reattore venisse danneggiato, il plasma subirebbe immediatamente un’espansione e un raffreddamento che lo renderebbero innocuo e subito diluibile nell’ambiente, data la piccolissima quantità di materiale di cui sarebbe composto.

Progetti ambiziosi in corso

Reattori sempre più potenti sono in studio al momento, come ad esempio l’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) a Cadarache, in Francia, che una volta in funzione intorno al 2025 sarà il più grande al mondo. Questa tecnologia, sebbene conosciuta già dagli ultimi decenni del secolo scorso, è ancor a in via di sperimentazione: non si sa ancora con certezza se i costi e la quantità di energia necessaria per dare inizio alla reazione verranno poi ripagati. Per il momento gli investitori tendono ancora a fidarsi di fonti energetiche tradizionali che hanno già dato prova della loro affidabilità, come ad esempio idroelettrico e solare.


Nicole Meregalli



Lascia un commento

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: