Fusione nucleare controllata

Ezio Zenari

L’obiettivo della nostra civiltà moderna, come condizione di assicurare lo sviluppo economico, è ottenere energia da materie prime estremamente comuni e di facile reperimento il cui sfruttamento comporti la possibilità di preservare l’ambiente, nel senso più esteso della parola, senza far mancare l’energia, anzi fornirla a costi bassi a tutta l’umanità, visto l’imponente crescita demografica in atto in questo secolo.

Risulta evidente che il ricorso all’energia verde non basta e non basterà a soddisfare tutte le richieste e quindi si deve ricorrere a processi di produzione della stessa ad impatto ambientale estremamente ridotto.

Con lo sviluppo degli studi sulla teoria quantistica, gli studiosi hanno preso in considerazione la possibilità di sfruttare i processi energetici che avvengono nei nuclei stellari, denominata fusione nucleare.

Un esempio, a scopo bellico, è stato realizzato con la bomba termonucleare o bomba H che è un processo di fusione nucleare non controllato e quindi estremamente distruttivo che ha bisogno, per esplodere, di un innesco estremamente potente tramite una bomba atomica al Plutonio (Pu) che permette la fusione dei nuclei di Deuterio (D) che si trasformano in nuclei di elio (He) con rilascio di fotoni gamma ( ) e neutroni ad alta energia i quali sono responsabili degli effetti catastrofici di questi ordigni bellici.

Poiché sia il Deuterio che altri elementi sono facilmente reperibili in natura, in principale modo nell’acqua di mare, risulta evidente che l’approvvigionamento diventerebbe molto semplice per tutte le società organizzate come entità statali.

I combustibili adeguati a tale scopo sono il Deuterio ossia un isotopo dell’Idrogeno, che si trova nell’acqua pesante, il cui nucleo è composto da un protone ed un neutrone, il Trizio ossia un altro isotopo dell’Idrogeno il cui nucleo è composto da un protone e due neutroni, è moderatamente radioattivo, ed il boro-11.

Il problema è come confinare e controllare il plasma (fluido non di atomi ma di ioni ossia atomi spogliati dei rispettivi elettroni) che richiede enormi temperature ed enormi campi magnetici per renderlo stabile impedendo di disperdersi con la conseguenza di non ottenere produzione di energia.

Il concetto è di costruire delle macchine che siano in grado di comprimere, in modo estremamente elevato, mediante tecniche meccaniche o per mezzo di fasci laser ad altissima energia, il plasma permettendo i’innesco della fusione degli elementi prima menzionati che comportano temperature comprese nell’intervallo tra  100 milioni e 3,5 miliardi di gradi centigradi .

Esistono progetti già in fase di attuazione per controllare le reazioni di fusione che sono, a livello europeo, il progetto ITER che si basa sull’uso di enormi magneti superconduttori che servono a contenere il plasma ad una temperatura di 150 milioni di gradi centigradi per alcuni minuti e studiare il comportamento del plasma con l’obiettivo di poter poi passare alla fase di ingegnierizzazione e produzione industriale.

Esistono poi altri progetti portati avanti da piccole società che utilizzano metodi meccanici o tecniche laser per indurre la fusione del combustibile senza però uno studio preliminare teorico sul comportamento del plasma anche a temperature più elevate, percorrendo una strada pratica e pragmatica controllando i risultati sia positivi che negativi.

Sul tecnicismo si rimanda all’articolo riportato sulla rivista “Le Scienze” di gennaio 2017  n° 581 dove sono illustrate le varie tecniche con i loro pregi e difetti.

 

Immaginiamo ora, per fissare le idee, di fondere 4 nuclei di Idrogeno  in un nucleo di Elio  dove il deponente indica il numero di protoni nel nucleo e l’esponente il numero di protoni e neutroni sempre nello stesso nucleo atomico.

Il bilancio energetico espresso in u.m.a. pari a “unità di massa atomica” sarà:

                           

dove il valore 0,028697 è la perdita di massa dopo la fusione, sottoforma di energia rilasciata.

In questa equazione si sono introdotte le masse degli atomi in luogo di quelle dei nuclei come in uso fare per le reazioni nucleari, senza far comparire le masse degli elettroni che intervengono nel processo.

In realtà la reazione nucleare sarebbe:

                                     

Con l’emissione di due positoni che pareggiano il bilancio delle cariche nucleari e di due neutrini .

Ma poiché il sistema complessivo deve essere elettricamente neutro, bisogna osservare che i 4 atomi di Idrogeno H originari contengono 4 elettroni contro i 2 dell’atomo dell’Elio He: i due in eccesso compensano i due positoni che prima o poi si annichiliranno con essi.

La massa in eccesso di 00,028697 u.m.a. corrisponde ad una energia di 26,73 MeV  (Mega elettron Volt) che si rende disponibile nel processo, in fotoni ed energia cinetica delle particelle materiali che vi prendono parte compresi i neutrini .

Ora si possono immaginare parecchie serie di reazioni che portano allo stesso risultato per stadi successivi i quali implicano l’incontro di 2 sole particelle che si possono ritenere realizzabili.

La più semplice risulta la seguente:

                                     

                                     

Questa reazione è denominata “reazione protone-protone”.

Notiamo che le prime due reazioni devono ripetersi due volte per produrre due atomi di  che poi danno luogo all’ultima reazione .

Sono dunque sei atomi di Idrogeno H che vi partecipano, due dei quali sono rigenerati dalla terza reazione mentre i due positoni  originati nella prima reazione ripetuta due volte, vengono neutralizzati, come si è gia affermato, da due elettroni orbitali in eccesso provenienti dagli atomi di Idrogeno H combinati in Elio He.

Premesso questo, il problema di produrre sulla Terra una reazione di fusione spontanea, lenta e regolabile, si presenta dunque estremamente difficile.

Si tratta di raggiungere temperature dell’ordine di  gradi Kelvin (gradi assoluti, dove corrisponde a 273 ) in una massa di gas (plasma) e di mantenerle per tempi abbastanza lunghi affinché l’energia complessivamente sviluppata dalla reazione arrivi a superare la spesa per produrla.

Per riscaldare il plasma si ricorre a scariche elettriche con intensità di centinaia di migliaia di Amper contenute in un campo ristretto attraverso l’azione di campi magnetici molto intensi come precedentemente descritto, in moda da evitare il contatto del plasma con le pareti del rettore che non ne sopporterebbero l’alta temperatura.

Come gas, in luogo dell’Idrogeno H, si è pensato di ricorrere, quando il problema della temperatura sarà risolto, al Deuterio D o al Trizio T i quali offrono prospettive ben più favorevoli di quelle che si possono ottenere nella reazione protone-protone, attraverso la reazione:

                                     

dove: 

= Deuterio isotopo dell’Idrogeno  con un neutrone nel nucleo;

= Trizio isotopo dell’Idrogeno con due neutroni nel nucleo oltre al solito protone;

= neutrone veloce.

 

Quindi un reattore a fusione presenterebbe dei grandi vantaggi rispetto ai tradizionali reattori a fissione (Uranio, Plutonio) sia perché il Deuterio  si può ricavare in grande quantità dall’acqua di mare e sia perché non darebbe luogo a quelle grandi quantità di sostanze radioattive che rappresentano il sottoprodotto inevitabile ed indubbiamente pericoloso dei reattori a fissione.

Attualmente si è preso in considerazione il Boro-11  ossia l’isotopo del Boro con 5 protoni e 6 neutroni nel nucleo (5+6=11) come combustibile, primo perché abbondante in natura poi perché emette, nella reazione, solo particelle a (3 nuclei di Elio He) e raggi x ad alta energia ma pochissimi neutroni veloci  che andrebbero ad alterare i materiali del reattore, d’altra parte la temperatura  di fusione raggiunge i .

Le prospettive di una produzione industriale di energia con queste tecniche pone ancora enormi problemi visto le temperature in gioco e la forte instabilità del plasma che funge da combustibile il quale è enormemente difficile da controllare.

Secondo alcuni esperti, i tempi per la realizzazione di questi processi sono dell’ordine di circa 60 – 100 anni che nel contempo veda affermarsi una teoria unificata delle forze fondamentali (modello standard delle particelle e la relatività generale) che sia in grado di spiegare, con successo, nei minimi dettagli il comportamento vero della natura.

Quindi si rende necessario, per il momento, oltre all’uso delle energie rinnovabili anche l’uso di reattori nucleari a fissione a pressione atmosferica che utilizzano un circuito chiuso di raffreddamento del nocciolo composto di una lega fusa di Piombo-Cadmio ad una temperatura di 600  utilizzando le scorie radioattive generate dagli attuali reattori di TERZA GENERAZIONE , quali elementi come l’Uranio 238 impoverito, il Plutonio, il Torio ecc. con la produzione finale  di isotopi radioattivi di Iodio con tempi di decadimento pari ad 80 – 100 anni.

Questo rende facile lo stoccaggio in appositi spazi, in condizioni di sicurezza.

Inoltre la possibilità di recuperare il calore in eccesso dal fluido di raffreddamento tramite un processo di pirolisi dell’acqua, permetterebbe di produrre Idrogeno ed Ossigeno come fonti energetiche non inquinanti.

Questo processo è stato messo a punto,in via teorica, dal Prof. Rubbia  e collaboratori intorno al 2007 e già in fase sperimentale in alcuni centri di ricerca universitari statunitensi ma questa è un’altra storia da approfondire!.

FUSIONE NUCLEARE CONTROLLATA