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Energia da fusione

Le reazioni termonucleari costituiscono la sorgente principale di energia nelle stelle e hanno un ruolo molto importante nei processi astrofisici. All’interno delle stelle la temperatura e la densità della materia sono così elevate da produrre un gran numero di reazioni di fusione. Il principale costituente della materia stellare, l’idrogeno (H), viene convertito in elio (He), sprigionando una quantità enorme di energia termica, radiazione elettromagnetica, flusso di particelle (vento solare) e neutrini.

Interno del sole
Immagine elaborata dell'interno del Sole, con indicate le diverse zone di produzione e trasferimento di energia.

La serie di reazioni che da due nuclei di idrogeno conduce ad un nucleo di elio 4He (o particella α, costituito da 2 protoni e 2 neutroni) attraverso la formazione di deuterio (2H = D, isotopo  dell’idrogeno) ed 3He, isotopo dell’elio) è detta catena protone-protone (p-p). L'energia complessiva liberata per formare un nucleo di 4He pari a 26,72 MeV (1 keV=11.6 106 K). In stelle di grande massa il cui nucleo raggiunge temperature di circa 16 milioni di K, è dominante la catena carbonio-azoto-ossigeno (CNO), nella quale partendo da 4 protoni si ha la produzione di una particella α, due positroni e due neutrini. L’energia liberata in questo ciclo di reazioni è pari a 27,07 MeV. 

Nel Sole e nelle stelle i processi di fusione sono favoriti da forze gravitazionali e temperature estremamente elevate che consentono la formazione di un plasma di contenuto energetico sufficiente.

Per poter replicare sulla Terra occorre un approccio differente, che consiste nell'utilizzo di isotopi dell'idrogeno - il deuterio (D, nucleo formato da un protone e 1 neutrone) ricavabile dall'acqua e il trizio (T, nucleo formato da 1 protone e 2 neutroni) - ricorrendo a temperatura quasi 6 volte maggior che nel nucleo del Sole. La seguente figura illustra il concetto di isotopi applicato al caso dell'idrogeno, che presenta le stesse proprietà chimiche (stesso numero atomico Z) ma diverse proprietà fisiche (diverso numero di massa A). 

 
Idrogeno, deuterio e trizio a confronto
L'idrogeno e i suoi isotopi pesanti: deuterio e trizio. Il diverso numero di neutroni presenti nei rispettivi nuclei ne determina una massa complessiva differente (immagine elaborata, fonte https://306physics.wikispaces.com/Nuclear+Physics).

La reazione D-T (illustrata nella figura sottostante) 2H + 3H → 4He + n è quella che richiede una temperatura di lavoro più bassa e che possiede una sezione d’urto e una reattività (numero medio di reazioni per unità di tempo e di volume) più elevate alle temperature raggiungibili in laboratorio. Pertanto tale reazione è quella scelta nella prima generazione di reattori. Libera 17,6 MeV sotto forma di energia cinetica dei prodotti risultanti (14.1 MeV per il neutrone, 3.2 MeV la particella α).

Reazione di fusione D-T

Fisica della fusione nucleare

Il principio fondamentale della fusione è rappresentato dalla collisione di nuclei atomici energetici: occorre “fondere” due nuclei carichi positivamente (ad esempio deuterio e trizio), vincendo la repulsione elettrostatica esistente tra cariche dello stesso segno. 

Interazione coulombiana e plasma termalizzato

 

Ciò si può realizzare in maniera efficiente solo sfruttando il moto di agitazione termica in un gas termalizzato ad alta temperatura, ossia un plasma. Nel processo di fusione di nuclei di atomi leggeri viene liberata una quantità di energia legata alla differenza di massa complessiva dei prodotti di reazione rispetto a quella dei reagenti, secondo la relazione ΔE = Δm c2  

Affinché un numero utile di reazioni di fusione possano avvenire in un reattore, una significativa quantità di energia deve essere immessa nel plasma confinato allo scopo di portarne l’energia media, cioè la temperatura, a valori dell'ordine di 10-100 keV. Il processo di produzione di energia è conveniente dal punto di vista del bilancio complessivo se la potenza prodotta dalle reazioni di fusione è maggiore della potenza immessa nel sistema per realizzare le condizioni di plasma richieste. Si indica con il fattore di guadagno Q il rapporto tra la potenza prodotta da reazioni di fusione PFUS e quella immessa nel sistema PIN, Q=PFUS/PIN. Il criterio minimo da soddisfare è quindi Q>1 (Q=1 è chiamata condizione di break-even).

Un altro parametro importante per quantificare l'efficienza di una reazione nucleare è il triplo prodotto n T τE dove n è la densità del plasma, T la sua temperatura e τE il tempo di confinamento dell'energia (definito dal rapporto tra energia del plasma e potenza addizionale fornita).

Quando il triplo prodotto risulta essere maggiore di una determinata soglia (funzione della temperatura) si ottiene l'ignizione, condizione per la quale il plasma risulta tale che il calore prodotto dalle reazioni di fusione auto-sostiene le reazioni stesse.

Tecnologie per la fusione

Nelle stelle il plasma è confinato dall’intenso campo gravitazionale generato dalla sua massa. In laboratorio ciò non è possibile ma rimane la necessità che il plasma sia ben confinato perché le reazioni nucleari siano tali da sostenere il processo di fusione. La struttura di confinamento deve essere mantenuta a temperature ragionevolmente basse al contrario del plasma che deve essere portato alle temperature di centinaia di milioni di gradi: in tali condizioni il contatto porterebbe ad un raffreddamento del plasma stesso e le pareti del contenitore verrebbero danneggiate. 

A questo scopo, le due linee di ricerca maggiormente perseguite sono il confinamento magnetico ed il confinamento inerziale.

Il confinamento magnetico utilizza forti campi magnetici in grado di vincolare il moto delle particelle cariche del plasma ad essere confinato in una regione limitata.

Nelle macchine a confinamento magnetico, il campo viene generato facendo fluire correnti elettriche in bobine poste attorno alla zona di confinamento del plasma e quindi alla camera che lo contiene. Una soluzione vantaggiosa per limitare le perdite dovute alla dinamica delle particelle sfrutta un contenitore di forma toroidale che non ha estremità aperte: al suo interno le linee di forza sono circonferenze chiuse. In realtà le particelle cariche in un campo non uniforme sono soggette a moti di deriva trasversali che causano la perdita del loro confinamento. Per ovviare a tale problema si ricorre a linee di forza del campo magnetico che non siano semplici circonferenze ma che si avvolgano ad elica su superfici toroidali. Esempi di questa configurazione sono il tokamak e lo stellarator.

Nello schema di confinamento inerziale una miscela di deuterio-trizio allo stato liquido contenuta in una sfera cava di alcuni millimetri di diametro viene bombardata con fasci laser ad alta potenza (centinaia di terawatt per una decina di nanosecondi) o fasci di particelle energetiche distribuiti uniformemente sull’angolo solido, contemporaneamente da diverse direzioni, producendo sulla superficie del bersaglio un plasma in rapida espansione. Per reazione, la regione interna della sferetta contenente il combustibile D-T è soggetta ad una forte compressione verso il centro, finché la sua densità raggiunge valori elevatissimi per un tempo brevissimo (circa 1000-10000 volte la densità della materia solida per qualche nanosecondo) e la temperatura di ignizione (circa 100 milioni di K).


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