Non è tutto nocivo ciò che è nucleare: il futuro è fusione
Ogni giorno luce e calore ci giungono dal sole, dove la materia diventa energia. E se vi dicessi che è possibile riprodurre il processo “che move il sole e l’altre stelle” qui, sulla Terra? Oggi parliamo di fusione nucleare, un’alternativa sicura alla più – tristemente – nota fissione nucleare.
La fusione è un processo nucleare in cui dei nuclei a basso numero atomico si fondono in nuclei più pesanti. È la reazione attraverso cui il Sole e le altre stelle si alimentano ed è alla base del processo di nucleosintesi che avviene nelle stelle, cioè della produzione degli elementi naturali a partire dall’idrogeno fino alla formazione del ferro-nickel.
La temperatura di 15 milioni di gradi centigradi che raggiunge il Sole può essere garantita proprio dalle reazioni di fusione che interessano il suo strato più profondo. Il nucleo solare, infatti, può essere pensato come un’immensa centrale che produce energia bruciando, ogni secondo, ben 700 milioni di tonnellate di idrogeno pur convertendolo in elio tramite processi di fusione nucleare.
Ciò si verifica non solo nel Sole ma anche nelle altre stelle, dove la forza di gravità vince la repulsione coulombiana – per cui due atomi dovrebbero respingersi vicendevolmente – portando i nuclei a livelli di pressione e temperatura talmente elevati da innestare, a causa del loro avvicinamento, reazioni di fusione.
In questi processi il nucleo prodotto presenta una massa totale minore della somma delle masse reagenti. La fisica, però, ci insegna che “nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma” e di certo il fenomeno che stiamo analizzando non si sottrae a questo principio di conservazione dell’energia. Grazie al contributo di Albert Einstein oggi sappiamo che non ha senso parlare di materia ed energia come di due aspetti della realtà distinti e separati, dato che l’una può trasformarsi nell’altra secondo la celebre equazione matematica, dove E rappresenta l’energia, m la massa e c la velocità della luce nel vuoto. Da questo si evince come possa essere spiegato quello scompenso nella massa totale finale: la differenza si presenta sottoforma di energia conferendo al processo caratteristiche fortemente esotermiche – la capacità di trasferire energia termica dal sistema all’ambiente.
Mentre l’attivazione del processo di fissione nucleare richiede poca energia, la repulsione elettrostatica porta la reazione di fusione a necessitare di una considerevole quantità di energia per avvicinare i nuclei reagenti – questi ultimi riescono a vincere la repulsione solo arrivati a distanze dell’ordine di grandezza dei nuclei stessi. Com’è possibile, quindi, riprodurre questo stesso fenomeno sulla Terra? La risposta è negli isotopi dell’idrogeno!
Tra le varie reazioni di fusione note, risulta che l’energia da fornire è minima per la reazione che coinvolge gli isotopi pesanti dell’idrogeno, il deuterio (D) – il cui nucleo è formato fa un protone e un neutrone – e il trizio (T) – il cui nucleo è formato da un protone e due neutroni – che si fondono in un nucleo di elio (4H). Il nucleo dell’idrogeno comune è formato invece da un solo protone.
La reazione D + T 4He + n presenta infatti la soglia di energia più bassa e la probabilità più alta. Per questi motivi, il ciclo DT è quello su cui si concentrano gli attuali modelli di reattore a fusione.
Per ottenere una significativa frequenza delle reazioni D + T occorre raggiungere temperature dell’ordine di 100 milioni di gradi centigradi. Date le elevate temperature, le reazioni di fusione avvengono in un combustibile allo stato di plasma, ciò che può essere definito il quarto stato della materia, oltre agli stati solido, liquido e gassoso. Un plasma è un gas caldo ionizzato i cui atomi hanno perso in parte o totalmente i loro elettroni – è quindi costituito da elettroni e ioni positivi. L’energia rilasciata nella reazione, pari a 17,6 MeV, è ripartita tra energia cinetica dei nuclei di 4He al 20% ed energia cinetica dei neutroni per il restante 80%. I nuclei di 4He – particelle alfa– depositano la loro energia nel plasma mantenendolo caldo, mentre i neutroni escono dalla camera di reazione e la loro energia può essere convertita in energia elettrica.
La fusione nucleare rappresenta, in tempi critici come i nostri per l’ambiente, una soluzione potenzialmente in grado di risolvere ogni problema energetico mondiale: si stima che un ipotetico reattore potrebbe generare 500 milioni di watt per ogni 50 MW di energia immessa – 10 volte di più. Quello che sembrava essere solo un sogno sta muovendo negli ultimi anni degli enormi passi verso una vera e propria concretizzazione. In fondo, gli esperti hanno sempre saputo che puntare sulla fusione sarebbe stato decisamente più redditizio e meno pericoloso del perfezionamento della fusione, ma nel secondo dopoguerra si sono concentrati sulla seconda strada per la sua relativa facilità di realizzazione.
La fissione dell’uranio è stata per anni considerata una tecnologia di successo, mentre la fusione, adoperando isotopi dell’idrogeno da estrarre dall’acqua di mare, risultava più complicata da mettere in pratica. C’è da considerare però che le scorie della fissione sono radioattive, fanno ammalare, ci portano alla morte, inquinano il nostro pianeta, cosa che non riguarda, nella maniera più assoluta, l’energia prodotta dalla fusione di due nuclei atomici, che risulta una fonte di energia potenzialmente illimitata, pulita e sicura.
Al momento, il progetto più avanzato verso la realizzazione di energia elettrica da fusione è ITER, un progetto internazionale cooperativo tra Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d’America, Corea del Sud e India. Lo sperimentale reattore commerciale a fusione termonucleare sarà situato nel sito di Cadarache (Francia) e si pensa che sarà possibile metterlo in azione per la prima volta intorno al 2020.
Rebecca Grosso
Conosci la storia dietro la tavola periodica degli elementi? Clicca qui per soddisfare la tua curiosità!
