Fisica / La fusione nucleare

Per partire in questo viaggio serve la conoscenza di due leggi della natura. La prima è la famosa equazione di Einstein: la massa può essere convertita in energia. Ora nei processi realizzati dall'uomo solo una piccola parte della massa si trasforma in energia ma in un'annichilazione completa, da un chilo di materia è realmente possibile ricavare 10.000.000.000.000.000 joule di energia.
La seconda legge è meno nota ma di più facile comprensione. Quando delle particelle nucleari, parleremo col termine nucleoni, ovvero neutroni e protoni si fondono per formare un nucleo atomico, perdono parte della loro massa che va a trasformarsi in energia. E' la legge del difetto di massa.

I processi nucleari fin ora conosciuti dall'uomo sono due. La fusione sovracitata e la fissione nucleare, abche conosciuta come reazione a catena; impiegata in tutte le centrali atomiche esistenti. Processo un po' più complesso che tenteremo di spiegare in un altro momento, se l'articolo avrà successo.

Tutti i nuclei sono formati dalla somma di alcune particelle più piccole, disposte su diversi orbitali nucleari. Abbiamo l'idrogenione, formato da un solo protone. E abbiamo il deuterio formato da un protone e un neutrone e il trizio formato da un protone e due neutroni. Poi abbiamo l'elio-4, con due protoni e due neutroni e l'Elio-3 con due protoni e un solo neutrone.

Non è difficile pensare a questi nuclidi, basta avere in mano un gruppo di biglie bicolori per memorizzare facilmente tutti i nomi!

Il trucco della fusione si esplica quasi tutto a livello di questi nuclidi. Se ad esempio prendiamo due nuclei di deuterio, in via completamente teorica potremmo ottenere:

pn + pn = pnpn

Ovvero un nucleo di elio. Abbiamo detto che fondendo assieme l'energia è in eccesso e quindi la reazione produce calore. Supponiamo di fondere un protone singolo con un tritione

p + pnn = pnpn

Ancora una volta otteniamo elio e un tot di calore in eccesso che viene liberato dalla reazione anche sotto forma di radiazioni.

Qual è dunque il problema che rende irrealizzabile questo processo? Dunque i protoni hanno carica positiva. Ebbene, avvicinare due protoni corrisponde ad avvicinare due calamite con lo stesso polo. Ad una certa distanza, necessaria per avere la fusione, la repulsione diventa tale che i due protoni rimbalzano via.

Sono quindi necessarie energie magnetiche e temperature enormi, perchè questo processo avvenga. Nei Tokamak, le centrali odierne, tutti prototipi, si raggiunge qualche milione di gradi, poco più della temperatura presente nel centro del sole.

Eh già, infatti la più grande centrale a fusione è proprio il sole, dove l'immensa forza di gravità supplisce facilmente alla repulsione esercitata tra i nuclei.

Stratagemmi. Utilizzare atomi con elettroni pesanti (muoni) la cui carica negativa faccia da schermo alla carica positiva del nucleo, prima che i suddetti muoni decadano in elettroni classici. Oppure, visto che la fusione rende dieci volte l'energia di una centrale atomica a fissione, creare impianti in cui l'energia usata per innescare il processo sia resa con gli interessi da quella prodotta. Impianti del genere sono già in fase di realizzazione. E' un po' quello che succede nelle bombe a fusione (bombe H) dove una bomba atomica tradizionale funge da miccia per portare la temperatura al milione di gradi necessari per innescare la fusione del deuterio. Per finire, vi invito a rileggervi l'articolo sulla fusione fredda la quale consisterebbe nell'innescare il processo a temperatura ambiente sfruttando le proprietà di alcuni metalli come il palladio, il platino e il tungsteno che, fungendo come spugne, avvicinano i nuclei di deuterio e trizio fino alla distanza critica. Utopia? Forse!

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