In questi giorni si sta parlando sempre piu' di fusione nucleare, su come poter usufruire in futuro di una quasi totale fonte di energia pulita inesauribile priva di scorie radioattive e/o di condizioni di esplosione e instabilità. Una svolta epocale, "un passo che potrebbe rivoluzionare il mondo energetico" e umano; queste sono alcune delle citazioni della conferenza di Washington, in cui pare si siano ottenute le famose condizioni di ignizione e per la prima volta nella storia della fisica la fusione nucleare ha prodotto piu' energia di quella necessaria al suo mantenimento. $$ \diamond {\large \diamond}\diamond $$

In cosa consiste la Fusione Nucleare

A Differenza della Fissione Nucleare che prevede la suddivisione di un nucleo pesante in due piu' leggeri, nella Fusione Nucleare due nuclei leggeri si uniscono per formarne uno piu' pesante. Un esempio semplice di fusione nucleare consiste nalla reazione degli isotopi leggeri dell'idrogeno: Deuterio \(^2H\) e Trizio \(^3H\). In questa semplice reazione "esotermica" (ad emissione di energia) Si produce il nuovo elemento, l'elio \(He\), e si emette un'ennergia energia dell'ordine dei \(MeV\) (mega elettronvolt).

Reattori nucleari Tokamak

Il processo di fusione nucleare avviene in modo del tutto naturale nelle stelle. Il sole ad esempio è un luogo in cui la fusione nucleare è alla base sia della emissione luminosa, sia della battaglia contro la gravità. Senza la fusione nucleare il sole imploderebbe sotto il peso della sua gravità. Per poter generare una piccola fusione nucleare artificialmente abbiamo bisogno di un apparecchietto chiamato reattore termonucleare. Uno di questi è il tokamak. Si tratta di un reattore nucleare di tipo toroidale a confinamento magnetico.

In questo reattore un gas di idrogeno deve essere portato ad altissime temperature e a basse pressioni, fino al raggiumgimento dello stato di plasma in cui il gas è ionizzato. Per raggiungere le condizioni di fusione nucleare bisogna vincere l'interazione coulombiana tra gli atomi del gas. Queste condizioni si raggiungono solo impiegando gradi quantità di energia per confinare il plasma. Il procedimento è molto delicato è può essere attuato ad esempio attraverso l'uso di campi esterni. In un tokamak il confinamento è di tipo magnetico. Un grosso toroide elettromagnetico genera un campo magnetico toroidale ed un solenoide centrale genera un campo magnetico poloidale. Questi campi, insieme, formano il campo magnetico helicale per il confinamento del plasma.

Criterio di Laswon: Equazioni del Reattore

Questo critero è stato ideato dall'ingegnere e fisico inglese John Lawson per caratterizzare i parametri principali di un reattore ideale a fusione nucleare. Possiamo seguire brevemente il ragionamento di Laswon nel modo seguente: In un reattore all'equilibrio, la potenza immessa \(P_{IN}\) è uguale alla potenza emessa \(P_{OUT}\). In una reazione tipica "Deuterio-Trizio \(D-T\)", la potenza in uscita si suddivide in potenza di frenamento Bremsstrahlung \(P_B\) e potenza di trasporto \(P_T\). Durante la fusione del plasma viene emessa una potenza nucleare \(P_N\) che soddisfa alla relazione: $$ P_N = {1\over 4}n^2\langle\sigma v \rangle W_N $$ In cui il prodotto \(\langle\sigma v \rangle W_N\) riassume l'energia media delle interazioni tra le particelle, mentre \(n\) è la densità (uguale) per deuterio e trizio. La potenza in uscita può essere modellata dal termine \({3nT \over \tau_e}\).Ora qui' arriva l'ipotesi di Lawson, per cui: La potenza in ingresso viene reimmessa attraverso la potenza nucleare e la potenza di trasporto in misura proporzionale ad un fattore di efficienza \(\eta\), da qui si ricava la seguente relazione del reattore di Lawson: $$ P_{IN} = \eta(P_N+P_T)={3nT \over \tau_e} + C_Bn^2\sqrt T$$ $$ n\tau_E = {3T \over {\eta \over 1-\eta}\langle\sigma v\rangle {W_N \over 4}- {C_B \over 1-\eta}\sqrt T} $$ Questa relazione descrive il comportamento in funzione della temperatura (espressa in elettronVolt) del reattore, in particolare del suo tempo di confinamento. Si scopre ad esempio come un reattore di tipo tokamak opera ad un regime a bassa densità ed alta temperatura e tempo di confinamento, mentre altri reattori cosiddetti inerziali operano ad alta densità e basso tempo di confinamento.

Confinamento inerziale

La notizia che il governo degli USA ha lanciato in questi giorni, fa riferimento ad un'altra tipologia di confinamento cosiddetto "inerziale". Questo procedimento è attuato da gruppi di fasci laser o fasci di particelle accelerate focalizzati su una microsfera di alcuni millimetri entro cui deuterio e trizio sono allo stato liquido. Nell'esperimento condotto al Lawrence Livermore National Laboratory "LLNL", sono stati impiegati ben \( 192 \) laser per generare un'energia pari a \(2.5MJ\) ed ottenerne in uscita anche se per un tempo infinitamente breve \(3.15 MJ\) da qui la svolta epocale. Per azionare comunque l'intero apparato è stata spesa un'energia molto superiore circa \(300MJ\); resta comunque importante da un punto di vista teorico la possibilità di raggiungere le suddette condizioni di ignizione per cui la fusione è autosostenibile e stabile. Ma la strada è lunga...

Il processo di confinamento inerziale, piu' sinteticamente, si suddivide in \(4\) fasi principali che costituiscono il ciclo di vita della microsfera. per prima cosa si effettua una Focalizzazione. A questo livello lo strato della microsfera viene riscaldato dai laser che in qualche modo vengono covogliati in un'area di qualche millimetro. Successivamente inizia la fase di Ablazione ed Implosione in cui la miscela viene resa estremamente densa e calda. Raggiunte le condizioni di Lawson, si perviene allo stato di Ignizione in cui l'inerzia dei nuclei D e T mantiene unito il combustibile per il tempo necessario allo sviluppo di un numero di reazioni di fusione sufficiente ad avere un bilancio energetico globale positivo, da qui la Fusione. L'intero procedimento ha una durata estremamente infinitesima dell'ordine dei nanosecondi \(10^{-9}s\).

La fusione nucleare ha il pregio di non rilasciare scorie o altre sostanze nocive, a differenza della fissione nucleare. Il percorso è iniziato, un altro tassello si è aggiunto per la conquista dell'energia.