|
da enea.it
1 - La fusione termonucleare
E' la reazione nucleare che avviene nel sole e nelle altre stelle, con
produzione di una enorme quantità di energia. Nella reazione di
fusione nuclei di elementi leggeri, quali l'idrogeno, a temperature e pressioni
elevate, fondono formando nuclei di elementi più pesanti come l'elio. Sono
noti tre isotopi dell' idrogeno: l'idrogeno propriamente detto (H), il deuterio
(D) e il trizio (T). Il nucleo di tutti e tre contiene un protone, il che
li caratterizza come forme dell'elemento idrogeno; il nucleo di deuterio
contiene inoltre un neutrone mentre quello del trizio due neutroni. In tutti i
casi l'atomo neutro ha un elettrone al di fuori del nucleo per compensare la
carica del singolo protone. La reazione più probabile è quella che avviene
tra un nucleo di deuterio e un nucleo di trizio, reazione in cui si genera un
nucleo di elio (particella alfa) e un neutrone. In questa reazione la massa
complessiva dei prodotti è inferiore a quella delle particelle interagenti e si
verifica liberazione di energia secondo il principio di equivalenza
massa-energia. L'energia liberata si distribuisce tra la particella alfa e il
neutrone in rapporto inverso alle rispettive masse.
I due nuclei interagiscono solo a distanze molto brevi, equivalenti alle
dimensioni del nucleo (10-13cm-3); in questo
caso le forze nucleari sono predominanti sulle forze di repulsione
elettrostatica dovute alla carica positiva dei nuclei (forze che crescono all'avvicinarsi dei nuclei in proporzione inversa al quadrato della distanza).
Perché due nuclei si avvicinino a distanze sufficientemente brevi è necessario
che la velocità con cui si urtano sia molto alta; la loro energia cinetica
(e quindi la temperatura) cioè deve essere molto elevata. Per ottenere in
laboratorio reazioni di fusione, ad esempio, è necessario portare una miscela di
deuterio e trizio a temperature elevatissime (100 milioni di gradi) per tempi di
confinamento sufficientemente lunghi. In tal modo i nuclei hanno tempo di fare
molte collisioni, aumentando la probabilità di dar luogo a reazioni di fusione.
2 - Le reazioni termonucleari delle stelle
A temperatura ordinaria, in un gas, le particelle sono
neutre; viceversa a temperatura superiore a qualche eV, poiché le singole
particelle tendono a dissociarsi negli elementi costitutivi (ioni ed elettroni)
il gas si trasforma in una miscela di particelle cariche, cioè un plasma.
Il plasma, costituisce il 99% della materia di cui e' composto l' Universo e
quindi è detto anche: "quarto stato della materia". E' il
principale costituente delle stelle e del sole. Nel sole, che ha una temperatura
interna di 14 milioni di gradi, la reazione di fusione di nuclei di idrogeno
(reazione protone-protone) è responsabile di gran parte dell'energia che
giunge fino a noi sotto forma di calore e di luce (e di neutrini solari).
In stelle più calde o di massa maggiore prevalgono altre
reazioni. A temperature intorno ai 15-20 milioni di gradi queste reazioni si
basano sul ciclo del carbonio in cui il C12 funge da
catalizzatore per la fusione di 4 protoni in un nucleo di He4 ,
due positroni, due neutrini, e un gamma, con sviluppo di
26.63 MeV di energia (di cui il 5% è associata ai neutrini prodotti).
Il problema dell'evoluzione stellare è governato dall'energia da fusione e
dall'energia gravitazionale: in una stella molto giovane composta da atomi di
idrogeno, l'energia gravitazionale è dominante, la stella si contrae,
aumenta la sua temperatura e la sua densità finché diventano
importanti le reazioni di fusione con liberazione di energia.
Si verificano in sequenza stadi gravitazionali e nucleari a temperature e densità
crescenti e vengono bruciati nuclei con carica crescente, fino ai nuclei di
ferro per i quali l'energia di legame presenta un massimo. A questo punto le
reazioni nucleari assorbono energia anziché produrla.
|
Per ottenere la reazione di fusione il plasma di
idrogeno deve esser confinato in uno spazio limitato: nel sole questo si
verifica ad opera delle enormi forze gravitazionali in gioco.
Inoltre, il processo di fusione, nel sole, avviene con estrema lentezza,
ragione per cui esso brilla da miliardi di anni. |
Fotografia delle fiamme solari
|
3 - Reazioni nucleari esoenergetiche
Gli elementi, in natura, sono costituiti da molecole formate da atomi.
Gli atomi sono caratterizzati da, un nucleo carico positivamente e dagli
elettroni periferici negativi, che ne determinano la specie. Il nucleo a sua
volta è costituito da neutroni e protoni, i nucleoni, tenuti insieme da forze
estremamente intense e a breve raggio di azione, le forze nucleari. La massa di
un nucleo è minore della somma delle masse dei nucleoni (protoni e neutroni)
che lo costituiscono: la differenza di massa (Dm), che
è in relazione con l'energia di legame secondo la legge di equivalenza massa
energia, DE = c2Dm,
si chiama difetto di massa.
Sono possibili combustibili nucleari, i nuclei che hanno più bassa energia di
legame per nucleone, cioè quelli a piccola o ad elevata massa atomica: gli uni
danno energia nucleare per fusione, gli altri per fissione.
|
Consideriamo ora le reazioni nucleari che avvengono con
sviluppo di energia:
- la reazione di fusione di due nuclei leggeri, in cui si
origina un nucleo più pesante: in essa si ha liberazione di energia
perché la massa del nucleo risultante è minore delle masse dei due
nuclei reagenti;
- la reazione di fissione, in cui un nucleo molto pesante si
spezza in due nuclei più leggeri: anche in questo caso la massa
complessiva dei frammenti è minore della massa del nucleo di partenza.
|
L' energia liberata nelle reazioni nucleari, a parità di quantità di sostanze
reagenti, è milioni di volte più grande di quella liberata nelle reazioni
chimiche (combustione).
4 - Condizioni per la fusione termonucleare controllata
Per ottenere in laboratorio la fusione termonucleare
controllata, con un bilancio energetico positivo, è necessario riscaldare un
plasma di deuterio-trizio a temperature molto alte (100 milioni di gradi, più di
sei volte la temperatura all'interno del sole), mantenendolo confinato in uno
spazio limitato per un tempo sufficiente a che l'energia liberata dalle reazioni
di fusione possa compensare sia le perdite, sia l'energia usata per
produrlo.
Occorre cioè soddisfare le condizioni espresse dal Criterio di
Lawson, condizioni che dipendono dalla temperatura del plasma. Nel caso
di un plasma di deuterio-trizio a 100 milioni di gradi, (pari a circa 10 KeV di
energia) a basso contenuto di impurità, il Criterio di Lawson afferma che il
prodotto della densità di particelle del plasma per il tempo di confinamento
deve esser maggiore di 3x1020 m-3 s.
A
temperature così elevate il problema diventa, come confinare il plasma in
un recipiente.
In linea di principio il plasma costituito da particelle
cariche (ioni di deuterio e trizio) può essere confinato mediante un campo
magnetico: in assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in
tutte le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si
raffredderebbe inibendo la reazione di fusione.
In un campo magnetico
invece le particelle sono costrette a seguire traiettorie a spirale intorno alle
linee di forza del campo mantenendosi lontano dalle pareti del recipiente.
5 - Confinamento magnetico del plasma
Nella fusione a confinamento magnetico il plasma
caldo è racchiuso in una camera a vuoto, e una opportuna configurazione di campi
magnetici esterni e/o prodotti da correnti circolanti nel plasma impedisce il
contatto con le pareti del recipiente. Sono state studiate, a questo
proposito, diverse configurazioni magnetiche: configurazioni a specchio in
cui le linee di forza del campo magnetico sono aperte alle estremità del
plasma e configurazioni a simmetria toroidale (es. Stellarator,
Tokamak). Quella che ha ottenuto finora i migliori risultati nella fusione
a confinamento magnetico, è quella del Tokamak.
|
Il tokamak è un dispositivo di forma toroidale
caratterizzato da un involucro cavo, costituente la "ciambella", in
cui il plasma è confinato mediante un campo magnetico con
linee di forza a spirale.
Questa configurazione magnetica è
ottenuta mediante la combinazione di un intenso campo magnetico
toroidale prodotto da bobine magnetiche poste intorno alla "ciambella",
con un campo magnetico poloidale realizzato mediante la corrente
indotta nel plasma dall'esterno, quest'ultimo necessario per evitare la
deriva delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente. Le
particelle di plasma si avvitano intorno alle linee di forza del campo.
Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi
magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella
"ciambella". |
Riscaldamento del Plasma
Essendo il plasma un conduttore elettrico, è possibile riscaldarlo
mediante una corrente indotta dall'esterno: il plasma nella "ciambella" si
comporta come una spira cortocircuitata che costituisce il secondario di un
trasformatore il cui primario è all'esterno. La corrente indotta ha così il
duplice scopo di creare il campo poloidale e di riscaldare il plasma a
temperatura elevata (4 nella figura sottostante). Questo tipo di
riscaldamento è detto riscaldamento ohmico o resistivo, obbedisce alla
legge di Joule, ed è analogo al riscaldamento di una lampadina o di
una stufa elettrica.
|
Un limite a detto riscaldamento ohmico (4 in figura) è
dato dal fatto che la resistività del plasma decresce al crescere della
temperatura e la massima temperatura ottenibile nel plasma, è di alcuni
milioni di gradi.
Per raggiungere le temperature richieste per la fusione termonucleare
è necessario, quindi, ricorrere al riscaldamento supplementare, che
si può realizzare: - per assorbimento nel plasma di onde
elettromagnetiche, iniettate mediante guide d'onda o antenne che
trasferiscono ad esso energia elettromagnetica (1 in figura); - per
iniezione di atomi neutri di elevata energia cinetica
che attraversano il campo magnetico, vengono ionizzati e trasferiscono per
collisione la loro energia al plasma (2 in figura); - per
compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostando il plasma
verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento
(3 in figura).
|
La configurazione tipo Tokamak è comunque particolarmente stabile e
permette lunghi tempi di confinamento del plasma.
6 - Fusione a confinamento inerziale
Sempre in accordo con la legge di Lawson si è sviluppata un'altra
linea di ricerca: la fusione a confinamento inerziale, che consiste
nell'ottenere in laboratorio una serie di micro-esplosioni bombardando piccolo
sferette contenenti una miscela di deuterio-trizio con fasci di luce laser o di
particelle, di alta energia. L'energia elettromagnetica dei fasci laser di alta
potenza (o l' energia cinetica delle particelle accelerate) è trasferita
uniformemente alla superficie della sferetta. La superficie della sferetta
evapora e, secondo il principio di azione e reazione, il combustibile
viene compresso e riscaldato. Si realizza così la condizione di altissima
densità del plasma anche se per tempi di confinamento molto brevi.
Apparato di fusione
inerziale.
Altri esperimenti sono allo studio al fine di ottenere reazioni di fusione.
Ad esempio: la fusione di deuterio-trizio catalizzata da fasci di "muoni"
(particelle nucleari negative, instabili, di massa uguale a 207 volte quella
dell' elettrone e di vita media di 2,2 microsecondi), che avrebbero la proprietà
di ridurre le distanze internucleari e quindi di favorire la reazione. La
fusione catalizzata da muoni non è, per ora, conveniente ai fini di un bilancio
energetico positivo, sia per la necessità di produrre queste particelle mediante
acceleratori che consumano molta energia, sia perché il muone tende a legarsi al
nucleo di elio prima di aver ottenuto un numero di reazioni sufficiente a
rendere redditizio il processo.
7 - Combustibili e Risorse
Le reazioni nucleari di interesse per la fusione sono, quindi,
quelle che coinvolgono i nuclei più leggeri, cioè i nuclei dell' idrogeno e dei
suoi isotopi. In particolare, la reazione di interesse più immediato è
quella che si verifica tra i nuclei di due forme pesanti dell' idrogeno, gli
isotopi deuterio e trizio (a temperature di 100 milioni di gradi):
deuterio + trizio = elio4 + neutrone + 17.5 MeV
di energia |
Questa reazione è la più facile da realizzare ed è anche la
più efficiente al fine della produzione di energia. Prodotti della reazione
sono l'elio4, isotopo dell'elio, detto anche particella alfa che
porta, sotto forma di energia cinetica, 1/5 dell'energia totale prodotta nella
reazione (3,5 MeV) e un neutrone che ne porta i 4/5 (14,1 MeV).
Il deuterio è abbondante nell' acqua di mare (30 g /m3)
mentre il trizio, materiale radioattivo con un tempo di dimezzamento di 12.36
anni, non esiste in quantità apprezzabili in natura e deve quindi essere
generato.
Nel futuro reattore a fusione i neutroni, che trasportano l' 80%
dell'energia prodotta, saranno assorbiti in un "mantello", posto intorno al
nocciolo del reattore stesso, contenente litio ( Li ), che si trasforma in
trizio ed elio secondo le reazioni:
Li7 +n=He4+T+n* - 2.5
MeV Li6+n=He4+T+4.86 MeV |
(n*= neutrone lento) |
Il litio naturale (di composizione 92.5% Li7, 7.5%
Li6) abbonda nelle rocce della crosta terrestre (30 parti su un
milione per unità di peso) ed è presente, in concentrazione minore, anche negli
oceani. Il "mantello" di litio contribuisce insieme ad altri materiali a
moderare i neutroni.
|
Altre reazioni esoenergetiche sono di interesse per la fusione
termonucleare controllata, cioè le reazioni che coinvolgono nuclei di
deuterio e di elio. Esse richiedono condizioni più spinte per il
plasma (p. es. temperature molto più elevate di 100 milioni di gradi), e
quindi più difficili da realizzare, ma sono sicuramente importanti ai
fini del reattore a fusione del futuro più lontano, perché evitano o
limitano fortemente il flusso di neutroni. Sono i neutroni infatti che
rendono radioattivi i materiali che compongono il reattore. |
|
Nella figura "probabilità di reazione" significa che il suo valore
(per ciascuna delle reazioni di fusione indicate) moltiplicato per le densità
dei nuclei interagenti da' il numero di reazioni di fusione per unità di tempo e
unità di
volume. |
8 - Condizioni per la realizzazione del reattore a
fusioneIl cammino per arrivare alla realizzazione del reattore a fusione prevede il
raggiungimento di alcuni obbiettivi fondamentali in sequenza:
|
- il breakeven, in cui l'energia generata dalla
fusione eguaglia quella immessa dall'esterno per mantenere il
plasma a temperatura termonucleare. Il breakeven dimostra la
fattibilità scientifica del reattore a fusione;
- l' ignizione in cui si ha l'autosostentamento della
reazione di fusione, ad opera dei nuclei di elio prodotti;
- la fattibilità tecnologica quando, il rendimento netto
di tutto l' impianto è positivo.
|
Nel futuro reattore a fusione la reazione dovrà infatti
autosostenersi: si suppone cioè che le particelle alfa intrappolate nel volume
di plasma cedano ad esso la loro energia così da mantenerlo caldo
dopo l'iniziale riscaldamento ottenuto con mezzi esterni. I neutroni
trasferiscono intanto la loro energia al mantello del reattore, generando
il trizio e tramutando energia in calore, utilizzabile per produrre energia
elettrica.
L'energia prodotta dalle reazioni di fusione si esplica sotto forma di
energia cinetica (calore) dei prodotti della reazione:
- i neutroni, che trasportano circa l' 80% dell'energia prodotta,
abbandonano il plasma senza interazioni apprezzabili e vengono assorbiti dal
"mantello" di litio, posto intorno al nocciolo del reattore e utilizzato per
la rigenerazione del trizio. Il mantello di litio deve essere sufficientemente
spesso (circa 1 m) per assorbire i neutroni di fusione ( di 14 MeV). Essi
vanno quindi a riscaldare un fluido e producono energia elettrica attraverso
uno scambiatore di calore;
- i nuclei di elio, più pesanti, rimangono intrappolati nel plasma e
trasferiscono ad esso la loro energia, ottenendo così l'autosostentamento
della reazione senza ulteriore riscaldamento dall' esterno.
|
Questo schema prefigura il futuro reattore termonucleare in cui la
potenza liberata nella reazione (energia per unità di tempo) sarà
proporzionale alla densità dei nuclei reagenti, alla probabilità che ha la
reazione di verificarsi e alla temperatura del plasma.
|
Last Update 05/08/2004
**********FINE PAGINA
|