La Fusione Nucleare

Come è ben noto, una delle varie forme di energia nucleare è quella da fusione. Questa è caratterizzata da un processo "ricorsivo" che avviene nelle Stelle e grazie alla quale riceviamo, ad esempio, il calore dal Sole. La fusione nucleare è quindi il primo stadio di un lungo processo di trasformazione energetica, che vede tra i suoi terminali il fotovoltaico, l'eolico, la biomassa, l'idroelettrico, ecc...

Ma come avviene il processo di fusione nucleare? Esso vede incriminati i primi due atomi (e loro isotopi) della tavola periodica, i più piccoli e leggeri: l'Idrogeno e l'Elio. L'energia viene prodotta, sottoforma di radiazione (calore), per via della fusione di coppie di atomi di idrogeno e che ha come prodotto l'elio, il primo dei gas nobili. 

Per prima cosa due parole sui due elementi chimici citati. L'idrogeno è l'atomo più semplice ed in natura si presenta nei suoi quattro isotopi (anche se due di essi sono di produzione sintetica). L'isotopo maggiormente presente è il Prozio o ¹H (detto semplicemente idrogeno). Esso presenta un nucleo composta da un singolo protone e senza alcun neutrone. Attorno a tale nucleo orbita, a regime di minima energia, un solo elettrone. Il secondo isotopo è ²H detto Deuterio. Esso presenta un nucleo formato da un protone ed un neutrone; esso è stabile ed è molto presente nell'acqua del mare (circa una parte ogni mille). Il terzo isotopo è il Trizio ³H. E' formato da un nucleo contenente un protone e due neutroni. Il trizio è abbastanza instabile ed è dunque radioattivo, ma del suo decadimento parleremo in seguito. L'ultimo dei quattro isotopi è ⁴H, artificiale e formato da ben tre neutroni ed un protone. Esso è radioattivo e decade in un tempo attualmente sconosciuto divenendo Trizio tramite l'espulsione di un neutrone. L'energia liberata da questo decadimento è pari a 2.91 MeV.

L'elio si trova in natura nei suoi due isotopi principali più uno prodotto in laboratorio. Il primo isotopo è ³He, formato da due protoni ed un solo neutrone. Esso è stabile ma raro (0.0001%). Il secondo isotopo è ⁴He, con due protoni e due neutroni e in natura è presente nel 99.9999%; anch'esso è stabile. L'isotopo sintetico è invece il ⁶He, coi suoi quattro neutroni e due protoni. Esso è instabile e quindi radioattivo. Decade in ⁶Li (isotopo del Litio) tramite decadimento b-, cioè emettendo dal suo nucleo un elettrone con associata un'energia pari a 3.508 MeV.

Tornando al trizio, c'è da dire che esso, essendo radioattivo, decade in ³He emettendo un elettrone (decadimento b-) con associata un'energia di 0.019 MeV.

Dopo aver parlato dell'idrogeno e dell'elio ci catapultiamo all'interno del processo di fusione nucleare partendo dall'osservazione della figura seguente (clicca sulle parole per gli approfondimenti su wikipedia):

Dall'immagine è chiaramente visibile come un atomo di idrogeno ¹H, combinandosi con un atomo di deuterio ²H, possa dare origine ad un atomo di elio ³He. Precedentemente può accadere che l'atomo di deuterio ²H possa essersi formato dall'incontro di due atomi di idrogeno ¹H, attraverso un tipico decadimento b+. Questo tipo di decadimento si ha quando un protone "legato" si trasforma in un neutrone "legato" previa emissione di un elettrone e di un neutrino. Tornando alla nostra immagine, l'elio ³He formato si trova in uno stato energetico "eccitato" per cui, al fine di tornare nel suo stato fondamentale di energia minima, si vede costretto a scaricare parte della sua zavorra energetica liberando fotoni energetici sottoforma di radiazione gamma ad alta energia (e conseguente elevata frequenza). 

L'elio ³He così stabilizzatosi è in grado di interagire con altri atomi di elio ³He, formando un atomo stabile di elio ⁴He con emissione di due protoni che, essendo essenzialmente nuclei di idrogeno ¹H, possono rientrare nella reazione a catena ricorsiva, anche considerando il fatto che essi possono "catturare" gli elettroni che liberi e altamente ionizzanti che si sono generati durante il decadimento b+ precedentemente descritto.

Questo procedimento a catena avviene nella fusione nucleare, gran parte della cui energia proviene dall'emissione della radiazione gamma in fase di stabilizzazione dell'elio ³He. Ogni ciclo completo prevede l'emissione di un'energia totale pari a 31.13 MeV, anche se esistono delle probabilità, seppur esigue, che si possa formare l'elio ⁴He direttamente dall'unione di due atomi di deuterio ²H, ma in questo caso l'instabilità del nucleo farebbe sì che in brevissimo tempo (milionesimi di secondo) esso si trasformi in elio ³He, liberando un neutrone. Questo neutrone libero, a sua volta, potrebbe essere catturato da un atomo di deuterio ²H per formare un atomo di trizio ³H, il cui decadimento immediato in elio ³He è stato già esposto precedentemente. Questo solo per dire che in figura è mostrata la reazione maggiormente probabile, ma ciò non toglie che possano verificarsi altre strade. Ciò da un'idea di quanto una reazione di fusione nucleare possa potenzialmente produrre elevati quantitativi di energia senza teoricamente disperdere alcuna particella elementare, come invece accade per la fissione.

Si capisce benissimo che questa è la vera energia rinnovabile e pulita. La domanda è: come fare? L'unica cosa che si sa è che questo tipo di fusione  avviene nelle stelle, reattori nucleari naturali in cui la reazione è innescata per via delle altissime temperature che permettono ai vari atomi di idrogeno di fondersi, vincendo le enormi forze di repulsione coloumbiane che tendono a tenerli ben separati. Queste temperature, dell'ordine di diversi milioni di gradi centigradi, sono difficilmente riproducibili sulla Terra se non impossibili (sono in progettazione diversi reattori capaci di vincere le forze di repulsione coloumbiane tramite confinamento elettromagnetico, ma l'energia impiegata è enorme, anche se il bilancio energetico è comunque in positivo). 

Scopo invece della ricerca nell'ambito della Fusione Fredda è di cercare condizioni alternative in cui è possibile creare il processo di fusione a temperature significativamente basse (onde il termine "Fredda"), dell'ordine di poche centinaia di gradi o anche meno, impiegando minime energie per ottenerne un'infinità.

prof Valerio Curcio