La Fusione Nucleare

Non si può parlare di fusione nucleare senza prima chiarire alcuni concetti di base relativi agli elementi che entrano in gioco. Abbiamo già visto come nel processo di fusione due o più atomi leggeri si fondono per dar vita ad uno più pesante. Per quelli che sono i miei scopi farò riferimento esclusivamente all'idrogeno ed ai suoi due isotopi, costituenti gli elementi chimici più leggeri esistenti in natura, e analizzerò tutti i casi possibili di combinazione tra di essi. 

In questa sezione tratterò la fusione nucleare indipendentemente dalle cause generatrici; darò per scontato il fatto che comunque una fusione avviene con una certa probabilità che più avanti mostrerò con miglior precisione.

Che cos'è un isotopo? Beh, per non uscire troppo fuori tema faccio proprio l'esempio dell'idrogeno; di questo elemento sappiamo che è il primo della tavola periodica, ossia il più leggero. Molto semplicemente esso è formato da un nucleo formato da un solo protone attorno al quale orbita un elettrone. E' noto che il protone, di massa maggiore dell'elettrone, è portatore di una carica elementare positiva mentre l'elettrone porta una carica elementare negativa (per intenderci meglio diciamo che la corrente elettrica in un qualsivoglia mezzo altro non è che un flusso ordinato di elettroni che attraversano il mezzo in questione in un certo intervallo di tempo). Tornando all'idrogeno, si osserva che esistono alcune varianti all'interno del suo nucleo; in poche parole esistono dei tipi di idrogeno più pesanti di quello trattato. In particolare esiste un certo idrogeno nel cui nucleo, oltre al protone menzionato, esiste anche un neutrone, particella di massa simile al protone ma neutro dal punto di vista di carica (come il nome stesso lascerebbe intendere). Un idrogeno così formato prende il nome di Deuterio (che dal latino significa "secondo", infatti un altro nome dell'idrogeno è proprio "prozio", cioè "il primo"). Non finisce qui, esiste ancora un altro tipo di idrogeno che, oltre al solito protone, il nucleo presenta anche due neutroni; questo isotopo si chiama Trizio, che dal latino significa "terzo".

Quindi quando si parla di idrogeno che viene trasformato in elio tramite fusione nucleare, in realtà si fa riferimento all'idrogeno in tutte e tre le sue forme possibili. La figura seguente dovrebbe chiarire meglio le idee.

I pallini blu rappresentano gli elettroni (carica negativa -), quelli rossi i protoni (carica positiva +) e quelli grigi i neutroni (privi di carica). Come si vede dalla figura, i simboli chimici riferiti rispettivamente all'idrogeno, deuterio e trizio sono ¹H, ²H e ³H (il numerino in apice indica la somma algebrica di protoni e neutroni presenti nel nucleo). Spero che a questo punto sia chiaro il concetto di isotopo di un elemento chimico. 

Un altro elemento su cui bisogna porre l'attenzione è l'elio. Esso è il primo dei Gas Nobili e presenta un nucleo formato da due protoni e due neutroni attorno al quale orbitano due elettroni. Esiste un isotopo leggero di elio nel cui nucleo è presente un solo neutrone anziché due. Infatti, se il simbolo chimico dell'elio è ⁴He, quello dell'isotopo di cui parlavo è ³He. L'animazione in basso apre la strada a quella che rappresenta l'indagine chiave di questa sezione del sito.

L'animazione mostra chiaramente come la fusione di un atomo di deuterio (²H) con uno di trizio (³H) forma un atomo dell'isotopo leggero dell'elio (³He) con l'emissione di energia e di un neutrone. Questo è solo una combinazione delle tante possibili che, ad esempio, avvengono nel nostro sole. Questo particolare tipo di fusione verrà trattata scrupolosamente nella sezione dedicata allo schema di funzionamento di un reattore a fusione nucleare. Il tipo di fusione che invece passo a presentare adesso  è quello in cui a fondersi sono due atomi di deuterio (²H).

Dalla fusione di due atomi di deuterio si possono avere tre tipologie di risultato:

1) ²H + ²H -----> ³He + 1 neutrone + energia;

2) ²H + ²H -----> ³H + 1 protone + energia;

3) ²H + ²H -----> ⁴He + radiazione gamma + energia;

La probabilità con cui possono verificarsi le prime due tipologie sono uguali e pari al 49.99%, mentre risulta estremamente improbabile la terza (0.02%).

L'energia associata rispettivamente alle tre situazioni è: 3.25MeV per la prima, 4.03MeV per la seconda e 23.85MeV per la terza.

A parte il fatto che l'energia emessa è comunque molto elevata, c'è da sottolineare il fatto che in nessuno dei tre casi vengono generati residui o scorie radioattive (tranne che per il terzo caso in cui basta una lastra abbastanza spessa di alluminio per contenere la radiazione gamma...niente di preoccupante vista anche la bassissima probabilità relativa al verificarsi del fenomeno, che avviene 2 volte ogni 10000!). Inoltre, dalla prima fusione il neutrone espulso può essere sfruttato in un modo che mostrerò parlando dei reattori a fusione nucleare, mentre dalla seconda il trizio viene riutilizzato per un altro tipo di fusione (si veda l'animazione precedente) ed il protone può essere catturato da altri atomi, che durante il processo di fusione possono ritrovarsi instabili, al fine di trasformarsi in altri elementi altrettanto importanti per il processo di fusione. Beh, si capisce bene che questa è vera energia rinnovabile e pulita. Ma il vero problema nasce proprio qui: come fare? L'unica cosa che si sa è che questi tipi di fusione  avvengono nelle stelle, dove le altissime temperature fondono tra loro i vari atomi di idrogeno vincendo l'enorme forza di repulsione che tende a tenerli separati. Queste temperature, dell'ordine di diversi milioni di gradi centigradi, non sono riproducibili sulla Terra; ma la ricerca non si è mai fermata e si sono cercate condizioni alternative in cui potesse avvenire comunque la fusione a temperature significativamente basse. In quest'ottica va inquadrato lo studio sulla Fusione Nucleare chiamata Fredda per ovvi motivi e che tratterò nella sezione ad essa dedicata.

Valerio Curcio