La fusione nucleare è un processo complesso che avviene nel Sole e nelle altre stelle, con il quale viene prodotta una grossa quantità di energia: i nuclei leggeri di due o più atomi, si fondono fino a creare un nucleo più pesante, con contemporaneo rilascio di energia.
Spieghiamo meglio che cos’è la fusione nucleare.
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Il processo di fusione nucleare
La fusione nucleare coinvolge la trasformazione di isotopi (atomi che possiedono un numero maggiore di neutroni nel nucleo) dell’idrogeno in atomi di elio. I nuclei dei due isotopi si fondono così da portarsi entrambi in uno stato di energia inferiore, liberando quella in eccesso.
I due nuclei possono fondersi solo a distanze molto brevi, per questo è necessario che la velocità con cui si urtano sia molto elevata: la loro energia cinetica (la temperatura) deve essere molto alta.
Per ottenere in laboratorio reazioni di fusione è necessario portare una miscela di deuterio e trizio a temperature elevatissime (100 milioni di gradi) per tempi abbastanza lunghi, in modo che l’energia liberata dalle reazioni di fusione possa compensare sia le perdite, sia l’energia usata per produrlo.
Se i nuclei, dunque, vengono sottoposti a pressione sufficientemente intensa, superano la repulsione causata dalla carica elettrica positiva di ogni nucleo e si combinano tra loro rilasciando energia.
Il ciclo del carbonio e la reazione protone-protone sono i 2 processi in base alla quale la fusione provoca un’emissione di energia all’interno delle stelle. È estremamente complicato stimolare la fusione sulla Terra per via delle condizioni necessarie per portare i nuclei a tale processo, ma è proprio questo fenomeno che fornisce l’energia della cosiddetta bomba all’idrogeno, in cui la fusione viene generata dall’esplosione di una bomba atomica
Cosa succede durante la fusione nucleare?
I processi di fusione nucleare si basano sulla famosa relazione tra energia e massa \(E = mc^{2}\) in quanto consistono nella trasformazione di massa in energia.
Come abbiamo detto, per compiersi la reazione, i nuclei devono essere sufficientemente vicini. I nuclei hanno entrambi carica positiva (si respingono, grazie all’interazione detta coulombiana), ma ad elevate pressioni e temperature come quelle presenti nel Sole, la forza nucleare forte interagente tra nuclei ne provoca la fusione.
Per farvi un’idea dell’enorme quantità di energia, 1 grammo di deuterio e trizio potrebbe liberare energia paragonabile a quella prodotta dalla combustione di 11 tonnellate di carbone!
Cosa accade se si fondono due nuclei di deuterio
La fusione di una coppia di nuclei di deuterio rilascia circa il 2% dell’energia prodotta dalla fissione di un singolo nucleo di uranio-235. Se tutte le coppie di nuclei di deuterio fondessero, potrebbero generare più o meno la stessa quantità d’energia che verrebbe prodotta dalla fissione di un chilogrammo di uranio-235, ossia l’equivalente di 3 milioni di tonnellate di carbone. Abbiamo chiarito che cos’è la fusione nucleare, ora vediamo cosa si intende per fissione nucleare e la differenza con la fusione.
Fissione e fusione nucleare: differenze
La fissione nucleare è un particolare processo di disintegrazione durante il quale nuclei pesanti si dividono in 2 frammenti, entrambi di carica positiva, che si respingono con violenza allontanandosi con elevata energia cinetica. Con la fissione si liberano anche neutroni che a loro volta possono indurre altre fissioni innescando la “reazione a catena” che in un reattore nucleare consente di tenerlo in funzione, producendo energia continua e costante.
Quindi, mentre nella fissione nucleare si spezzano i legami energetici del nucleo di un atomo pesante per ottenere due suoi frammenti con restituzione di una parte dell’energia spesa per tenerli uniti; nella fusione, invece, nuclei di elementi leggeri si fondono insieme generando nuclei di elementi più pesanti. È ciò che succede nel Sole e nelle stelle, in cui si uniscono nuclei di idrogeno per ottenere nuclei di elio più pesante.
Cos’è il progetto ITER? Si tratta di un progetto sperimentale finalizzato alla realizzazione di un reattore a fusione nucleare, che consentirebbe di produrre un grosso quantitativo di energia, finora mai prodotto. Lo scopo è dimostrare la fattibilità e la controllabilità dei processi fisici.
