Fusione nucleare: le frontiere dell'energia per un mondo sostenibile

Eccoci con l’ultimo articolo della nostra serie sulle energie rinnovabili. Oggi parleremo di una delle, se non della più discussa forma di energia ossia, l’energia nucleare.

Le centrali nucleari sfruttano l’uso di reazioni nucleari che rilasciano energia nucleare per generare calore, che più frequentemente viene utilizzato nelle turbine a vapore per produrre elettricità in una centrale nucleare. L’energia nucleare può essere ottenuta da fissione nucleare, decadimento nucleare e reazioni di fusione nucleare. Attualmente, la stragrande maggioranza dell’elettricità prodotta dall’energia nucleare è prodotta dalla fissione nucleare di uranio e plutonio che però ha evidenti problemi di sicurezza (basti pensare ai disastri di Chernobyl e Fukushima) e relativi allo smaltimento delle scorie radioattive. I processi di decadimento nucleare sono utilizzati in applicazioni di nicchia come i generatori termoelettrici a radioisotopi; usati principalmente nel campo dell’esplorazione spaziale dalle missioni Apollo in poi. La generazione di elettricità dalla potenza di fusione rimane al centro della ricerca internazionale. In quest’articolo parleremo principalmente di quest’ultima.

Generatore termoelettrico a radioisotopi

Fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione che spinge due o più nuclei atomici ad avvicinarsi al punto da unirsi e fondersi (superando la repulsione elettromagnetica), creando uno o più nuclei atomici e particelle subatomiche differenti (neutroni o protoni). La differenza di massa tra i reagenti e i prodotti, se vengono usati elementi fino al numero atomico 28 (nichel), si manifesta come rilascio di energia (reazione esotermica), se invece si usano elementi successivi, si manifesta come assorbimento di energia (reazione endotermica). Questa differenza di massa sorge a causa della differenza di “energia di legame” atomica tra i nuclei atomici prima e dopo la reazione.

La fusione è il processo che alimenta le stelle attive o “sequenza principale” o altre stelle di grande magnitudine. Proprio grazie all’energia irradiata dalle stelle durante il processo di reazione, queste possono brillare di luce propria e impedisce alle stesse di collassare sotto la propria forza di gravità.

Nella fusione nucleare la massa e l’energia sono legate dalla teoria della relatività ristretta di Albert Einstein secondo l’equazione (leggermente famosa): E=mc²

In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito e il neutrone liberato hanno una massa totale minore della somma delle masse dei nuclei reagenti, con conseguente liberazione di un’elevata quantità di energia, principalmente energia cinetica dei prodotti della fusione.

Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono essere sufficientemente vicini, in modo che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva, si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell’ordine di qualche femtometro (10⁻¹⁵ metri). L’energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima pressione (altissima temperatura, circa 10⁷ kelvin, e/o altissima densità).

Schema della fusione che avviene nelle stelle

Si intuisce dunque che la temperatura raggiunta durante la reazione sia paragonabile a quella delle stelle e analogamente non abbiamo la tecnologia per sopportare tali temperature. Per sopportarle dovremmo spendere più energia di quanta prodotta e quindi il bilancio energetico sarebbe negativo e non converrebbe. Questo bilancio energetico, in passato, veniva calcolato in base al criterio di Lawson. Al giorno d’oggi esiste una rivisitazione in chiave moderna che si basa sul criterio di ignizione.

Nuove frontiere in sperimentazione

In questo momento il reattore più avanzato è ITER che sfrutta una configurazione tokamak per confinare il plasma, cioè le particelle che producono la reazione e quindi il calore, lontano dalle pareti del reattore, per non farle fondere, grazie a un campo magnetico. Tecnologia già vista (ovviamente non a quei livelli), per darvi un esempio, nel reattore Arc di Iron Man (eroe della Marvel).

Fin ora abbiamo parlato della fusione “a caldo”, ma il futuro del nucleare non risiede qui, ma bensì nella tanto curiosa e polemizzata, fusione a freddo.

Fusione a freddo

Il 23 marzo 1989, l‘Università dello Utah, negli Stati Uniti, annunciò i risultati di un esperimento condotto da due professori di elettrochimica, Martin Fleischmann e Stanley Pons. In un dispositivo da tavolo hanno ottenuto reazioni di fusione nucleare tra nuclei deuterio (isotopo pesante dell’idrogeno) a livelli di energia molto bassi e la generazione di energia termica in eccesso inspiegabile senza emissioni di radiazioni potenzialmente pericolose, il che era abbastanza inaspettato.

Cella elettrolitica di Fleischemann e Pons

Il dispositivo era sostanzialmente una cella elettrolitica, ossia un contenitore in vetro riempito con acqua pesante (cioè acqua in cui l’idrogeno è sostituito dal deuterio) in cui erano immersi due elettrodi: facendo passare della corrente attraverso la cella, l’acqua si scomponeva nei suoi costituenti, ossigeno e deuterio. I due scienziati dissero di aver tenuto acceso il loro sole per alcuni giorni, continuando a far circolare la corrente elettrica e rimboccando di tanto in tanto la cella di acqua, e di aver osservato degli occasionali e improvvisi aumenti di temperatura del liquido. Che, spiegarono, non erano imputabili a reazioni chimiche note, ma per l’appunto, a un meccanismo in cui due nuclei di deuterio si fondevano insieme formando un nucleo di elio (l’isotopo 3He), la liberazione di un neutrone e l’emissione di raggi gamma. Quindi una fusione nucleare.

In realtà il livello di energia era enormemente superiore a quello normalmente attribuito a fenomeni esotermici (sia chimici che fisici) prevedibili in quel tipo di esperimento.

Tale esperimento è stato ripetuto con successo alternato in molti laboratori in tutti i paesi del mondo. Fallimenti e mancanza di riproducibilità in vari esperimenti hanno generato un diffuso scetticismo su questo fenomeno, che ha rapidamente sostituito l’eccessivo interesse mostrato immediatamente dalla comunità scientifica.

Confinamento Muonico

Un altro modo per realizzare la fusione a freddo è il confinamento muonico. Il muone è una particella dotata di una massa pari a circa 200 volte quella dell’elettrone e possiede una durata della vita media di circa 2,2 milionesimi di secondo. Tale particella, nel disintegrarsi, converte il 99,5% della sua massa in energia. La prima verifica sperimentale di questo fenomeno fu eseguita nel 1957 da Luis Alvarez a Berkeley, ma verifiche approfondite dimostrarono poi che la quantità di energia prodotta, seppur inconfutabilmente prodotta, era molto piccola, poiché il muone riusciva a catalizzare, al più, una sola reazione prima di disintegrarsi.

Ad oggi, le ricerche sullo sfruttamento delle potenzialità di questa particella nell’intervallo di temperature che va da -260°C a 530°C, ha portato all’interessante risultato di circa duecento fusioni per ogni muone, un valore comunque ancora troppo basso visto che è appena sufficiente a compensare l’energia di alimentazione dello stesso reattore muonico.

Conclusioni

Vent’anni dopo quel primo esperimento di Fleischmann e Pons, tuttavia, la ricerca sulla fusione fredda ha fatto notevoli passi avanti, sia sperimentali che teorici, in modo che questa scienza empirica abbia riacquistato credibilità. Oggi esiste un settore della fisica della materia condensata nucleare, noto come LENR (Low Energy Nuclear Reactions).

Questo tipo di energia è tutt’ora molto discusso e preso di mira dalle varie società scientifiche, ma come abbiamo visto le possibilità sono enormi e ci sarebbe la possibilità di creare una fonte di energia completamente pulita e rinnovabile, senza i rischi, che sappiamo tutt’ora presenti nella fissione nucleare.

Sperando di un giorno di poter raggiungere la perfezione di Tony Stark e di avervi dato una buona panoramica sulle ultime frontiere delle energie rinnovabili questo era l’ultimo articolo della serie.