L’energia nucleare si ottiene da due tipi di processo: la rottura (fissione) di nuclei pesanti (235U e 239Pu) e la fusione di nuclei leggeri, l’idrogeno.
Fissione nucleare
In una reazione di fusione nucleare, due nuclei degli isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, vengono forzati a fondersi per formare un solo nucleo, l’elio. In una reazione di fusione nucleare, due nuclei atomici vengono forzati a fondersi per formare un solo nucleo.
Fusione nucleare
La somma delle masse di deuterio e trizio è leggermente superiore alla massa dell’elio; questo difetto di massa massa si trasforma in energia. I nuclei di atomi più leggeri possono essere fusi tra loro con maggiore facilità ; minore è infatti la repulsione elettromagnetica che è necessario vincere . Per questa ragione l’idrogeno, il più diffuso elemento dell’universo, è il miglior combustibile nucleare.
Il deuterio è praticamente inesauribile. Il trizio, debolmente radioattivo, non esiste in natura ma si può ricavare dal litio abbondante sulla Terra. Deuterio e Trizio fondono, ovvero reagiscono, a energie più basse rispetto ad altri elementi leggeri come l’Idrogeno o l’Elio. è per questo che sono stati scelto come combustibile per il reattore a fusione. La fissione può essere realizzata per produrre esplosivi, la bomba atomica, o in forma controllata per essere convertita in energia elettrica nei reattori nucleari.
La fusione nucleare è il processo che ha luogo nel sole e nelle altre stelle; grazie ad esso la loro temperatura interna è alta, 100.000-400.000 gradi.
Sulla Terra è un’altra storia. Finora, è stata realizzata solo nella versione esplosiva, la bomba H, o termonucleare.
Esplosione della bomba H nell’atollo di Bikini
Nei processi di fissione e di fusione nucleare la massa complessiva iniziale è leggermente superiore a quella complessiva dei prodotti della reazione; la massa “perduta” si è convertita in energia secondo l famosa relazione della teoria della Relatività ristretta (Albert Einstein, 1905): E = mc2 , dove E è l’energia, m la massa e c la velocità della luce
La bomba di Hiroshima ha rilasciato un’energia equivalente a quella di 13 kilotoni, ossia a quella che si ottiene dall’esplosione di 13.000 tonnellate di tritolo; la perdita di massa corrispondente è di soli 0,60 grammi di materia.
La completa conversione in energia di 1 milligrammo di massa equivale a circa 300.000 kiliwattora.
La fusione nucleare sarebbe la soluzione dei nostri problemi energetici, perché ci libererebbe dalla dipendenza dai combustibili fossili.
Vantaggi:
- Nessuna possibilità di incidenti come quelli di Černobyl’ ( 1986) o di Fukushima Dai-ichi (2011):Nessun prodotto chimico da combustione (anidride carbonica).
- Basso livello di radioattività residua. Durante la fusione D-T parte dei neutroni emessi rende radioattivo il contenitore del reattore, ma questa radioattività può avere vita media di poche decine di anni, mentre è di migliaia di anni quella delle scorie radioattive dei reattori a fissione.
Realizzare la reazione di fusione controllata è estremamente difficile poiché occorre portare del plasma (gas ionizzato) di deuterio e trizio fino a temperature di 100 milioni di gradi e mantenerlo confinato per un tempo sufficiente a far avvenire la fusione. In natura non esistono materiali in grado di resistere a queste temperature; di conseguenza è necessario confinare il plasma, evitare cioè che entri in contatto con le pareti del sistema.
Un problema complesso è anche quello della trasmissione dell’energia sprigionata e della sua conversione in elettricità.
I tentativi in corso per realizzare un reattore a fusione nucleare, finora, non hanno avuto successo. In essi si ripongono molte speranze, perché risolverebbero molti problemi, liberandoci dalla dipendenza dai combustibili fossili.
Attualmente sono in corso molti esperimenti.
Uno dei progetti più ambiziosi è il reattore ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), in corso a Cadarache, in Francia; è frutto della collaborazione di 35 nazioni..
E’ un reattore a confinamento Magnetico (Tokamak): Utilizza potentissimi magneti superconduttori per confinare il plasma a oltre 150 milioni di gradi — dieci volte più caldo del nucleo solare — evitando il contatto con le pareti potentissimi magneti superconduttori del reattore.
Il Tokamak, che sta per “camera toroidale magnetica” in russo, è un impianto di forma toroidale, simile ad una ciambella. Al suo interno c’è il plasma, caldissimo, di ioni ed elettroni (dieci volte più caldo del nucleo solare), che viene mantenuto lontano dalle pareti interne grazie a un intenso campo magnetico fornito da potentissimi magneti superconduttori .
Nei reattori si userà come carburante Deuterio Trizio, che . fondono a energie più basse rispetto ad altri elementi leggeri come l’Idrogeno o l’Elio.
Il modello Tokamak utilizzato nel progetto ITER. si tratta di un reattore a confinamento magnetico
Un grosso problema non risolto è quello di trovare un materiale in grado di resistere all’intenso flusso di neutroni che si genera nella reazione di fusione.
L’energia generata dalla fusione nucleare, viene trasmessa principalmente sotto forma di energia cinetica dei neutroni.
In sintesi, il processo trasforma l’energia nucleare in energia cinetica (neutroni), poi in energia termica (calore nel blanket) e infine in energia meccanica ed elettrica (turbine).
Malgrado l’ottimismo generatosi negli anni cinquanta con la previsione di vedere realizzati nell’arco di pochi anni i primi reattori, esistono tuttora notevoli barriere tra le conoscenze scientifiche e le capacità tecnologiche, barriere che mettono in dubbio la possibilità pratica di sfruttare questa forma di energia. Malgrado le notevoli difficoltà le ricerche continuano.
