giovedì 29 ottobre 2015

La Fusione Nucleare

Ciao a tutti amanti della fisica!

 Non molto tempo fa abbiamo parlato della fissione nucleare, ovvero del processo in cui un nucleo atomico si spezza in più parti liberando una grandissima quantità di energia. Ma è possibile invece fondere insieme due nuclei? Che cosa si verifica in tal caso? E soprattutto, com'è possibile realizzare la fusione nucleare?
D'accordo, non sono domande che ci poniamo tutti i giorni, ma si tratta di un fenomeno davvero importante. Senza la possibilità di fondere i nuclei, le stelle collasserebbero immediatamente su se stesse e l'Universo stesso sarebbe molto diverso da come lo conosciamo - anzi, a dirla tutta noi non potremmo nemmeno esistere! 




Come si verifica la fusione del nucleo?


 Ogni coppia di nuclei atomici può fondersi, ma per semplicità descriveremo solo la combinazione di due nuclei di idrogeno in uno di elio (i primi due elementi della Tavola Periodica).

 Il "nocciolo" dei due idrogeni è costituito solamente da un protone, il ché costituisce un problema per noi. Avvicinare due cariche positive fino a brevissime distanze, com'è necessario per realizzare la fusione, può essere alquanto difficile a causa dell'intensa repulsione elettrica che si genera tra di esse. 

 Sarà quindi richiesta una grandissima quantità di energia, ma di questo parleremo tra poco. Ammesso quindi di riuscire ad avvicinare due nuclei di idrogneo, può avere inizio il processo che porterà una serie di nuclei di idrogeno (protoni) a formare un nucleo di elio (due protoni e due neutroni):


  1. I due protoni si respingono sempre più intensamente mano a mano che li avviciniamo. Tuttavia - non appena la loro distanza raggiunge un certo limite - comincia ad agire la forza nucleare forte *(che, come ricorderà chi ha letto l'articolo linkato, ha effetto solo su brevissime distanze ed è estremamente attrattiva) , estremamente più intensa di quella elettromagnetica, che è costretta a soccombere a quest'ultima.
  2. Una volta che i due nuclei si sono fusi, uno dei due protoni si trasforma in un neutrone tramite un procedimento chiamato decadimento β+, sul quale torneremo. A questo punto abbiamo ottenuto quindi del deuterio, un nucleo che abbiamo già incontrato qui.
  3. Ripetiamo il procedimento, e avviciniamo al deuterio un altro nucleo di idrogeno. La fusione di questi due nuclei richiederà grossomodo la stessa quantità di energia della precedente, che supponiamo essere già presente. Otteniamo quindi un nucleo fomato da due protoni e un neutrone.
  4. Uno dei due protoni può trasformarsi (ma non è necessario) in un neutrone, sempre attraverso il decadimento β+. Il nucleo è quindi formato da un protone e due neutroni, e prende il nome di trizio.
  5. Infine avviciniamo un quarto nucleo di idrogeno al nostro elio in formazione, e otteniamo un sistema legato di due protoni e due neutroni: un nucleo di elio. Questo è chiamato anche particella
    α, e costituisce il cuore di un altro tipo di trasformazione, chiamata appunto decadimento α. Ma di questo parleremo in futuro... 
Questo non è l'unico modo per realizzare un nucleo di elio, ma gli altri metodi sono piuttosto simili.

L'intero processo di fusione nucleare

Un caso analogo alla fusione del nucleo

 Se la descrizione del processo di fusione nucleare non vi risulta troppo chiara, forse può esservi d'aiuto l'esempio che segue. Si tratta di un caso davvero molto simile, ma ben più semplice da immaginare.

 Immaginiamo di trovarci in una regione montuosa, e di essere costretti a demolire un edificio senza far uso di nessuna tecnologia. Potremmo allora cercare di abbatterlo lanciandoci contro dei sassi, ma non avremo successo se l'edificio è ben costruito.

 D'accordo, forse scagliare pietre a volontà non è il metodo più pratico per riuscire nel nostro intento, così ci facciamo venire in mente un'altra idea. Innanzitutto osserviamo l'ambiente circostante:
la struttura si trova ai piedi di un altissimo dirupo, sulla cima del quale si può arrivare solo su un sentiero pieno di tornanti e non troppo ripido. Possiamo schematizzare la situazione in questo modo:
Lo so, il disegno è orribile, ma rende l'idea
Ai piedi della montagna si trova un grosso masso. Dato che non abbiamo idee migliori, ci abbandoniamo all'idea di doverlo spingere fino alla cima del dirupo, per poi lasciarlo cadere sulla sventurata casetta.

  Da questo momento in poi ha inizio la similitudine con la fusione nucleare:
  • il masso è il protone che cerchiamo di attaccare al nucleo presente (idrogeno, deuterio o trizio)
  • l'edificio è il nucleo già presente
  • la montagna è la barriera di potenziale elettrico da far superare al protone
  • il dirupo rappresenta il punto in cui la forza nucleare forte ha la meglio su quella elettrica
 In sostanza quello che succede dovrebbe essere già chiaro a tutti: spendiamo un sacco di energie per portare il masso fino alla cima del dirupo. A quel punto, ansimanti, spingiamo il macigno ancora per qualche centimetro, e da lì in poi questo è attratto fino alla costruzione (nel nostro esempio ad attrarlo è stata la forza di gravità, ma in realtà è la forza nucleare forte che attrae il protone verso il nucleo).
 Abbiamo così realizzato la fusione del nucleo!

Il bilancio energetico

 Ad ogni modo, abbiamo detto fin dall'inizio che questo processo richiede grandissime quantità di energia per poter essere realizzato. Ciò è dovuto al fatto che il protone deve superare un'altissima "barriera" di potenziale elettrico, che chiamiamo Barriera di Coulomb.


 Superata la barriera il gioco è fatto, ma per farci un'idea di quanta energia occorra fornire a due protoni per realizzare la fusione ci basti pensare questo: l'energia da fornire a un protone per attaccarlo a un altro è dell'ordine di 105 eV. La massa a riposo di un protone è di circa 938 MeV.

 Facendo un rapido paragone, lo stesso rapporto fra le due energie lo potremmo trovare in un'automobile (di circa 900 kili) che viaggia a 15 000 000 Km/h!

 Ma dove si trova tutta questa energia? Generalmente, per spingere i protoni fino a questo limite si aumenta la temperatura di un gas di idrogeno. Ad alta temperatura, infatti, il gas si trasforma in un plasma - ovvero protoni ed elettroni non sono più legati in un atomo ma possono muoversi liberamente. In queste circostanze è possibile fondere due nuclei di idrogeno, se la temperatura è abbastanza elevata.
L'esposione di una bomba H

 Il fatto è che portare un sistema fino a queste temperature non è affatto facile: basti pensare che in condizioni normali la fusione nucleare si verifica solamente nel nucleo delle stelle! Sulla Terra si è in grado di riprodurre il fenomeno, per esempio nelle esplosioni delle bombe H, ma non si riesce ancora a controllare tali temperature.

 Quello che dovremmo chiederci però è se sia conveniente effettuare la fusione. In effetti, il processo libera una gran quantità di energia, ma per innescarlo è necessario spenderne moltissima. La convenienza del processo di fusione è in effetti determinata dall'altezza della Barriera di Coulomb. Più protoni ha il nucleo "bersaglio" più sarà difficile appiccicarci un altro nucleo di idrogeno - in termini più tecnici, la barriera da superare sarà più alta. 
Ferro: per fonderlo occorre 676 volte l'energia necessaria all'idrogeno

 E' evidente allora che la fusione nucleare è energeticamente conveniente solo per i nuclei che hanno pochi protoni. Nella fattispecie, abbiamo interesse a fondere tutti i nuclei fino al ferro, per il quale l'energia ricavata dalla fusione è la stessa che è richiesta per innescarla. Ciò ha conseguenze importanti, ma non ce ne occuperemo ora.

 L'ultima domanda a cui possiamo rispondere riguarda proprio la quantità di energia liberata nella fusione. Affinché il processo sia energeticamente conveniente questa dev'essere davvero enorme - dovrà in effetti compensare gli ingentissimi sforzi compiuti per portare il sistema alla temperatura necessaria! Tale quantità è ben evidenziabile se si paragona la fusione nucleare alla fissione nucleare:
  • nella fissione nucleare, circa lo 0.1% della massa dell'uranio si converte in energia, con un bilancio energetico assolutamente positivo.
  • nella fusione nucleare, lo 0.5% della massa di due nuclei di idrogeno si converte in energia quando questi si fondono insieme.
 Bisogna ricordare che la massa dell'uranio è molto maggiore a quella dell'idrogeno, ma la percentuale di massa convertita è ben 5 volte maggiore all'interno della fusione, che risulta più energeticamente conveniente.

 Non a caso, una delle frontiere della fisica si propone di realizzare un reattore a fusione, in cui produrre energia in questo modo. I vantaggi di una centrale a fusione sono molteplici, e li tratteremo sicuramente. Per ora ci è sufficiente sapere che l'invenzione di un reattore a fusione risolverebbe i nostri problemi energetici per millenni!

Conclusioni

 Così come la fissione, anche la fusione nucleare permette quindi di estrarre grandi quantità di energia dai nuclei atomici. Si tratta però di un processo molto più importante per noi: senza la fusione dei nuclei non potrebbe esistere altro che idrogeno! In breve, praticamente tutto quello che conosciamo è legato in qualche modo alla fusione nucleare. Spero quindi di aver gettato luce su diversi aspetti di questo interessante fenomeno.
Grazie per aver letto fin qui,
Giulio

 

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