In chimica nucleare e in fisica nucleare, la fusione nucleare è una reazione nucleare nella quale i nuclei di due o più atomi si fondono tra loro formando il nucleo di un elemento chimico più pesante.
Perché la fusione sia possibile i nuclei devono essere avvicinati tra loro, impiegando una grande quantità di energia chimica per oltrepassare la barriera di repulsione elettromagnetica. La fusione degli elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 (ferro e nichel) è una reazione esotermica, cioè emette energia termica (o calore),Hans A. Bethe, The Hydrogen Bomb, Bulletin of the Atomic Scientists, April 1950, page 99. Fetched from books.google.com on 18 April 2011. poiché il nucleo prodotto dalla reazione ha massa minore della somma delle masse dei nuclei reagenti. Per i metalli di transizione con numeri atomici superiori al 28 la reazione invece è endotermica, cioè la quantità di energia termica assorbita è maggiore di quella rilasciata. Alcune reazioni (in primo luogo quelle con una soglia di energia più bassa, come la fusione di deuterio e trizio) determinano il rilascio di uno o più neutroni liberi; questo crea, nella prospettiva dello sfruttamento come fonte di energia, alcuni importanti problemi tecnologici legati alla attivazione neutronica e alla schermatura.
Un processo di fusione nucleare in natura, detto nucleosintesi stellare, ha luogo al centro delle stelle: si tratta di una serie di reazioni esotermiche in cui nuclei degli isotopi dell'idrogeno (principalmente deuterio e trizio) si fondono tra loro per formare gli isotopi dell'elio. Tale processo emette una notevole quantità di energia radiante e di calore, facendo risplendere le stelle nel buio del cosmo ed evitandone il collasso gravitazionale.
La fusione è stata prodotta artificialmente per la prima volta negli anni cinquanta per amplificare la potenza della bomba atomica; questo nuovo tipo di ordigni è chiamato bomba H. A partire dagli anni sessanta, sono stati eseguiti molti esperimenti per sfruttare l'energia prodotta dalla fusione, in primis per produrre energia elettrica. I reattori nucleari a fusione sono ancora in corso di progettazione e di costruzione; si crede che il lavoro verrà concluso intorno al 2060. Il giorno 13 dicembre 2022 il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha annunciato la prima reazione di fusione nucleare che ha prodotto più energia di quella utilizzata.
Storia Partendo dagli esperimenti sulla trasmutazione dei nuclei di Ernest Rutherford, condotti all'inizio del XX secolo, la fusione in laboratorio di isotopi pesanti dell'idrogeno fu realizzata per la prima volta da Mark Oliphant nel 1932: nello stesso anno James Chadwick scoprì la particella neutrone. Durante il resto di quel decennio gli stadi del ciclo principale della fusione nucleare nelle stelle furono ricavati da Hans Bethe. Le ricerche sulla fusione per scopi militari cominciarono all'inizio degli anni quaranta nell'ambito del Progetto Manhattan, ma questo fu realizzato solo nel 1951 (nelle esplosioni nucleari dell'Operation Greenhouse). La fusione nucleare fu impiegata per fini bellici per la prima volta il 1º novembre dell'anno 1952, nel corso dell'esplosione della bomba H chiamata in gergo Ivy Mike.
Le ricerche sullo sviluppo della fusione termonucleare controllata per scopi civili cominciarono in modo sistematico negli anni cinquanta, e continuano ancora oggi. Tra gli altri, nel 2021 sono in corso alcuni progetti con l'obiettivo di dimostrare la tecnologia: ITER, SPARC, DEMO e ARC. In Italia, l'ENEA sta studiando la possibilità di realizzare un reattore a fusione nucleare controllata con confinamento magnetico, del tipo più tradizionale, il tipo tokamak. Tale tecnologia ha avuto un drastico miglioramento grazie agli esperimenti condotti nei seguenti laboratori: Experimental Advanced Superconducting Tokamak (fusione di circa 20 minuti), Joint European Torus (nel 1997 ha raggiunto un guadagno netto di 59 megajoule in un singolo esperimento) e il National Ignition Facility (che nel dicembre 2022 ha prodotto con un raggio laser da 2.05 MJ una energia netta di 3.15 megajoule).
Descrizione Panoramica sulle reazioni
(D è il simbolo convenzionale per il deuterio (2H), e T per il trizio (3H))
Per la realizzazione di reattori a fusione, il primo problema è stato finora quello di individuare reazioni aventi una bassa temperatura (tecnicamente si parla di energia di soglia). Il primo pensiero chiaramente è naturalmente andato all'imitazione della natura: sappiamo che la fusione è la fonte di energia delle stelle, tra cui il Sole, in cui il gas caldo è tenuto confinato e coeso dalla loro stessa forza di gravità, come è stato spiegato nei paragrafi precedenti. Le reazioni delle stelle però hanno purtroppo temperature di soglia troppo alte per la resistenza dei materiali attuali e la capacità di tenere il plasma confinato e coeso.
Le reazioni che verranno impiegate hanno una temperatura più bassa di quelle standard nelle stelle (reazione deuterio-deuterio e ciclo del carbonio-azoto-ossigeno):
(4He elio-4, 3He elio-3)
reazione artificiale standard: D-T (la soglia più bassa, ~14 keV) D + T → 4He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
reazione delle stelle: D-D (le due reazioni avvengono con la stessa frequenza) D + D → T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) D + D → 3He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV)
reazione T-T T + T → 4He + 2 n (11,3 MeV)
Altre reazioni interessanti, per la maggior parte aneutroniche:
reazione della fusione aneutronica standard, quella dell'3He (soglia di temperatura maggiore di più di tre volte; difficoltà di approvvigionamento dell'3He): 3He + 3He → 4He + 2 p D + 3He → 4He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) T + 3He → 4He (0,5 MeV) + n (1,9 MeV) + p (11,9 MeV) (51%) T + 3He → 4He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) (43%) T + 3He → 5He (2,4 MeV) + p (11,9 MeV) (6%)
spallazione del 6Li p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV) D + 6Li → 2 4He (22,4 MeV) 3He + 6Li → 2 4He + p (16,9 MeV)
reazioni di attivazione neutronica del trizio, usate nelle bombe a fusione "secca" e in alcuni progetti di reattore a fusione: 6Li + n→ T + 4He 7Li + n→ T + 4He + n
spallazione del 11B p + 11B → 3 4He (8,7 MeV)
Reazione artificiale La reazione da decenni (di gran lunga) più studiata, per utilizzare la fusione in un reattore di una centrale per produrre energia elettrica, è la fusione deuterio-trizio (D-T), perché è quella che richiede la temperatura più bassa.Tipicamente, questa reazione ha una temperatura di soglia di circa 200 milioni di gradi. In realtà, in gergo tecnico la temperatura viene espressa in kiloelettronvolt: 200 milioni di gradi sono uguali a 20 keV (per effettuare questa conversione bisogna moltiplicare per la costante di Boltzmann). Lo svantaggio della reazione standard D-T, la più fredda, è la produzione di neutroni a energia molto alta (14,1 MeV): per dare un'idea, circa 7 volte l'energia standard di un neutrone veloce da fissione, che corrisponde a quello prodotto dalla reazione di fissione nucleare dell'uranio 235. Il problema dei neutroni veloci è che essendo privi di carica non possono essere confinati da un campo magnetico, ma a differenza dei neutrini i neutroni interagiscono in modo molto pesante con la materia. I neutroni in particolare tendono a rendere radioattivi gli acciai, il cemento armato, e altri materiali strutturali convenzionali, trasformando gli elementi chimici che contengono: il fenomeno è chiamato attivazione neutronica. La presenza di neutroni veloci rende quindi necessario l'impiego di schermature molto pesanti (tipicamente piombo o cemento armato). Questo è uno dei principali problemi per un reattore a deuterio-trizio, come ITER. I neutroni d'altra parte sono una fonte di calore interna alle pareti del reattore, che viene sfruttata nella produzione di energia elettrica. Inoltre, i neutroni vengono utilizzati per produrre il trizio attraverso reazioni di cattura neutronica del litio, facendo scorrere dietro le pareti del plasma del litio o una lega litio-piombo in cui il piombo scherma verso l'esterno e contribuisce a moltiplicare i neutroni veloci, aumentando il tasso di conversione del litio in trizio.
Reazione aneutronica
La fusione 3He + D è la rappresentante tecnologicamente più importante delle fusioni aneutroniche.
La sua temperatura di soglia per la reazione 3He + D è stata misurata essere intorno ai 580 milioni di gradi (50 keV), e quella della D-T è a 175 milioni di gradi (15 keV): l'aumento di temperatura risulta circa 3,3 (vedere la figura precedente con le curve delle probabilità di reazione alle varie temperature).
Questa reazione potrebbe diventare interessante come alternativa al T+D, ma sarebbe necessario l'aumento di più di 6 volte dell'intensità di campo magnetico, e quindi della capacità di confinamento, che potrebbe essere offerto da elettromagneti che impiegano la tecnologia dei superconduttori ad alta temperatura. Questi sarebbero naturalmente molto più capaci di tenere confinato e coeso il plasma rispetto per esempio ai magneti superconduttori a bassa temperatura, che danno un campo intorno a 1 tesla per il reattore ITER di riferimento in Provenza. In effetti, un plasma di 3He e D attorno ai 580 milioni di gradi produce anche fusioni secondarie di tipo D+D, che sono neutroniche: lo si può notare dalla vicinanza delle curve delle reazioni 3He +D e D + D in questa regione di temperatura. I neutroni della reazione standard D + T hanno infatti un'energia molto alta, circa 7 volte quella dei neutroni generati dalla fissione standard dell'uranio 235, e quindi sono molto più penetranti. Invece, i neutroni lenti del D + D sono meno, e sono penetranti in modo simile a quelli della fissione standard siccome hanno un'energia simile; infine, attivano molto meno i materiali strutturali del reattore e quindi pongono meno problemi per lo schermaggio e lo smaltimento.
Purtroppo, le due fusioni aneutroniche più studiate in passato per fini militari sono state quella dell'elio-3 col trizio, e quella del litio-6 col deuterio.
Reazione delle stelle Ci sono studi che esplorano le possibilità di sfruttamento pacifico della reazione che avviene nelle stelle, quella deuterio-deuterio (D-D), che nel 50% dei casi produce neutroni con un'energia nettamente più bassa (2,5 MeV circa). La temperatura di soglia della reazione è però ancora più elevata che nel caso 3He + D, per cui anche con i nuovi magneti basati sui superconduttori ad alta temperatura si pensa che non sia raggiungibile nell'orizzonte di qualche decina di anni.
Cinetica delle reazioni Nella fusione nucleare il nuovo nucleo 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, secondo la relazione tra la massa e l'energia stabilita dalla teoria della relatività ristretta:
E = mc2
in cui E è l'energia, m la massa e c2 il quadrato della velocità della luce nel vuoto.
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).
La fusione nucleare, nei processi terrestri, è usata in forma incontrollata per le bombe a idrogeno e in forma controllata nei reattori a fusione termonucleare, ancora in fase sperimentale.