Il Sole in bottiglia

Sempre alla ricerca di soluzioni energetiche più efficaci, si spera e si sperimenta anche sulla fusione termonucleare controllata, ma chiunque si sia illuso sulla sua mancanza di radioattività dovrà ricredersi e se pensate di scommettere su questa forma di energia pulita, ci rimettereste dei soldi.

La speranza di avere una fonte energetica virtualmente illimitata e efficiente si scontra spesso con la sua sostenibilità ambientale, fra queste tecnologie senza dubbio va considerata la fusione termonucleare controllata, perché se è vero che essa non genera scorie radioattive, non altrettanto si può dire delle strutture che la dovrebbero produrre. Ma partiamo dall’inizio: cos’è esattamente la fusione termonucleare controllata?
Nell’insensata corsa agli armamenti nata con la fine della II Guerra mondiale, nel 1952 fu fatta esplodere dagli Stati Uniti la prima bomba all’idrogeno (o bomba H) con una potenza di 10,4 megatoni (1 megaton equivale a 4.18 × 10¹⁵ joule) sull’atollo del Pacifico Enewetac, nelle isole Marshall. Inventata da Edward Teller, essa funziona sul principio della fissione-fusione-fissione: in pratica una normale bomba atomica genera le condizioni fisiche necessarie alla fusione degli isotopi di idrogeno secondo questo schema: $$^2H + ^3H \ \rightarrow \ ^4He + n + 17,6 MeV$$
Il trizio ($^3H$) non è presente nella composizione iniziale della bomba ma viene prodotto dall’urto di neutroni veloci contro i nuclei dell’isotopo di litio ($^6Li$) e nuclei di deuterio ($^2H$) secondo queste due reazioni nucleari:
$$^6Li + n \  \rightarrow \ ^3H + 4He + 4,8 MeV$$
$$^2H + n \ \rightarrow \ ^3H + 6,2 MeV$$

La fissione finale è generata dai neutroni veloci generati durante la fusione che vanno a scindere gli atomi di uranio 238 superstiti dell’esplosione iniziale e del cilindro dell’ordigno, incrementando l’efficacia della bomba: il tutto avviene in appena 600 millisecondi, il tempo in cui permangono le condizioni di temperatura (3.5 × 10⁷ K) e pressione necessarie alle reazioni nucleari. Questo è un esempio di fusione termonucleare incontrollata.

Controllare questa enorme quantità di energia e poterla riprodurre in sicurezza è un sogno che i fisici di tutto il mondo inseguono da quando furono scoperte da Hans Bethe nel 1938.Certo riprodurre le condizioni fisiche necessarie con un ordigno atomico è impensabile, quindi è necessario procedere per altre vie, ma quali? Quella sfera di luce che ci riscalda di giorno, che ha permesso lo sviluppo della vita sulla Terra, e che la gente apprezza quando va al mare, è una stella, il Sole, essenzialmente una palla di plasma di idrogeno, ossia protoni ed elettroni non più legati dalle forze elettrostatiche, liberi, per quanto lo permettano le condizioni fisiche locali, di muoversi liberamente. La temperatura si può tradurre come movimento e i protoni (nuclei di idrogeno ¹H) superando la barriera coulombiana per effetto tunnel (le energie tipiche dei protoni è di qualche KeV mentre per infrangere la repulsione coulombiana occorrono energie dell’ordine di MeV) riescono a fondersi formando deuterio, rilasciando un positrone (l’antimateria dell’elettrone) ed un neutrino elettronico (decadimento β+) di 0,4 MeV: $$^1H + ^1H\ \rightarrow \ ^2H \ +\ {e+} \ + \ {ve}$$  Da parte sua il positrone si annichila immediatamente con un elettrone trasformandosi in due raggi gamma. $${e+}\ +\ {e-} \ \rightarrow \ 2\gamma + 1.02 MeV$$
Questa è la forma più efficiente di produzione di energia esistente in natura: l’annichilazione della materia col suo omologo opposto infatti converte tutta la massa disponibile in energia; la famosa reazione materia/antimateria tanto cara agli autori di fantascienza, soprattutto di Star Trek.
Tutto questo processo necessario alla produzione di un nucleo di deuterio è lentissimo: occorrono 1 miliardo di anni perché si avveri la probabilità che due protoni collidano esattamente e non si respingano, ma una stella ha dalla sua i grandi numeri: ci sono 2 x 10²⁴ protoni nel solo nucleo del Sole, più che sufficienti.
Ora che si è reso disponibile il deuterio, esso cattura un altro protone producendo un isotopo leggero dell’elio ($^3He$) generando altra energia: $$^2H + ^1H \ \rightarrow \ ^3He + \gamma + 5.49 MeV$$

A questo punto si aprono le strade per diversi percorsi di fusione termonucleare che gli astrofisici chiamano rami pp, illustrarli tutti ci porterebbe fuori argomento, magari sarà materia per un futuro articolo, basti comunque sapere che un nucleo di elio ($^4He$) pesa lo 0,7% in meno dei quattro protoni originari, il resto viene convertito in energia sotto forma di fotoni gamma energetici e di neutrini, questi ultimi  inutilizzabili. Questa è un esempio di fusione termonucleare controllata:

REAZIONE	FORMULA
D-T:	$D + T \ \rightarrow \ {^4He} (3.5 \ MeV) + n (14.1\ MeV)$
D-D:	$D + D \ \rightarrow \ T ( 1.01\ MeV) + p (3.02\ MeV)$ $D + D \ \rightarrow \ {^3He} (0.82\ MeV) + n (2.45\ MeV)$
T-T:	$T + T \ \rightarrow \ ^4He + 2 n (11.3\ MeV)$
reazioni dell'3He:	${^3He} + {^3He} \ \rightarrow \ {^4He} + 2p$ $D + {^3He}\ \rightarrow \ {^4He} (3.6\ MeV) + p (14.7\ MeV)$ $T + {^3He}\ \rightarrow \ {^4He} (0.5\ MeV) + n (1.9\ MeV) + p (11.9\ MeV)$ $T + {^3He} \ \rightarrow \ {^4He} (4.8\ MeV) + D (9.5\ MeV)$ $T + {^3He} \ \rightarrow \ {^5He} (2.4\ MeV) + p (11.9\ MeV)$	L'hack del Trizio   Per garantire l’autosostentamento della fusione la reazione deve riuscire a produrre un flusso costante di trizio: almeno un atomo di trizio per ogni atomo consumato. Questo vuol dire che un neutrone proveniente dalla reazione principale deve riuscire a collidere con un isotopo di litio (7Li) per produrre poi un atomo di trizio e uno di elio e rilasciare un neutrone: questo a sua volta deve trasformare un altro atomo di litio (6Li), in un ulteriore atomo di trizio e di elio.
reazioni del 6Li:	$p + {^6Li} \ \rightarrow \ {^4He} (1.7\ MeV) + {^3He} (2.31\ MeV)$ $D + {^6Li} \ \rightarrow \ 2{^4He} (22.4\ MeV)$ ${^3He} + {^6Li} \ \rightarrow \ 2 {^4He} + p (16.9\ MeV)$
reazioni generatrici di trizio:	$n + {^6Li} \ \rightarrow \ T + {^4He}$ $n + {^7Li} \ \rightarrow \ T + {^4He}+ n$

È molto importante riuscire a trovare il modo di generare il trizio all’interno del reattore: primo, esso è raro in natura e si trova sulla Terra allo stato gassoso (viene prodotto nell’alta atmosfera dall’interazione dei raggi cosmici con l’azoto atmosferico);  secondo, è radioattivo con una emivita di 12,33 anni (è  nocivo solo per inalazione e ingestione); terzo, è indispensabile per molte reazioni che richiedono una bassa soglia di energia di ignizione. Il problema tecnico non indifferente però è quello rendere immediatamente disponibile il trizio per la combustione.Questa è solo una parte della teoria della fusione termonucleare controllata,  qui non esistono problemi insormontabili: questi si manifestano nella realizzazione pratica di un reattore pienamente funzionante. Innanzitutto è necessario che si realizzi quella che viene chiamata ignizione, il momento di innesco della fusione termonucleare; il  breakeven, ovvero la dimostrazione in cui un reattore genera più energia di quella necessaria ad accendere la fusione; e l’autosostentamento del processo di fusione, perché per essere sfruttabile il reattore deve riuscire a produrre energia per un lungo periodo di tempo ininterrottamente, anche mesi o anni, per poter ripagare i suoi costi di costruzione e mantenimento e generare un flusso costante di energia a costi abbastanza bassi da essere economicamente conveniente.

La camera bersaglio del National Ignition Facility. Guardate il tecnico: la capsula di combustibile è grande come un chicco di pepe in punta alla matita.

Il plasma però è esso stesso una gran brutta bestia: confinare in un volume sempre più piccolo il plasma è un po’ come prendere un budino in mano: come si stringe il pugno questo sguscia via: e infatti vengono studiati vari metodi di confinamento del plasma,  bottiglie magnetiche, fasci di radiazione laser, campi elettrici etc. che finora hanno saputo dare risultati solo parziali e estremamente limitati nel tempo, dell’ordine di frazioni di secondo.
Poi vi ricordate dei neutroni? essi sono importanti per i processi di fusione, ma hanno la spiacevole abitudine di essere totalmente insensibili ai campi elettromagnetici, l’unico modo per fermarli è quello di farli impattare contro il nucleo di un altro atomo con lo spiacevole inconveniente di radioattivare la materia: una camera di contenimento, detta blanket, per esempio in acciaio, in pochi anni sarebbe inutilizzabile per l’effetto dei neutroni più energetici. Per questo si stanno studiando delle soluzioni che vanno dall’impiego di leghe metalliche come Pb-Li a materiali ceramici di Li-Be [1].  Il litio è importante perché oltre che essere fondamentale per la produzione del trizio, è anche un eccellente moderatore di neutroni.
Quindi sono tanti, forse troppi, gli ostacoli tecnici ancora da superare. Probabilmente quando questi saranno risolti avremo sviluppato altre fonti energetiche pulite e più convenienti da rendere la fusione termonucleare utile solo in assenza di altre alternative.

In fondo se ci pensiamo abbiamo già una centrale termonucleare gratuita e potente da sfruttare: il Sole. Invece di reinventare la ruota sarebbe più saggio studiare il modo più efficace e conveniente per raccogliere ed utilizzare la sua immane energia il cui unico difetto è quello di essere democratica e soprattutto gratuita.

Riferimenti:

1. . Zanino, Vecchi, Ferraris, Zucchetti, Vella, Oliveri, Coccorese, Pizzuto, Gnesotto , Bonizzoni , "TECNOLOGIE DELLA FUSIONE NUCLEARE: RICERCA E INNOVAZIONE IN ITALIA ", ResearchGate, 2005. https://www.researchgate.net/publication/237590256_TECNOLOGIE_DELLA_FUSIONE_NUCLEARE_RICERCA_E_INNOVAZIONE_IN_ITALIA