Sin dall’antichità l’uomo è stato incantato dal fascino e dal mistero che si nasconde nell’universo. Nel 600 a.C. si attestano i primi fondamenti astronomici greci a cura di Talete di Mileto. Si pensa che riuscì a predire un’eclisse solare e che sia riuscito a calcolare l’altezza delle piramidi misurando la loro ombra . Il suo credo più curioso, però, è certamente quello che le stelle fossero fatte di fuoco. Quest’ultimo punto sarà vero? Da cosa sono formate le stelle? E perché Talete di Mileto pensava fossero fatte di fuoco?
Le stelle
Facendo un balzo in avanti nei secoli, la scienza moderna afferma che le stelle sono corpi celesti formati principalmente da Idrogeno (H) ed Elio (He) legati insieme dall’attrazione gravitazionale. Gli ammassi di materia leggera concentrati ad alte temperature e densità rendono possibile la creazione del plasma (gas ionizzato). Definito anche come il “quarto stato” della materia, il plasma, è costituito da elettroni (e ioni) non più legati al proprio nucleo. A causa delle elevate temperature, i nuclei presenti nelle stelle sono in continuo movimento e danno luogo a delle collisioni talmente tanto violente da provocare fusioni termonucleari, trasformando l’Idrogeno in Elio.
Ora comprendiamo la convinzione di Talete: a prima vista le stelle sembrano fatte di fuoco. In realtà non bruciano affatto: per poterlo fare sarebbe necessaria la presenza di Ossigeno (O), quest’ultimo però non è presente nello spazio. Ciò che erroneamente potrebbe sembrare fuoco è in verità la grande quantità di calore generata dal processo di fusione nucleare.
La fusione come nelle stelle
Quando due atomi leggeri si scontrano, in determinate condizioni, possono unirsi formando un elemento più pesante e sprigionando un’enorme quantità di energia. La reazione di fusione è esattamente l’opposto della reazione di fissione in cui, per poter sprigionare energia, si rompe un nucleo pesante.
Per far sì che la fusione avvenga è necessario, in primo luogo, vincere la repulsione elettrostatica presente tra i due nuclei leggeri (entrambi positivi). La repulsione elettrostatica è presente tra due cariche dello stesso segno, mentre si parla di attrazione elettrostatica quando le cariche hanno segno opposto. Per vincere tale repulsione, bisogna avvicinare i due nuclei a distanza molto ridotta (dell’ordine del milionesimo di miliardesimo di metro). Un esempio di reazione di fusione nucleare è quella che avviene tra i due isotopi dell’Idrogeno, Deuterio (H-2) e Trizio (H-3), che, fondendosi, formano nuclei di elementi più pesanti come l’Elio (He) con emissioni di grandi quantità di energia.
\[\ ^{2}H + ^{3}H \rightarrow ^{4}He + n \]
Questo processo è proprio la fusione nucleare.
Non abbiamo ancora spiegato però come è possibile portare i due nuclei leggeri a distanza così ridotta tra loro nonostante la repulsione elettrostatica presente. Affinché questo accada è necessario che la velocità, al momento dell’urto tra i due nuclei, sia molto elevata: è dunque essenziale portare la miscela dei nuclei leggeri a temperature elevatissime (100 milioni di gradi!). In queste condizioni, le particelle tendono a dissociarsi negli elementi costitutivi (elettroni e ioni) trasformandosi in una miscela di particelle cariche, il plasma. Manca un ultimo elemento per far sì che la reazione di fusione avvenga con un rilascio di energia netta (ovvero che generi più energia di quella necessaria per innescarla): è necessario che il plasma rimanga confinato in uno spazio limitato. Se così non fosse il plasma si disperderebbe prima che possa verificarsi un sufficiente numero di reazioni di fusione.
Ma com’è possibile che un plasma di centinaia di milioni di gradi rimanga confinato nello spazio? A questo scopo viene in aiuto il concetto di confinamento magnetico e confinamento inerziale.
Confinamento magnetico
Non esistendo materiale sulla terra adatto a sopportare le temperature raggiunte dal plasma, una delle soluzioni possibili è quella di farlo “fluttuare”. Per fare questo si utilizza il cosiddetto Tokamak (acronimo di “camera toroidale con spire magnetiche”). Esso è un reattore a fusione a confinamento magnetico dalla forma toroidale (i tori non c’entrano proprio nulla: vuol dire a forma di ciambella!) che, grazie a un potente campo magnetico generato da supermagneti esterni alla camera, permette al plasma di orbitare all’interno del toroide mantenendolo lontano dalle pareti interne.
Confinamento inerziale
Un altro metodo utilizzato per confinare il plasma è il processo di fusione a confinamento inerziale, National Ignition Facilities (NIF). Esso è caratterizzato da strutture più agili (rispetto a quelle utilizzate per il confinamento magnetico) aventi come protagonisti i fasci laser.
I fasci laser sono focalizzati su un cilindro contenente una sfera di alcuni millimetri di diametro in cui è presente una miscela di Deuterio e Trizio allo stato liquido. L’energia provocata dall’impatto dei fasci laser sulla sfera provoca la rimozione della sua superficie e l’implosione del combustibile contenuto. La compressione prodotta rende possibile un aumento di temperatura e densità fino ad arrivare alla condizione di ignizione. È definita “inerziale” perché è l’inerzia dei nuclei di Deuterio e Trizio che mantiene unito il combustibile per il tempo necessario alla generazione di reazioni di fusione aventi bilancio energetico globale positivo.
Confinamento magnetico o inerziale, su quale dei due puntare? A questa domanda solo il tempo ci darà la sua risposta. Oggi, per esempio, l’Europa investe sul magnetico, non a caso è in corso la costruzione di un tokamak nel sud della Francia, mentre l’America punta sul confinamento inerziale. Proprio con quest’ultima tecnologia il 5 dicembre 2022 la NIF ha raggiunto un traguardo storico: per la prima volta si è prodotta più energia, derivante dalla fusione nucleare, rispetto all’energia immessa dai raggi laser. Si tratta di 3.15 MJ generati contro i 2.05 MJ dei laser!
Le sfide che ruotano attorno alla fusione nucleare sono tante, di certo una più stimolante dell’altra. Essa è l’energia che move il sole e l’altre stelle e si pensa che sarà anche quella che “muoverà” gli esseri umani per le generazioni future.
Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti:
Lascia un commento