Fusione nucleare
La fusione nucleare consiste nell'unione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante con conseguente rilascio di energia. È la reazione che alimenta le stelle e viene sfruttata nelle bombe all'idrogeno.Qualsiasi coppia di nuclei può essere forzata a fondere. Quando questo avviene il nucleo risultante ha troppi neutroni per essere stabile ed i neutroni in eccesso sono espulsi con notevole energia. I nuclei più leggeri, fondendo, producono più energia di quanta non sia servita per innescare la fusione rendendo la reazione esotermica e permettendole di auto alimentarsi.
Nel caso opposto, nuclei pesanti con troppo pochi neutroni sono instabili e finiscono per dare origine al fenomeno di fissione nucleare. Al contrario della fusione, la fissione richiede talmente poca energia che avviene spontaneamente per nuclei sufficientemente pesanti. Questo non avviene invece per la fusione dove anche il nucleo di massa minore, l'idrogeno, richiede una quantità considerevole di energia per fondere.
L'energia totale contenuta in un nucleo, l'energia di legame, è notevolmente superiore all'energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ad esempio l'energia di ionizzazione ottenuta dall'aggiunta di un elettrone all'idrogeno è di 13.6eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T mostrata in seguito è pari a 17MeVMeV (più di un milione di volte).
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2 Testo ancora da tradurre dall'inglese 3 Fusion reactions 4 Fuel confinement 5 Fusion as a power source 6 See also |
Ad opporsi alla reazione di fusione è principalmente una barriera energetica. La forza coulombiana, repulsiva, viene superata dalla forza nucleare forte che è superiore ma opera a distanze molto inferiori. La difficoltà è quindi portare i nuclei sufficientemente vicini in modo che la forza nucleare forte possa superare la barriera coulombiana.
L'intensità della repulsione tra due nuclei dipende dalla loro carica totale e, pertanto, dal numero di protoni che contengono. L'intensità della forza nucleare forte, invece, dipende dal numero di nucleoni. Dalla combinazione di questi fattori ne risulta un'energia limite che è minima per gli isotopi pesanti dell'idrogeno.
Il modo più semplice per fornire quest'energia è riscaldare i nuclei. La temperatura è infatti una misura dell'energia cinetica media di una sostanza, il che significa che alcuni atomi avranno un'energia maggiore, altri minore. Da una certa temperatura in poi è possibile che alcuni nuclei abbiano energia sufficiente ad originare reazioni di fusione.
La sezione d'urto (cross section) combina gli effetti della barriera di potenziale e della distribuzione di velocità dei nuclei in un'area efficace per le collisioni con conseguente fusione. Queste grandezze sono legate attraverso l'equazione seguente:
L'aumento di una qualsiasi di queste tre quantità porta all'aumento della frequenza delle reazioni di fusione. Inoltre la sezione d'urto è a sua volta funzione dell'energia termica dei nuclei. La sezione d'urto passa da circa zero a temperatura ambiente fino a valori significativi per temperature dell'ordine dei 10-100 keV. Essendo queste temperature ben al di sopra dell'energia di ionizzazione, le reazioni di fusione avvengono in uno stato di plasma.
Per una qualsiasi data quantità di combustibile (ovvero i reagenti), il tasso di fusione, f, è costante. Così la misura dell'energia netta reale che è liberata è una funzione della f (e, in alternativa, della temperatura), del numero di [particella|particelle]] presenti in un'area particolare (la sua densità ) e del tempo che rimangono insieme (il tempo di confidenza). Questo fatto può essere ben quantificato utilizzando quello che è comunemente noto come prodotto triplo di fusione, nTτ o pτ dove p=nT.
Il rilascio di energia utile da una reazione può così avvenire ad un valore basso della f. Ad esempio, le condizioni affinché all'interno del Sole avvenga una fusione sono effettivamente povere e i nuclei danno luogo ad una reazione di fusione solo una volta ogni i termini all'interno del sole sono realmente abbastanza "poor", ed i nuclei subiscono soltanto una volta la fusione in ogni 1029 secondi. Comunque, il fatto che il Sole contenga al suo interno 1059 nuclei indica che il numero di reazioni è molto alto e quindi il Sole continuerà ancora a vivere per alcuni bilioni di anni, fino a che, giunto alla fine del proprio combustibile, non rilascerà una enorme quantità di energia.
Sulla Terra, dove il combustibile per la fusione è costoso ed abbiamo una quantità di massa significativamente inferiore rispetto al Sole, il tasso di fusione deve essere considerevolmente più grande e così le temperature molto più alte. Più alta la temperatura, più alta la pressione e più difficile è limitare il plasma prodotto.
Per ogni particolare combustibile nucleare esiste un valore particolare di nTτ che risulterà in una liberazione di energia maggiore di quella necessaria per riscaldarlo fino a far avvenire la reazione stessa. Tale affermazione è nota come il criterio di Lawson. Per la reazione più semplice nel caso di combustibile deuterio-trizio risulta che nTτ è circa 1014 s/cm³, un valore che è risultato difficilissimo da raggiungere anche dopo 50 anni di tentativi.
Il criterio di Laswon definisce essenzialmente un valore minimo di energia che verrà prodotta dalla reazione di fusione, in genere chiamato punto di parità . Un altro livello energetico importante è il punto di innesco, dove il calore generato dalle reazioni è abbastanza grande da riscaldare il combustibile circostante per far fondere anche quello. I due numeri potrebbero sembrare gli stessi, ma il secondo tende ad essere considerevolmente più grande del primo, perché la maggior parte dell'energia tenderà ad "uscire" da ogni generatore di dimensione ragionevole. In una stella questo non è un problema, perché essa sarà abbastanza grande da intrappolare la grande maggioranza dell'energia, ma in un generatore posto sulla Terra è molto più difficile trattenere l'energia generata. Anche se un reattore non deve obbligatoriamente raggiungere il punto d'innesco per essere utile come generatore di energia, l'innesco rimane uno degli obbiettivi principali della maggior parte delle ricerche.
(D is a shorthand notation for deuterium, 2H, and T is short for tritium, 3H)
Fusion powers the Sun and other stars, where the fuel is contained by the pull of its own gravity. In stars the size of the sun or smaller, the proton-proton chain predominates; in larger stars, the CNO cycle is the dominant reaction. Both of these cycles have considerably higher threshold temperatures than reactions being studied on Earth, and the latter reaction rates are therefore much lower.
For Earth-bound fusion reactors the primary concern is a low threshold energy. This implies a lower Lawson Criterion, and therefore less startup effort. Another concern is the production of neutrons, which are difficult to use and control. Reactions that release no neutrons are referred to as the aneutronic reactions and are of considerable interest, but those that release lower-energy neutrons are equally interesting.
Low threshold energy reactions:
D-T reaction (lowest threshold energy, ~50 keV)
3He reactions
Gravitational confinement
All mass, and energy in general, creates a gravitational force. One way to hold the fuel together long enough to undergo fusion is to put enough of it in one place that the gravity created by the fuel is enough to hold it together, as in stars. Stars are self-regulating, the force holding the star out against its own gravity is the heat being generated by the fusion inside. Thus if the rate of fusion rises, the star expands and the rate slows. Some simple math can demonstrate that the mass of fuel needed to make a star using the D-D reaction is about the size of the Moon.
Inertial confinement
The fuel can be explosively compressed with external photons or other particles. Of course with an explosive, this implies that the containment time will tend to be quite small. However if the compression is high enough this is of little concern, as the fuel will still undergo significant fusion. This is the process used in the hydrogen bomb, where a huge explosion, provided by a nuclear fission bomb, compresses a small cylinder of fusion fuel.
In a thermonuclear weapon the x-rays generated by a fission device "boils" a plastic foam, creating a shock wave that is focused onto a "trigger" cylinder containing a liquid D-T mix. Other forms of inertial confinement have been attempted for fusion power, including using large lasers focused on a small pellet of fuel, or using ions of the fuel itself accelerated into a central region as in the Farnsworth-Hirsch Fusor.
Magnetic confinement
A plasma consists of charged particles which can then be confined with appropriate magnetic fields. A variety of magnetic fields can be used to confine and insulate a fusion plasma. However, the confined plasma interacts with different confining magnetic fields in ways that affect the heating and confinement efficiency of the system. The nature of the fusion reactor will also be profoundly affected by the particular magnetic configuration. There are only two basic magnetic structures which have been shown to confine plasmas of fusion interest: the magnetic mirror and the magnetic torus. However, each of these magnetic confinement systems has several variants. These confinement systems differ in practice by emphasizing particular principles of fusion science to improve plasma confinement or to simplify the technical requirements for producing the magnetic fields. Historically, the tokamak, a toroidal confinement concept, embodied a set of principles which was comparatively easy to implement in the laboratory. As a result, most of the scientific progress has been made with this concept.Requisiti perché la fusione abbia luogo
dove n è la densità dei nuclei, è la sezione d'urto, è la velocità termica ed f è la frequenza delle collisioni che danno origine ad una reazione di fusione.Testo ancora da tradurre dall'inglese
Fusion reactions
D-D reaction (both reactions are equally likely to occur)
T-T reaction
Other interesting reactions, mostly aneutronic:
6Li reactions
Tritium "breeder" reactions used in "dry" fusion bombs and some proposed fusion reactors:
11B reaction
Note that many of the reactions form chains. For instance, a reactor fueled with T and 3He will create some D, which is then possible to use in the D + 3He reaction if the energies are "right". The two most studied aneutronic reactions are the T + 3He and D + 6Li, the latter forms the basis for thermonuclear bombs. However all of these, even the aneutronic ones, do not operate "cleanly" and a number of less interesting reactions will occur at the same time, some of those producing neutrons.Fuel confinement
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