La fusione nucleare: l’energia che alimenta le stelle

A cura di Alessandro Bove

Da milioni di anni il Sole sprigiona una grossa quantità di energia trasformando la materia attraverso un processo tanto complesso quanto interessante, chiamato fusione nucleare.

Cos’è la fusione nucleare?

La fusione nucleare è il fenomeno che coinvolge la trasformazione di isotopi dell’idrogeno in atomi di elio. In natura, come è ben noto, tutto tende ad uno stato di energia potenziale minima. Un oggetto tenuto ad un metro da terra, se lasciato libero, cadrà sul pavimento, ovvero tenderà ad uno stato di energia potenziale (gravitazionale, in questo caso) minimo.

Sebbene l’energia potenziale a livello atomico abbia una natura differente, tutto funziona in modo simile. I nuclei dei due isotopi si fondono così da portarsi entrambi in uno stato di energia inferiore, liberando quella in eccesso. Tuttavia, la reazione di fusione richiede ambienti ad elevatissime pressioni e temperature, di modo che i nuclei siano sufficientemente vicini tra loro, allo stato di plasma (il cosiddetto “quarto stato della materia”).

Gli isotopi

Gli isotopi sono atomi che possiedono un numero maggiore di neutroni nel nucleo. L’atomo di idrogeno ha un nucleo formato da un solo protone, gli isotopi di idrogeno possiedono, a seconda del tipo di isotopo, un nucleo con un protone e un neutrone (deuterio), due neutroni (trizio), tre neutroni (idrogeno quattro) e così via.

Cosa succede durante un processo di fusione nucleare?

I processi di fusione nucleare si basano sulla famosa relazione tra energia e massa \(E = mc^{2}\), in quanto consistono nella trasformazione di massa in energia.

Affinché avvenga la reazione, è necessario che i nuclei siano sufficientemente vicini. Tuttavia i nuclei hanno entrambi carica positiva (si respingono, grazie all’interazione detta coulombiana), ma ad elevate pressioni e temperature come quelle vigenti nel sole, la forza nucleare forte (quella che tiene insieme neutroni e protoni) interagente tra nuclei ne impone la fusione.

Una quantità di energia inimmaginabile

In una “normale” reazione di fusione nucleare, come quella tra deuterio e trizio, si ha una trasformazione del seguente tipo: $$D + T \rightarrow \, ^4He + \text{Energia}$$

L’energia di legame dell’elettrone al nucleo di idrogeno è di 13,6 eV. Invece, quella rilasciata dalla reazione di cui sopra è di 17600000 eV. In poche parole, un grammo di deuterio e trizio potrebbe liberare energia paragonabile a quella prodotta dalla combustione di 11 tonnellate di carbone.

Il progetto ITER

Nell’ambito della fusione nucleare, il progetto ITER è finalizzato alla realizzazione di un reattore a fusione nucleare, che consentirebbe di produrre un grosso quantitativo di energia, come mai è stato possibile nella storia. ITER è un progetto sperimentale, il cui fine non è esattamente la produzione di energia per uso civile, ma intende dimostrare la fattibilità e la controllabilità dei processi fisici, a fronte di sfide tecniche tutt’altro che banali.