spino

Fissione e fusione nucleare

di Spinelli Luca III° B

Scuola media Goffredo Zignani

Anno scolastico 2008/2009

Indice

1° pagina copertina
2°pagina indice
3°pagina scopo e situazione
4°-5°-6°7° ricerca
8° pagina bibliografia e vocabolario

Scopo della ricerca

Ho voluto fare la ricerca su questo argomento perché mi interessa particolarmente

situazione

Approfondisco il tema sulla fissione e sulla fusione nucleare

ricerca
La fusione nucleare alimenta le stelle e il nostro Sole, la più potente tra le fonti di energia conosciute. Il fenomeno ancora oggi è più dei fisici che dei tecnologi questo è segno che, nonostante molti anni di ricerche, ancora non disponiamo di tecnologie adeguate a sfruttarla industrialmente. La fusione nucleare rappresenterebbe concretamente una soluzione definitiva alla questione energetica, non produce scorie, al limite qualche componente del reattore limitatamente radioattivo – e usa come combustibile l’elemento più abbondante dell’Universo: l’idrogeno. Ma non per bruciarlo, bensì nella furia rovente di un plasma a oltre cento milioni di gradi, il minimo necessario a meno di non compensare con pressioni mostruose per appiccare il fuoco nucleare.
Come al centro di una stella
Per innescare una reazione di fusione nucleare bisogna ricreare condizioni simili a quelle che si trovano nel nucleo delle stelle. Nel Sole, ciò equivale a circa 15 milioni di gradi e qualche centinaio di miliardi di atmosfere. Non c’è modo di contenere una simile pressione perciò nei tentativi in corso si preferiscono una bassa pressione (poche decina di atmosfere) e molto più calore: oltre cento milioni di gradi. La difficoltà, evidentemente, è mantenere confinato questo plasma, evitando che si disperda, in quanto ciò ne provocherebbe lo “spegnimento”. Ciò implica che i reattori nucleari a fusione siano difficili da mantenere accesi. Un cedimento del contenimento, infatti, spegnerebbe la reazione.
Dentro il reattore
Nei tokamak il confinamento del plasma è ottenuto tramite un potente campo magnetico che lo costringe a scorrere all’interno di una “camera toroidale”.

Un tokamak: spento (a sinistra) e acceso, percorso dal plasma (a destra).
Una camera toroidale è una cavità a forma di ciambella, circondata da bobine che generano un campo magnetico della stessa forma. Il plasma è formato da cariche elettriche (nuclei atomici ed elettroni) e, come tali, sono indotte a seguirne le linee di forza spiraleggiandovi attorno. E’ essenzialmente su questo meccanismo che si basa il confinamento del plasma: una opportuna combinazione di campi elettrici e magnetici.

Il punto sulla ricerca e lo sviluppo
Attualmente esistono diversi reattori sperimentali: il JET a Frascati, e numerosi altri in USA, Europa e Asia. Nessuno di questi ha mai raggiunto le condizioni di ignizione, cioè un’accensione stabile, autoalimentata. La reazione è sempre stata fin qui sostenuta da una continua e sostanziosa iniezione di energia dall’esterno. Anzi, finora, i reattori sperimentali hanno lavorato in perdita. E’ possibile ottenere un bilancio energetico favorevole, e quindi una produzione di energia netta, sia raggiungendo l’ignizione che fermandosi prima. Ci sono due progetti che studiano il fenomeno che sono:
ITER è un progetto internazionale su grandissima scala: 10 miliardi di euro; trent’anni di esperimenti, dieci dei quali passati a costruire il reattore: una macchina alta venti metri nella quale, oltre a sperimentare le razioni di fusione per alcuni minuti consecutivi, verrebbero testati anche diversi impianti destinati alla produzione di energia elettrica. Verrà costruita a Cadarache, nel Sud della Francia da un consorzio internazionale in cui compaiono Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d’America, India e Corea del Sud;
Ignitor è un progetto ENEA dai costi e tempi di realizzazione assai più contenuti: 350 milioni di euro e un orizzonte temporale di ricerca di 5 o 6 anni. Ignitor è nato prima di ITER, e anzi è stato la base dello sviluppo del mega-esperimento ITER.
Ignitor avrebbe il pregio di poter sperimentare le condizioni di ignizione (per pochi secondi) molto prima e a costi più bassi, fornendo così informazioni utili anche per gli esperimenti successivi come ITER, che hanno obiettivi più ambiziosi. Attualmente è in un momento di difficoltà per carenza di finanziamenti, in parte già stanziati e mai consegnati, mentre gli USA si sono già dichiarati disponibili a cooperare. L’italia, per le peculiarità della sua rete elettrica, sarebbe favorita come location per l’installazione.

I protoni nel nucleo sono carichi positivamente e insieme ai neutroni elettricamente neutri formano la gran parte della massa dell’atomo.Gli elettroni, leggerissimi, sono numerosi quanto i protoni e sono carichi negativamente, in modo che l’atomo nel suo complesso risulti neutro.Ma a temperature molto elevate l’agitazione è tale che i nuclei perdono gli elettroni. Ne risulta un plasma, un concentrato di elettroni e nuclei atomici liberi: cariche positive e negative indipendenti che, a differenza degli atomi neutri, reagiscono sia ai campi elettrici che magnetici.

Confinare il plasma
Il plasma si comporta in modo profondamente diverso rispetto alla materia ordinaria. Per esempio, in presenza di un campo magnetico, le cariche che lo compongono (sia elettroni che nuclei) sperimentano la forza di Lorenz, che le costringe a muoversi secondo traiettorie a spirale intorno alle sue linee di forza.


E’ sfruttando questo prinicipio che, nelle macchine a fusione nucleare, si ottiene il “confinamento magnetico”.  

Fusione e fissione: quando a reagire è il nucleo atomico

Le forze che tengono legati i neutroni e i protoni nel nucleo atomico sono immensamente più grandi di quelle che tengono gli elettroni legati al nucleo. Per questo motivo, le razioni nucleari sono enormemente più energetiche di quelle chimiche, che coinvolgono solo gli elettroni. Ce ne sono di due tipi: fissione e fusione.
La fissione (su cui si basano le odierne centrali nucleari) è un processo in cui si spaccano nuclei atomici (tipicamente di elementi pesanti come l’uranio) che dividendosi in nuclei più leggeri rilasciano energia sotto forma di onde elettromagnetiche.

Nel processo vengono rilasciati anche dei neutroni, che innescano a cascata altre fissioni, e così via. Così la reazione si autoalimenta.
La fusione domina invece i nuclei delle stelle. Accade quando due nuclei, come idrogeno ed elio, si scontrano l’uno contro l’altro e si fondono in un nucleo più pesante. Per arrivare alla collisione però, devono prima superare la repulsione elettrica. Entrambi i nuclei sono carichi positivamente. Per superare la repulsione, i nuclei devono essere lanciati a gran velocità. Perchè la raggiungano è necessario che il gas di nuclei ed elettroni che forma il plasma in cui sono contenuti, sia portato a temperature altissime. Mai inferiori ai 10 milioni di gradi. In un plasma mantenuto ad alta temperatura e sufficientemente compresso e denso, l’energia liberata dalla fusione lo accende come una fiamma che si autoalimenta. Ciò accade spontaneamente nel nucleo delle stelle, dove il plasma bollente è trattenuto dalla forza gravitazionale della stella. Condizioni simili sono riprodotte nei tokamak. In cui il plasma è confinato da potenti campi magnetici.

vocabolario
Ignizione
Toroidale
Tokamak

bibliografia

il-disastro-di-cernobyl