FUSIONE NUCLEARE CALDA - 2
Reazioni di fusione
(D è il simbolo convenzionale per il deuterio, 2H, T per il trizio, 3H)
La fusione è la fonte di energia delle stelle, in cui il combustibile è confinato dalla forza di gravità della stella stessa.
Nelle stelle di massa inferiore o uguale a quella del Sole, prevale la reazione a catena protone-protone, in stelle di massa maggiore è invece predominante il ciclo CNO. Entrambe queste reazioni hanno temperature di soglia considerevolmente maggiori e pertanto velocità di reazione inferiori rispetto a quelle che avvengono in un reattore.
Per la realizzazione di reattori a fusione, il primo problema è quello di individuare reazioni aventi una bassa energia di soglia. Questo significa un criterio di Lawson inferiore e quindi un minor sforzo iniziale. Il secondo problema è rappresentato dalla produzione di neutroni, difficili da gestire e controllare. Le reazioni che non liberano neutroni, dette pertanto aneutroniche, sono di grande interesse, ma anche quelle che liberano neutroni a bassa energia sono egualmente interessanti.
Reazioni a bassa energia di soglia:
reazione D -T (la soglia più bassa, ~50 keV)
D + T → 4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)
reazione D - D (le due reazioni hanno la stessa probabilità di avvenire)
D + D → T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV)
D + D → 3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
reazione T-T
T + T → 4He + 2 n (11.3 MeV)
Altre reazioni interessanti, per la maggior parte aneutroniche:
reazioni dell'3He
3He + 3He → 4He + 2 p
D + 3He → 4He (3.6 MeV) + p (14.7 MeV)
T + 3He → 4He (0.5 MeV) + n (1.9 MeV) + p (11.9 MeV) (51%)
T + 3He → 4He (4.8 MeV) + D (9.5 MeV) (43%)
T + 3He → 5He (2.4 MeV) + p (11.9 MeV) (6%)
reazioni del 6Li
p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV)
D + 6Li → 2 4He (22.4 MeV)
3He + 6Li → 2 4He + p (16.9 MeV)
Reazioni generatrici di trizio:
n + 6Li → T + 4He
n + 7Li → T + 4He + n
reazioni del 11B
p + 11B → 3 4He (8.7 MeV)
Si noti che molte delle reazioni sono parte di processi a catena. Per esempio,
un reattore alimentato con T ed 3He produce del D che, se le energie in gioco
lo consentono, può prendere parte alla reazione D + 3He.
Le due reazioni aneutroniche più studiate sono T + 3He e D + 6Li, quest'ultima
è alla base delle bombe termonucleari a fusione. In ogni caso tutte
queste reazioni, anche quelle aneutroniche, non avvengono in modo "pulito",
bensì in contemporanea ad una serie di reazioni secondarie, alcune
delle quali generano neutroni.
Confinamento del combustibile nucleare
Confinamento gravitazionale
Ogni massa e ogni energia crea una forza gravitazionale. Un modo per tenere assieme una massa di combustibile nucleare sufficientemente a lungo da produrre fusione è disporne in uno spazio una quantità sufficiente tale che sia la gravità creata dal combustibile stesso a trattenerlo ed a comprimerlo, come nelle stelle. Le stelle si autoregolano, dato che il calore generato dalle reazioni di fusione si oppone all'azione comprimente della gravità. Se la velocità delle reazioni di fusione cresce, la stella si espande e quindi le reazioni rallentano. Semplici calcoli matematici dimostrano che la massa di combustibile nucleare necessarie a creare una stella basata sulla reazione D - D è all'incirca una massa simile a quella della Luna.
Confinamento inerziale
Il combustibile nucleare può essere compresso all'ignizione con un bombardamento di fotoni, di altre particelle o, naturalmente, tramite un'esplosione. Nel caso dell'esplosione, il tempo di confinamento risulterà essere abbastanza breve. Questo è il processo usato nella bomba all'idrogeno, in cui una potente esplosione provocata da una bomba a fissione nucleare comprime un piccolo cilindro di combustibile per fusione.
Nella bomba all'idrogeno, l'energia sviluppata da una testata nucleare a fissione viene utilizzata per comprimere il combustibile, solitamente un miscuglio di deuterio e trizio, fino alla temperatura di fusione. L'esplosione della bomba a fissione genera una serie di raggi X che creano un'onda termica che propagandosi nella testata comprime e riscalda il deuterio e il trizio generando la fusione nucleare.
Altre forme di confinamento inerziale sono state tentate per i reattori a fusione, incluso l'uso di grandi laser focalizzati su una piccola quantità di combustibile, o usando gli ioni del combustibile stesso accelerati verso una regione centrale, come nel fusore di Farnsworth-Hirsch.
Confinamento magnetico
Un plasma è costituito da particelle cariche che possono quindi essere confinate da una appropriato campo magnetico. Molti campi magnetici possono essere impiegati per isolare un plasma in fusione, tuttavia il plasma interagisce con il campo magnetico influenzando l'efficienza del confinamento e riscaldando il sistema. Due sono le geometrie che ci sono rivelate interessanti per confinare plasmi per fusione: lo specchio magnetico ed il toro magnetico. Ognuno di questi sistemi di confinamento ha tuttavia diverse varianti che differiscono tra loro nell'enfatizzare l'efficienza del confinamento o nel semplificare i requisiti tecnici necessari per la realizzazione del campo magnetico. Storicamente, il tokamak, un confinamento di tipo toroidale, è risultato essere una soluzione relativamente più facile di altre per un'implementazione da laboratorio.
