uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni 2

uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni

2^ parte riassunto della puntata precedente, radioattività Energia nucleare di fusione alcune fonti energetiche alternative

Struttura dell’atomo

modello atomico Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr intuì per primo che le leggi dell’elettromagnetismo non fossero valide per gli atomi e le molecole e inventò un modello atomico, secondo il quale gli elettroni possono solo occupare certe orbite e non altre; ad ogni orbita permessa, si deve associare una ben determinata energia potenziale. Bohr, pur introducendo una quantizzazione dell’energia, studiava la situazione dell'elettrone utilizzando ancora le leggi della fisica classica

Le orbite più vicine al nucleo sono quelle a cui compete l’energia minore ed anche quelle normalmente occupate dagli elettroni. Di solito gli elettroni più interni dell’atomo occupano le loro orbite in modo stabile, mentre l’elettrone più lontano, elettrone ottico, che più facilmente interagisce e scambia energia con l’esterno, può spostarsi dall’orbita normalmente occupata ad altre orbite più energetiche. Però un elettrone può accedere ad una orbita più esterna solo se riceve quella quantità di energia pari alla differenza tra l’energia della sua orbita e quella in cui deve andare. Dopo un certo tempo non potendo rimanere eccitato, l’elettone ritorna nell’orbita iniziale cedendo la differenza di energia sotto forma di radiazione.

. Il comportamento degli elettroni viene descritto dalle leggi della meccanica quantistica, infatti per essi non è possibile poter misurare contemporaneamente le posizioni, le velocità, le accelerazioni, ecc, . Le conseguenze del principio di indeterminazione, dato che il valore di h costante di Plank, è molto piccolo (6. 6* 10 -34 Js), sono del tutto trascurabili per oggetti di dimensioni normali; sono tuttavia molto importanti quando abbiamo da eseguire misurazioni che riguardano corpi molto ‘piccoli’ come gli elettroni.

• In questa situazione, il concetto stesso di «orbita elettronica» perde qualsiasi significato, e nel modello atomico attualmente accettato le orbite sono scomparse, sostituite da zone più o meno estese che vengono chiamate orbitali, nelle quali l’elettrone ha maggior probabilità di essere che in altre. • Si puó dire che gli orbitali hanno varie forme e si protendono lontano dal nucleo in modo diverso, in relazione ai numeri quantici che ne caratterizzano la funzione d'onda. Ogni funzione d'onda, o orbitale, descrive uno stato dell'atomo. Le diverse funzioni d'onda di un atomo si denotano indicando i valori dei tre numeri quantici: n, l, m; a ogni terzetto di numeri quantici corrisponde un orbitale ben preciso.

Nucleo dell’atomo Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa dell’atomo. Esso è costituito infatti da protoni e neutroni, che sono circa 2000 volte più pesanti degli elettroni che vi ruotano intorno. Per indicare un nucleo atomico si usa in genere la notazione A KZ dove K rappresenta l’elemento chimico, Z il numero atomico, dato dalla somma del numero di protoni A il numero di massa, dato dalla somma di Z e del numero dei neutroni. L’espressione 235 U, ad esempio, rappresenta l’isotopo dell’uranio di numero di massa 235 ISOTOPI Atomi con stesso Z ma diverso numero di neutroni

Il nucleo formato da protoni e neutroni Particella massa(kg) carica(C) p+ 1, 672623. 10 -27 +1, 6021177. 10 -19 n 0 1, 674928. 10 -27 0 e- 0. 000911. 10 -27 -1, 6021177. 10 -19 Dimensioni nucleo : 10 -15 m (fm) Dimensioni atomo : 10 -10 m (Ǻ)

Interazione forte • Cosa tiene assieme i componenti del nucleo? • I protoni tutti carichi positivamente, dovrebbero respingersi, con una forza enorme, dunque deve esistere una forza molto più intensa di quella elettromagnetica, è l’ interazione forte. • Per scoprirne le sue caratteristiche facciamo una prima osservazione

• La massa dei vari nuclei, sperimentalmente risulta sempre leggermente inferiore alla somma delle masse dei protoni e dei neutroni che lo compongono. • Tale difetto di massa trova la sua spiegazione nella teoria della relatività. • Se noi volessimo scomporre un nucleo nei suoi componenti, dovremmo compiere un lavoro per vincere le forze che li tengono uniti, ossia fornire energia al sistema, tale è l’energia di legame. • Per la legge di conservazione di massa-energia (E=mc 2) possiamo dire che il difetto di massa di un nucleo è pari in valore assoluto alla massa della sua energia di legame • Come l’interazione fra particelle cariche avviene per scambio di fotoni virtuali, l’interazione fra nucleoni avviene mediante lo scambio di gluoni , elettricamente neutri, dotati di carica di colore.

Difetto di massa ed energia di legame nucleare il difetto di massa m rappresenta la frazione di materia convertita in energia e che si libera quando protoni e neutroni formano un nucleo Normalmente l’energia delle particelle viene misurata in elettronvolt (e. V) 1 e. V = 1, 60. 10 -19 C x 1 V = 1, 60. 1 0 -19 J

Energia di legame per nucleone definisce stabilità del nucleo

• Se analizziamo l’andamento dell’energia di legame per singolo nucleone in funzione della massa dei vari nuclei, scopriamo che essa cresce rapidamente dai nuclei leggeri fino a quelli con massa prossima a 60 in cui raggiunge il valore massimo e poi diminuisce lentamente andando verso i nuclei pesanti. • Ciò si può giustificare ammettendo che il raggio d’azione dell’interazione forte sia estremamente breve, ossia inferiore alle dimensioni di un nucleo di massa media. • Ciò spiega anche come al crescere del numero di massa A i nuclei diventino via, via più instabili e come in natura non possano esistere nuclei il cui peso superi un certo valore

• Il grafico presenta un massimo in corrispondenza al valore di A corrispondente al nucleo del ferro Questo significa che il nucleo del ferro è più strettamente legato di qualunque altro nucleo. La curva è crescente per i nuclei con A minore di 60 e decrescente per quelli con A maggiore dello stesso valore. • Le reazioni che possono avvenire con vantaggio energetico, quindi, sono quelle di fusione tra nuclei leggeri che diano come risultato un nucleo non più pesante del ferro, e quelle di fissione di nuclei molto pesanti: è in queste reazioni che viene liberata energia, in quantità pari alla differenza di energia di legame tra i prodotti e i reagenti. • Dunque, risulta evidente che due sono i processi nucleari che si possono sfruttare per produrre energia: la fissione di nuclei pesanti e la fusione di nuclei leggeri.

Fissione nucleare

Il funzionamento di una centrale a fissione nucleare, in linea di principio, è molto simile a quello di una centrale termoelettrica convenzionale, soltanto che l’acqua viene riscaldata al punto di azionare una turbina da un reattore nucleare, invece che da nafta o metano Nei reattori nucleari a fissione vengono indotte, sostenute e controllate reazioni a catena di fissione dell’uranio 235. Un nucleo di questo isotopo, bombardato da un neutrone, si spezza in due frammenti, generando grandi quantità di energia (dovuta al difetto di massa) e altri neutroni che a catena provocheranno altre reazioni di fissione. Per ottenere materiale fissile che sia adatto allo scopo(che emetta neutroni) è necessario però arricchire l’uranio, aumentando la concentrazione dell’isotopo uranio 235, rispetto al meno radioattivo 238. Perchè una reazione nucleare a catena possa svolgersi in maniera continua nel tempo deve essere presente una certa massa di materiale fissile: la massa critica , l'elemento moderatore può essere la grafite o l’acqua pesante.

L’energia di fissione nucleare L’energia nucleare si sprigiona per trasformazione dei nuclei di uranio (isotopo 235) bombardati da neutroni L’uranio viene scisso in nuclei di atomi radioattivi e neutroni secondari: 235 U + n → 148 La + 85 Br + 3 n + E Lattanzio e berillio L’energia liberata è all’incirca 3*10 -11 J per nucleo di uranio 235.

vantaggi • L’analisi dell’equazione di fissione dell’uranio 235 consente di evidenziare subito il principale vantaggio del nucleare: l’enorme quantità di energia che ogni singola fissione produce. La quantità di energia che si può ricavare da un nucleo atomico, infatti, è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene da qualunque reazione chimica , cioè dalle trasformazioni che coinvolgono solo la parte più esterna dell’atomo. Nella combustione del petrolio, ad esempio, 1 kg di combustibile produce una quantità di calore che corrisponde a circa 1, 6 kilowattora; in una tipica reazione nucleare di fissione, invece, la stessa quantità di uranio 235 sviluppa calore equivalente a 18, 7 milioni di kilowattora. • Tenuto conto anche delle fasi di estrazione e di processamento, inoltre, il costo di produzione dell’energia nucleare è in assoluto il più basso di tutte le fonti di energia, rinnovabili e non rinnovabili. • Rispetto ai combustibili fossili, la produzione di energia nucleare non comporta l’emissione di gas nocivi quali anidride carbonica, ossidi di zolfo e di azoto, principali responsabili di fenomeni ambientali quali le piogge acide e l’effetto serra. • Infine, l’alto rendimento del combustibile nucleare rispetto a quello fossile comporta anche vantaggiosi risparmi di spazio in fase di trasporto e in termini di dimensioni degli impianti

svantaggi • Gli svantaggi dello sfruttamento dell’energia nucleare derivano dall’elevato livello di radioattività che accompagna tutte le fasi del processo produttivo, dalla reazione di fissione vera e propria fino allo smaltimento dei rifiuti. Tutta questa radioattività impone una serie di rigorosissime misure di controllo e protezione nelle diverse fasi di produzione e va ad accrescer notevolmente i costi per la costruzione e la gestione degli impianti • Irrisolto è il problema dello smaltimento delle scorie • Inoltre, per quanto molto piccolo, e per quanto i sistemi di sicurezza e controllo siano sempre più affidabili, rimane sempre il rischio di gravi incidenti come quello di Černobyl • Altro grave problema è la proliferazione controllata e non controllata della armi nucleari e i pericoli connessi al terrorismo.

Rubbiatron L' Enea sta sperimentando già da qualche tempo una nuova tecnologia messa a punto dal premio Nobel Carlo Rubbia che consentirebbe di “bruciare” le scorie radioattivee in particolare quegli elementi che hanno vita troppo lunga per garantire la sicurezza ambientale futura”. L’ attività sperimentale di Rubbia si basa sull’utilizzo del sistema ADS, ovvero sull’accoppiamento tra un acceleratore di particelle ad altissima intensità e un dispositivo sottocritico nucleare”. “L’ADS è il frutto della reciproca fecondazione di tecnologie indipendenti: gli acceleratori di particelle come quelli usati per la ricerca, i reattori – operati in regime sottocritico - refrigerati a piombo fuso, come quelli usati nei sottomarini russi, e il trattamento dei combustibili usati”. Il motore nucleare ideato da Carlo Rubbia è una delle numerose applicazioni pratiche di un esperimento, il TARC, nato con finalità di ricerca pura. L'esperimento TARC è stato avviato da Carlo Rubbia nel 1996 al Ps, il Sincrotrone a protoni del Cern di Ginevra. Scopo dell'esperimento era studiare il comportamento di alcuni particolari atomi nelle reazioni di fissioni nucleare. Da questo esperimento lo scienziato italiano è riuscito a ricavare numerose applicazioni pratiche, ora in fase di sviluppo.

"L'idea, dunque, è stata quella di provocare una trasformazione delle scorie radioattive, una trasmutazione, bombardandole con neutroni che si ottengono sparando protoni nel piombo fuso. Così, uranio e plutonio diventano sostanze diverse che non emettono più radiazioni o devono essere contenuti per un periodo ben più breve, non oltre 5 -600 anni: vale a dire un tempo nel quale ragionevolmente si può pensare di gestire un controllo. Al Cern abbiamo già condotto esperimenti per verificare la nuova idea e il sistema funziona. Per sparare i protoni utilizzo un acceleratore di particelle come quelli che normalmente utilizziamo nello studio della materia. La difficoltà tecnica forse maggiore è l'impiego del piombo fuso, ma ci possono dare una mano i russi; loro hanno sviluppato questa tecnologia per scopi militari, e ho già contatti con gli scienziati di Mosca che sono interessati al progetto". Ma oltre a distruggere le scorie radioattive, la macchina di Rubbia nasce con l'obiettivo di generare energia, con un vantaggio sui generatori nucleari finora “Se nel piombo fuso immergo del torio invece delle scorie, i neutroni che lo colpiscono provocano una fissione nucleare, cioè una reazione nella quale ottengo calore utilizzabile per generare energia elettrica. Perché è più sicuro degli altri? Primo: utilizzo come elemento combustibile il torio, che si trova normalmente nella crosta terrestre, ma è tre volte più abbondante dell'uranio e, soprattutto, elimino quasi completamente le scorie radioattive, e in particolare il terribile plutonio. Secondo: a tenere acceso il reattore ci pensa l’iniettore di protoni. Se c’è un problema, lo spengo come giro l’interruttore della luce e la reazione si blocca istantaneamente. Nulla può sfuggire di mano e portare all’incubo della fusione del nocciolo, come accadde a Chernobyl. "

r u b b i a t r o n

radioattività

radioattività • Si definisce radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazionizzanti. • Nell’ambiente esiste un fondo di radioattività naturale generato dai raggi cosmici e dagli elementi radioattivi naturali presenti nelle rocce e nella biosfera. Il contributo più importante, pari a circa il 52%, a questo fondo di radioattività dell’ambiente si deve all’uranio 238 e ai suoi discendenti della serie radioattiva di cui è capostipite, in particolare il radon, . Un altro 15% ai raggi cosmici, che, benché schermati dagli strati alti dell’atmosfera, penetrano in minima percentuale fino alla biosfera. Un chilogrammo di granito ha una radioattività naturale di circa 1000 Becquerel Un litro di latte ha una radioattività naturale di circa 80 Becquerel Un litro di acqua di mare ha una radioattività naturale di circa 10 Becquerel Un individuo di 70 kg ha una radioattività dell'ordine di 8000 Becquerel, causata dalla presenza, nel corpo umano, di isotopi radioattivi naturali (in gran parte, potassio-40)

• Nel 1896 l'esistenza della radioattività è stata scoperta con i lavori dello scienziato francese Henry Becquerel e quella dei coniugi Curie. • Becquerel osservò accidentalmente che i sali di uranio emettevano radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica, nonostante questa fosse protetta da uno schermo opaco ai raggi luminosi. • I coniugi Curie riuscirono ad isolare il torio, il polonio e il radio, con analoghe proprietà • L’ unità di misura della quantità di radioattività viene espressa con il numero di disintegrazioni nell'unità di tempo di nuclei radioattivi. L'unità di misura é il becquerel, con simbolo Bq. • 1 becquerel = 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo. Poiché questa unità di misura é assai piccola, la radioattività si esprime molto spesso in multipli di becquerel

Radiazioni emesse dalle sostanze radioattive • decadimento alfa : l'atomo perde una particella α (cioè un atomo di elio privo dei suoi elettroni ovvero due protoni e due neutroni). Esempi: l'uranio 238 (92 protoni + 146 neutroni) si trasforma in torio-234 (90 protoni + 144 neutroni), con un tempo di dimezzamento di 4, 5 miliardi di anni Il radio (Ra 226 con tempo di dimezzamento di 1600 anni) è instabile e si trasforma in Radon (Rn 222). . Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta, ma sono fortemente ionizzanti. • decadimento beta : può essere di due tipi - un neutrone del nucleo si disintegra in un protone, un antineutrino (elettricamente neutro) e in un elettrone, che viene emesso. -un protone si trasforma in un neutrone con emissione di un positrone, (analogo all’elettrone ma con carica positiva) e di un neutrino Tali disintegrazione porteranno alla formazione di un isotopo di altro elemento chimico, avente numero atomico aumentato ( o diminuito)di una unità Esempio: il cobalto-60 (27 protoni + 33 neutroni) si trasforma in nichel-60 (28 protoni + 32 neutroni), con un tempo di dimezzamento di 5, 3 anni.

Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di alluminio) e sono mediamente ionizzanti. Si deve osservare che in entrambi i tipi di decadimento l’elettrone( negativo o positivo) che si origina non è preesistente nel nucleo. Il decadimento beta indica che in natura esiste un interazione diversa dalle altre osservate capace di trasformare protoni in neutroni e viceversa, creando elettroni o positroni e questa forza scoperta da Fermi nel 1934 è l’interazione debole. Nel 1967 Weinberg e Salam hanno formulato una teoria nota come teoria elettrodebole, in base alla quale la forza elettromagnetica e la nucleare debole sarebbero due manifestazioni della stessa forza

• decadimento gamma : é una onda elettromagnetica come la luce o i raggi X, ma assai più energetica (tra 0. 01 e 1 Me. V), ad altissima frequenza. La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo (pensiamo al modello a strati del nucleo) é ancora eccitato perché i suoi protoni e neutroni non hanno ancora raggiunto la nuova situazione di equilibrio: di conseguenza, il nucleo si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l'emissione di una radiazione gamma. Esempio di impiego tecnico frequente: quando il cobalto-60 si trasforma per disintegrazione beta in nichel-60, raggiunge il suo stato di equilibrio con emanazione di due successive radiazioni gamma. Al contrario delle radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono rilevanti spessori di materiali ad elevata densità come il piombo. Caratteristico di ciascuna specie di nucleo radioattivo è il tempo di dimezzamento ovvero il tempo costante nel quale si riduce a metà il numero dei nuclei che decadono

Spettro elettromagnetico

applicazioni • In fisica si utilizza la radioattività comunemente per la ricerca nel campo delle particelle elementari. • Nell’industria, per il controllo di qualità attraverso le tecniche radiografiche e tecniche di analisi in traccia: le impurità (tracce) della sostanza in esame, non rivelabili con altri mezzi, vengono individuate analizzando i radioisotopi prodotti nel processo. • In campo scientifico sono impiegate per svariati usi: per la datazione di reperti archeologici, di siti geologici o organismi. Sulla base di sostanza radioattiva attualmente presente nei reperti geologici, archeologici o di origine biologica, del quantitativo di sostanza figlia nella quale si è trasformata la sostanza radioattiva padre e sul tempo suo di semitrasformazione si può risalire all’epoca in cui i reperti si sono formati o erano viventi Ad es. per la valutazione dell’età dei reperti biologici si sfrutta la presenza nell’atmosfera di una piccola percentuale di carbonio radioattivo. Con la morte l’organismo smette di assimilarlo e permane solo il processo di decadimento radioattivo

• Ma certamente uno dei campi di applicazione più importanti è quello medico: le radiazioni prodotte da sorgenti artificiali opportune vengono ampiamente utilizzate in diagnostica e nella radioterapia. • Una applicazione molto interessante è quella dell’uso come traccianti o marcatori per lo studio di processi biochimici. Per capire il funzionamento si deve tener presente che dal punto di vista chimico, gli isotopi di un elemento contenenti nuclei radioattivi si comportano esattamente come i corrispondenti isotopi stabili: le proprietà chimiche dipendono infatti solo dal comportamento della nuvola di elettroni che circonda il nucleo. Pertanto si possono preparare composti chimici marcati, cioè contenenti isotopi radioattivi i cui nuclei continueranno ad emettere radiazioni rilevabili mediante contatori. In questo modo si potrà rilevare eventuali blocchi nel sistema circolatorio, verificare se un dato organo assorbe libera o filtra determinate sostanze in modo adeguato

• • Si ricorre alle radiazioni anche per sterilizzare sostanze che non possono essere trattate coi mezzi tradizionali L’applicazione più recente, ancora in fase di sperimentazione, vede la radioattività fornire energia a lungo termine all’interno di microscopiche batterie. Il modello oggi più attendibile, messo a punto presso i laboratori della Cornell University, funzionerebbe con il nichel 63 che, decadendo, produrrebbero il movimento di una parte mobile del congegno; tale movimento potrebbe essere sfruttato direttamente per il funzionamento di determinati dispositivi o, in alternativa, potrebbe fornire energia da immagazzinare in forma magnetica. Le applicazioni più interessanti del dispositivo riguarderebbero la microelettronica e i dispositivi medici impiantabili.

Fusione nucleare

Processo nucleare che si ottiene quando, vincendo le forze di repulsione elettrica fra cariche dello stesso segno, due nuclei di elementi leggeri si fondono a formare il nucleo di un elemento più pesante. La fusione nucleare è la reazione che avviene nel nucleo delle stelle, e quindi anche del sole, producendo enormi quantità di luce ed energia. La reazione di fusione nucleare è normalmente ostacolata dalla forza di repulsione o coulombiana. Se la reazione riesce a realizzarsi è perché, a distanze estremamente ravvicinate, su di essa predomina la forza di attrazione nucleare (interazione nucleare forte o forza forte). Questa forza provoca la fusione dei nuclei e il conseguente rilascio di una quantità di energia pari alla differenza fra i valori delle masse prima e dopo la reazione.

• Su scala nucleare, infatti, vale l’equivalenza di massa ed energia (E = mc²), ed è il difetto di massa ciò su cui si fonda la possibilità di sfruttare il processo per la produzione di energia. Tale energia solitamente è dell’ordine di alcuni Me. V (milioni di elettronvolt). • Per avvicinare i nuclei a tal punto da vincere la forza repulsiva coulombiana ed entrare nel range della forza di interazione forte, è però necessario spendere dell’energia dall’esterno. Solo se il bilancio fra l’energia ottenuta nella reazione e quella spesa per vincere la forza di repulsione tra i nuclei è positivo il metodo risulta conveniente. Una reazione tipica di fusione è quella in cui un nucleo di deuterio e uno di trizio si fondono per formare un nucleo di elio, rilasciando di energia

fusione nucleare La fusione consiste nell’urto tra due nuclei dotati di elevata energia che da’ luogo a un riordinamento reciproco dei neutroni e protoni in modo da formare due o più prodotti di reazione con sviluppo di energia. Esempio: 2 H + 3 H → 4 He 2+ n + 17. 6 Me. V

Apparentemente l’energia liberata in queste reazioni è inferiore a quella associata alla fissione dell’uranio (~230 Me. V), però se calcoliamo che in un kg di deuterio ci sono 1 kg ----------- = 3* 1026 nuclei 1. 67*10 -27 *2 kg Si comprende che la fissione di un kg di deuterio con il necessario numero di nuclei di trizio fornisce una energia pari a 5*10 27 Me. V= 8*1014 J Dunque la reazione di fusione è più esoenergetica di quelle di fissione, ma molto più difficile da realizzare. Per avere un’idea degli ordini di grandezza, pensiamo che l’energia repulsiva di due protoni distanti 10 -15 m raggiunge il valore Nm 2 (1. 6*10 -19 C)2 E = 9* 109 ------- ----------- = 2. 3 10 -13 J C 2 10 -15 m

Il valore è enorme, riferito al sistema in esame, se si considera che - L’energia cinetica media di un gas è proporzionale alla temperatura assoluta e la costante di proporzionalità è costante per tutti i gas. Ē = 3/2 k. T dove k è la costante di Boltzmann ed è k = 1. 38 * 10 -23 J/K - una energia di 2. 3 10 -13 J corrisponde pertanto 1010 K che è la temperatura dei nuclei delle stelle!

Breve storia • La prima fusione nucleare artificiale fu realizzata all’inizio degli anni Trenta, mediante il bombardamento di un bersaglio di deuterio, con nuclei di trizio ad alta energia accelerati da un ciclotrone; il bilancio energetico della reazione fu negativo, poiché doveva essere impiegata molta energia per accelerare i nuclei. • Un considerevole rilascio netto di energia per fusione fu ottenuto per la prima volta negli anni Cinquanta, nell’ambito delle sperimentazioni sulle armi nucleari da parte di Stati Uniti, Gran Bretagna, Unione Sovietica e Francia. In questo caso il bilancio energetico fu positivo, ma il rilascio fu breve e incontrollato, e pertanto non utilizzabile per la produzione di energia elettrica. • Nel 1958 a Ginevra, vi fu la Conferenza Atomi per la Pace. Si capì che era necessario studiare più a fondo i plasmi e si dette il via a studi di base che occuparono gli anni successivi; • nel 1968 il tokamak sovietico riuscì a mostrare una possibile strada del confinamento magnetico ed avviò il mondo su macchine dello stesso tipo;

• negli anni '70 la fusione entrò nella big science per la mole dei finanziamenti che richiedeva. Si capì che per andare avanti occorrevano piani di collaborazione internazionale • nel 1978 quella che allora si chiamava Comunità Europea mise in piedi uno dei progetti di studio di fusione più ambiziosi, il JET (Joint European Torus ovvero Toro europeo insieme) che si iniziò a costruire a Abingdon in Gran Bretagna. Nel giugno 1983 il JET produsse i primi plasmi e dette mostra di funzionare fino agli esperimenti del 1991 che con successo fusero deuterio e trizio; • nel 1978 il PLT (Princeton Large Torus) statunitense ha prodotto plasmi ad oltre 60 milioni di gradi. • Verso la metà degli anni '80 iniziarono gli esperimenti con il TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor ovvero: reattore per provare la fusione di tipo tokamak) particolarmente con mescole di deuterio e trizio (1993). • dal 1988 in Giappone si sono fatti esperimenti avanzati con il JT-60, tokamak di grandi dimensioni. • dal 1989 in Italia è entrato in funzione il tokamak FTU (Frascati Tokamak Upgrade) nei Laboratori Nazionali di Frascati.

plasma • • Un plasma è un gas ionizzato, costituito da una collezione di elettroni e ioni, ma che globalmente è neutro. Essendo però costituito di particelle cariche, i moti complessivi delle particelle del plasma sono in gran parte dovuti alle forze a lungo raggio che si vengono continuamente a creare, e che tendono a mantenere il plasma neutro; questo fatto stabilisce una differenza importante rispetto ai gas ordinari, In quanto tale, il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dal solido, liquido e il gas. “ Ionizzato" in questo caso significa che una frazione significativamente grande di elettroni è stata strappata dagli atomi. Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici. Questo quarto stato della materia fu identificato da Sir W. Crookes nel 1879 , le sue ricerche portarono alla realizzazione dei cosiddetti tubi di Crookes, che sono gli antenati dei tubi catodici e delle lampade al neon Mentre sulla terra la presenza del plasma è relativamente rara (fanno eccezione i fulmini, le aurore boreali), nell'universo costituisce più del 99% della materia conosciuta: di plasma sono fatti il Sole, stelle e nebulose. . Inoltre, si ha una formazione di plasma sullo scudo termico dei veicoli spaziali al rientro nell‘atmosfere.

Aurora boreale Sono luci colorate che compaiono alle alte latitudini settentrionali e meridionali tra 90 e 160 chilometri di altezza, I colori aurorali, vengono determinati dalla natura degli atomi investiti dagli elettroni magnetosferici e dall'energia delle collisioni: il cielo notturno è dipinto di rosso o verde dall'ossigeno e dall'idrogeno, di viola e rosa dall'azoto. Una aurora tipica dura circa 3 ore e copre una superficie di un milione di metri quadrati di territorio, scaricando in un'ora approssimativamente 100 milioni di kilowatt (k. W) di energia elettrica nell'ambiente terrestre. Un quantitativo di energia sufficiente ad alimentare una città come Udine per poco meno di un mese e l'equivalente dell'energia prodotta in 6 giorni da una grande centrale nucleare

Metodologie di realizzazione del confinamento Perché la forza nucleare forte, che ha un corto raggio d’azione, entri in gioco, bisogna “schiacciare” i nuclei uno contro l’altro, con energia sufficiente a superare la “barriera di Coulomb”, cioè la repulsione elettrostatica tra i protoni, con carica elettrica positiva. Diversi sono gli schemi possibili: Confinamento gravitazionale. E' il meccanismo utilizzato nelle stelle, non è ovviamente utilizzabile nei reattori terrestri Confinamento inerziale. Si comprime una “pasticca” di Deuterio e/o Trizio mediante un “bombardamento” concentrico di raggi laser ad alta potenza o fasci di particelle di grande energia. Si tratta di provocare “piccole esplosioni termonucleari”: si devono raggiungere densità molto elevate (dell'ordine di 1025 part. /cm 3 per tempi estremamente brevi (100 picosecondi). Dimensioni del plasma ≈ 10 -6 cm 3

la tecnica oggi considerata più promettente è però quella a • Confinamento magnetico. Si riscalda la “miscela” nucleare, il plasma di Idrogeno / Deuterio / Trizio, confinandolo tramite un forte campo magnetico per impedirne sia la dispersione sia il contatto con una qualunque parete solida che non resisterebbe a simili temperature. Ciò si ottiene a mezzo di un complesso sistema di bobine che circondano il tokamak e di correnti longitudinali indotte nel plasma, . Il combustibile viene mantenuto ad alta temperatura mediante un sistema a radiofrequenza Fusione Magnetica densità ≈ 1014 part/cm 3 tempo ≈ 1 sec Dimensioni del plasma ≈ 1000 m 3 Questa è la tecnica che si sperimenta con ITER l’International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), che coinvolge l’Unione Europea, il Giappone, la Federazione degli Stati Russi e gli Stati Uniti. Dopo lunghe polemiche sulla sede di realizzazione del reattore, è stata infine designata la località di Cadarache, nel Sud della Francia. Questo tokamak sarà realizzato in materiali superconduttori e garantirà la produzione di un plasma stabile, capace di sostenere la fusione per migliaia di secondi e dovrebbe essere operativa entro il 2016.

tokamak Questo è lo schema di un reattore nucleare a fusione di tipo tokamak. Il plasma di deuterio e trizio è mantenuto lontano dalle pareti del contenitore da intensi campi elettromagnetici. Una frazione dei neutroni prodotti dalla fusione del deuterio e del trizio, serve a produrre altro trizio mediante una reazione che avviene nello strato di litio intorno al plasma. L'elio che è un'altro prodotto della fusione, è raccolto fuori dal reattore. Il calore che si sprigiona a causa delle reazioni di fusione viene portato via dall'acqua come in un reattore a fissione.

Metodi statici Per “metodo statico” si intende un processo di avvicinamento fra i nuclei provocato da un terzo elemento, che non partecipa alla reazione e funge da catalizzatore. Il catalizzatore, solitamente di carica negativa, ha la funzione di modificare la configurazione del campo elettrico nella regione compresa fra i nuclei, in modo che questi non si respingano più. Il metodo viene realizzato con le due tecniche distinte della fusione muonica e della fusione fredda. Fusione muonica • Già oggetto di studio da diversi anni, la fusione muonica utilizza i muoni quali catalizzatori. Particella della stessa famiglia dell’elettrone, ma circa 200 volte più pesante, un muone, sostituito a un elettrone, forma con gli isotopi dell’idrogeno, molecole in cui i nuclei sono tenuti molto ravvicinati. Il processo di fusione avviene quindi facilmente, anche a temperature e densità ordinarie. • Le problematiche relative a questo metodo sono dunque essenzialmente relative al bilancio di energia; questo deve tener conto del dispendio energetico richiesto per produrre i muoni e lanciarli (mediante un acceleratore di particelle) su un bersaglio gassoso di deuterio e trizio, del numero di molecole “modificate” (molecole muoniche, come si definiscono, DµT), che un singolo muone riesce a formare prima di venire assorbito dall’elio, e dell’energia totale ricavata, ottenuta dal prodotto dell’energia rilasciata in ogni singola fusione per il numero di fusioni provocate da ciascun muone. • Fino agli anni Sessanta, la resa del processo era di circa un millesimo; oggi si aggira intorno a 0, 5 e gli sforzi degli scienziati hanno per obiettivo di portarla all’unità. A questo scopo sono in corso numerose ricerche negli Stati Uniti, in Russia, in Canada, in Giappone, in Svizzera, in Gran Bretagna, al CERN di Ginevra e in Italia, presso l’Università di Bologna e all’INFN.

Fusione fredda. Questo metodo sfrutta la proprietà di determinati metalli (in particolare palladio e titanio) di accettare negli interstizi della loro struttura molecolare i nuclei di deuterio e trizio, favorendone così la fusione. Il metodo viene appunto classificato come “freddo” in quanto non ricorre all’impiego di grosse quantità di energia, come quelle richieste nel riscaldamento ad altissime temperature degli elementi reagenti o nell’accelerazione dei fasci di particelle. • Pur se situati nella struttura molecolare del metallo, la distanza fra i nuclei degli isotopi dell’idrogeno non è sufficiente a scatenare la fusione: non è dunque chiaro quale sia il meccanismo chimico-fisico microscopico che ingenera il processo. Esistono alcune ipotesi: che si tratti di particolari condizioni di non equilibrio che si creano durante il caricamento del metallo, o della complessa struttura di interazioni subnucleari che si stabiliscono all’interno del reticolo metallico così modificato. • • Nel 1989 i chimici Martin Fleishmann e Stanley Pons, dell’Università dello Utah, annunciarono, contemporaneamente al fisico statunitense S. E. Jones, di avere ottenuto il rilascio di una considerevole quantità di calore durante l’elettrolisi del palladio caricato con deuterio. Numerosi laboratori hanno successivamente tentato di ripetere l’esperimento, ottenendo per la maggior parte insuccessi. Quasi tutti i gruppi sperimentali che si sono cimentati con la fusione fredda hanno dovuto ripetere l’esperimento in diverse celle elettrolitiche, più volte, prima di ottenere la produzione di calore: è evidente che agli scienziati sfugge qualche informazione a riguardo della vera natura del fenomeno. La mancanza di riproducibilità dell’esperimento è stata e rimane dunque il fattore che maggiormente motiva lo scetticismo della comunità scientifica nei riguardi della correttezza dei risultati riportati da Fleishmann e Pons In mancanza di un solido fondamento teorico e di risultati apprezzabili non è possibile dire se questa linea di ricerca potrà portare alla produzione di energia.

Considerazioni sulla fusione nucleare • E’ un metodo non pericoloso e non inquinante per produrre energia elettrica, avviene con reazioni che in caso di disfunzioni nel reattore sono difficilmente sostenibili in ambiente aperto: il rischio del loro propagarsi senza controllo è veramente limitato. • Ci potrebbe essere complessivamente un aumento di temperatura nell’ambiente • Il materiale ’fusibile’ più conveniente è il deuterio, che nell’acqua è presente in misura non trascurabile. Con moderne tecniche è possibile arricchire il contenuto in deuterio, fino ad isolare la cosiddetta acqua pesante, in cui buona parte dell’idrogeno è sotto forma di deuterio. L’acqua del mare potrebbe essere pertanto una fonte ineusauribile di ‘combustibile’. • Il particolare tipo di ‘combustibile’ non è monopolizzabile da nessun paese e da nessun centro di potere o di commerci. • La realizzazione di impianti a fusione nucleare è però ancora allo stato potenziale e pone problemi per la costruzione di contenitori che devono resistere a temperature di milioni di gradi

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