Fusione nucleare
La fusione nucleare unisce nuclei leggeri formando nuclei più pesanti. Per elementi sufficientemente leggeri, i prodotti possono essere più fortemente legati per nucleone e la reazione libera energia. La difficoltà centrale consiste nell’avvicinare nuclei positivi abbastanza da far agire la forza nucleare a corto raggio.
La barriera di Coulomb
Due nuclei positivi si respingono elettricamente. Una temperatura maggiore aumenta le energie cinetiche tipiche degli ioni e il numero di incontri ravvicinati, ma non elimina la barriera. Il tunnelling quantistico è essenziale: i nuclei hanno una probabilità finita di raggiungere distanze di fusione anche quando la loro energia classica è inferiore al massimo della barriera elettrostatica.
Una reazione di riferimento: deuterio e trizio
Una reazione di laboratorio molto studiata è ²H + ³H → ⁴He + n. Libera circa 17,6 MeV: all’incirca 3,5 MeV vanno al nucleo di elio e 14,1 MeV al neutrone. Essendo neutro, il neutrone non è confinato magneticamente insieme al plasma carico.
Temperatura, densità e confinamento contano insieme
Un plasma da fusione deve contenere abbastanza ioni reagenti, con una distribuzione energetica adatta, per un tempo sufficientemente lungo affinché la produzione da fusione possa competere con le perdite di energia. Questa è la logica del criterio di Lawson e di grandezze correlate come il prodotto triplo. Una temperatura impressionante, da sola, non dimostra che il plasma produca energia netta.
Stelle e plasmi di laboratorio non sono lo stesso caso
Il Sole è confinato dalla gravità e trasforma principalmente idrogeno in elio tramite la catena protone-protone. La ricerca terrestre sulla fusione si concentra spesso su reazioni diverse e usa confinamento magnetico o compressione rapida. Le vie ingegneristiche sono differenti, ma la fisica di base è la stessa: devono avvenire abbastanza incontri nucleari ravvicinati prima che il plasma perda la sua energia utile.
Esempi svolti
1. Controllare il bilancio dei nucleoni
Per ²H + ³H → ⁴He + n, i numeri di massa danno 2 + 3 = 5 a sinistra e 4 + 1 = 5 a destra. Anche la carica è conservata: 1 + 1 = 2 + 0.
2. Perché la temperatura non basta?
La temperatura descrive la distribuzione energetica degli ioni, ma la resa di fusione dipende anche da densità e tempo di confinamento. Un plasma molto caldo ma estremamente rarefatto e di breve durata può comunque produrre poca fusione.
3. Usare un valore Q
Se una reazione ha un difetto di massa di 0,010 u e 1 u·c² ≈ 931,5 MeV, allora Q ≈ 0,010×931,5 = 9,32 MeV.