La fusione è una reazione tra due nuclei leggeri che unendosi (reazione di fusione) producono una grande quantità di energia. Tra le numerose reazioni di fusione possibili (è il caso di ricordare che sono le reazioni di fusione a tenere accese le stelle), quella che oggi è più alla portata è quella tra il deuterio e il trizio.
D + T → 4He + n (Q=17.6 MeV)
Il deuterio è presente in natura nella misura di 0.0115 nuclei di deuterio su 100 di idrogeno, corrispondenti a 255 mg di deuterio per litro d’acqua. La disponibilità di deuterio sulla terra è quindi praticamente illimitata.
Il trizio, invece, non si trova in natura poiché è un isotopo radioattivo dell’idrogeno che decade con decadimento β- in 3He con un tempo di dimezzamento di circa 12 anni. Occorre, quindi, produrlo all’interno dello stesso reattore a fusione. A tal fine si sfruttano le reazioni triziogene, a partire dai neutroni prodotti nella stessa reazione D+T, e dal litio (presente in natura con due isotopi stabili, 6Li per il 7.59 % e 7Li per il 92.41 %):
n + 6Li → T + 4He (Q=4.8 MeV)
n +7Li → T + 4He + n (Q=-2.47 MeV))
In questo modo, per ogni nucleo di trizio consumato, viene generato un neutrone e da questo, tramite una reazione con il litio, un nucleo di trizio il quale viene recuperato e inviato nella camera di reazione insieme al deuterio. Ciò avviene in uno speciale componente, il mantello triziogeno, posto a circondare la camera di reazione. Il Breeding ratio T/n, definito come il rapporto tra nuclei di trizio prodotti nel mantelllo e neutroni emessi dal plasma (pari ai nuclei di trizio consumati), deve essere superiore all’unità per assicurare l’autosufficienza del reattore (il valore generalmente richiesto è T/n ~ 1.15).
I combustibili sono dunque il deuterio e il litio, il prodotto finale è elio senza produzione di gas serra. Con il deuterio contenuto in 1 litro di acqua (255 mg) e 765 mg di 6Li (10 g di litio naturale) si ottengono 5970?η kWh tramite la D+T, dove η è l’efficienza complessiva del reattore. Una centrale da 1000 MWth basata sul ciclo DT consuma 37 kg di deuterio e 55.6 kg di trizio (125 kg di litio) all’anno per produrre circa 3×108 kWh supponendo un’efficienza complessiva del 35%. L’energia sviluppata per ogni grammo di materia reagente è equivalente a circa 8 tonnellate di petrolio.
Si noti che le riserve stimate di deuterio ammontano a 4.6 x 1016 kg nell’acqua di mare, e quelle di litio a circa 1010 kg nelle rocce e circa 1014 kg nell’acqua di mare. Tali riserve sono, come già detto, geograficamente distribuite in modo uniforme sulla Terra. Le riserve di deuterio e litio, dal quale si produce il trizio che non si trova in natura, sono sufficienti per parecchie migliaia di anni con l’enorme vantaggio della sicurezza degli approvvigionamenti.
Come si può notare da quanto sopra la
resa energetica della reazione di fusione D-T è, quindi, molto elevata. Per paragone, l’energia liberata per ogni nucleone in una reazione di fusione è pari a circa 3.5 MeV da confrontare con circa 1 MeV nel caso della fissione e di circa 1 eV nel caso del carbone. Un grammo di miscela D-T equivale a circa 8 tonnellate di petrolio.
La reazione di fusione richiede il raggiungimento di altissime temperature, dell’ordine di 150 milioni di gradi per vincere le forze di repulsione.
Le vie per poter realizzare le condizioni di fusione sono essenzialmente due: il confinamento magnetico e quello inerziale.
Il confinamento magnetico consiste nel contenere un gas (D-T) ionizzato (plasma) in un contenitore realizzato da campi magnetici opportunamente configurati e quindi riscaldarlo alle temperature richieste. La configurazione del contenitore magnetico più efficiente è quella a ciambella, denominata tokamak. Per minimizzare le perdite la configurazione magnetica è a forma di ciambella (toro) e le linee di campo magnetico risultanti sono elicoidali, essendo la somma di una componente circonferenziale, detta toroidale, e di una che avvolge il toro, detta poloidale.
Il confinamento inerziale consiste nel colpire con fasci laser di notevole potenza dei piccoli bersagli contenenti una miscela D-T. L’ablazione dello strato esterno origina una fortissima compressione, dell’ordine di centinaia di miliardi di atmosfere, e il riscaldamento fino ai valori necessari della zona interna.
In fig. 2 è riportato lo schema diel reattore a fusione.
