Concetti Chiave
- La fusione nucleare unisce due nuclei leggeri in uno più pesante, liberando energia grazie alla differenza di massa.
- Un esempio comune di fusione nucleare è la reazione tra deuterio e trizio, che genera elio, un neutrone e 17,6 MeV di energia.
- La fusione nucleare produce più energia rispetto alla fissione dell'uranio, offrendo 3,52 MeV per nucleone coinvolto.
- Perché avvenga la fusione, i nuclei devono superare la repulsione elettrica e avvicinarsi entro il raggio della forza nucleare forte, richiedendo alta energia cinetica.
- Temperatura di almeno 10⁷ K è necessaria per mantenere il plasma, permettendo la fusione nucleare su larga scala, come avviene naturalmente nelle stelle.
La fusione nucleare
La fusione nucleare consiste nell'unione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante. Anche questa reazione avviene con grande sviluppo di energia, come si comprende osservando l'andamento della curva di questa unità: quando due nuclei leggeri (alla sinistra del massimo della curva) si combinano, il nucleo risultante ha un'energia di legame per nucleone più grande di quella dei nuclei componenti. Di conseguenza la massa finale è minore della somma delle due originarie e la differenza di massa appare sotto forma di energia emessa nella reazione.
Un esempio di fusione nucleare è la reazione: 2H + 3H —+ 4He + n
in cui un nucleo di deuterio si fonde con uno di trizio formando un nucleo di elio e un neutrone, e liberando un'energia di 17,6 MeV.
La quantità di energia ottenibile nella fusione nucleare è ancora più grande di quella fornita dalla fissione dell'uranio. Per ognuno dei 5 nucleoni che partecipano alla reazione sopra descritta, l'energia liberata è pari a 17,6 MeV/5 3,52 MeV, un valore quasi quattro volte superiore agli 0,9 MeV Per nucleone che si ottengono, come abbiamo visto, dalla fissione.
Le condizioni per la fusione
Affinché avvenga la fusione di due nuclei è necessario che questi si portino a una distanza dell'ordine di 10-15 m, entro il raggio di azione della forza nucleare forte. Poiché tale avvicinamento è ostacolato dalla repulsione elettrica fra protoni, i nuclei devono essere dotati di un'elevata energia cinetica, valutabile intorno a 0,2 MeV.
L'energia per produrre artificialmente la fusione di poche coppie di nuclei può essere fornita dagli acceleratori di particelle. Per ottenere invece un processo su larga scala, che permetta di ricavare grandi quantità di energia, bisogna raggiungere e mantenere una temperatura di almeno 107 K. A questa temperatura gli atomi sono completamente ionizzati. La materia si trova, cioè, sotto forma di plasma: un gas complessivamente neutro ma formato da un miscuglio di ioni (i nuclei "nudi") e di elettroni liberi. All'interno delle stelle la temperatura e la densità della materia sono sufficienti a provocare la fusione almeno degli atomi più leggeri, di idrogeno e di elio. Nelle stelle più calde, fra le quali il Sole, i nuclei di idrogeno possono fondersi anche con nuclei più pesanti, come il carbonio e l'azoto.
Domande da interrogazione
- Qual è il principio fondamentale della fusione nucleare?
- Quali sono le condizioni necessarie per avviare la fusione nucleare?
- Come si confronta l'energia rilasciata dalla fusione nucleare rispetto alla fissione dell'uranio?
La fusione nucleare si basa sull'unione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante, rilasciando energia a causa della differenza di massa tra i nuclei originari e il nucleo risultante.
Per avviare la fusione nucleare, i nuclei devono avvicinarsi a una distanza di 10-15 m, superando la repulsione elettrica tra protoni, e devono avere un'energia cinetica di circa 0,2 MeV. È necessaria una temperatura di almeno 107 K per mantenere la materia in stato di plasma.
L'energia rilasciata dalla fusione nucleare è significativamente maggiore rispetto alla fissione dell'uranio, con un'energia liberata di 3,52 MeV per nucleone nella fusione, rispetto agli 0,9 MeV per nucleone nella fissione.
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