Desidero sapere com’è possibile ricavare energia dall’elio 3, più precisamente il perche si guarda alla Luna come possibile fonte energetica essendo un gas presente anche sulla Terra?

L’Elio-3 (simbolo
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/>) è un elemento con un nucleo costituito da due protoni e un neutrone. L’atomo elettricamente neutro, pertanto avra’ due elettroni che ruotano attorno al nucleo. Per quello che riguarda la produzione di energia, però, questi elettroni sono ininfluenti, in quanto i processi che si usano per ricavare energia dall’
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> implicano reazioni nucleari, quindi ad una scala di energia di 5 ordini di grandezza più alta. Vedremo in seguito qual è il loro effetto sulla fisica del reattore. La reazione che rende peculiare l’
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/>, è

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laddove
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img5.gif”/> è un nucleo di Deuterio (1 neutrone e 1 protone) e
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img6.gif”/> è un nucleo di Elio 4 (2 protoni e due neutroni, è l’isotopo più comune, abbondanza relativa 99.999863%). L’energia totale rilasciata dalla reazione (il cosiddetto Q della reazione) è di <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img7.gif”/>, di cui <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img8.gif”/> sono di energia cinetica del nucleo di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img6.gif”/> e <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img10.gif”/> sono di energia cinetica del protone. I protoni risultanti da questa reazione possono essere “intrappolati” grazie alla loro carica elettrica, per cui la loro energia può essere convertita in maniera molto efficace e diretto in energia elettrica, l’energia del nucleo di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img6.gif”/> verrà usata come energia termica per far funzionare, per esempio, turbine a vapore, nel modo usuale.

La importanza di questa reazione è che non produce neutroni, i quali rendono radioattivi, per bombardamento, i materiali di cui è costruito l’apparato (reattore) che sfrutta la reazione, e che non utilizza né produce elementi radioattivi, come è il caso per esempio del Trizio
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img12.gif”/>, il quale decade in
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> con emissione di elettroni energetici (e quindi ionizzanti) e neutrini (decadimento <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img14.gif”/>); per esempio tra le reazioni che avvengono con la maggior probabilità nelle condizioni dei reattori nucleari si trovano le seguenti

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da cui vediamo che nelle maggiori reazioni vengono prodotti neutroni e/o viene prodotto o impiegato Trizio. In particolare la prima ha una grande probabilità.

D’altra parte, un reattore che sfrutti la reazione
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img24.gif”/> ha alcuni problemi seri. Anzitutto la temperatura ottimale alla quale avviene la fusione di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img24.gif”/> è di circa <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img25.gif”/>, contro i meno di <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img26.gif”/> delle tre reazioni riportate sopra
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img27.gif”/> e
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img18.gif”/>. Questo comporta dei problemi di confinamento ancora maggiori di quelli che sono gia’ presenti per un reattore che usi Deuterio e Trizio. Altro problema è che poichè l’
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> viene introdotto nel reattore in forma di gas monoatomico, che è la forma in cui si trova in natura, all’interno del reattore, oltre al nucleo di ogni atomo vengono introdotti anche i suoi elettroni. Per cui, rispetto al combistibile fatto solo di idrogeno e suoi isotopi (Deuterio, Trizio), il combustibile che si ottiene dall’Elio-3 contiene un numero doppio di elettroni. Questo comporta che, quando la miscela viene riscaldata, gli atomi di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> e di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img5.gif”/> riscaldandosi si ionizzano (perdono i loro elettroni), e la componente elettronica del plasma (cioè la frazione del plasma composta dai soli elettroni) causa una pressione a regime maggiore che nel caso in cui il combustibile sia solo idrogenico. Ovviamente questo rende ancora più difficile la progettazione e il funzionamento di un reattore a fusione di
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Inoltre tanto il
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img5.gif”/> che l’
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> sono gassosi (per la precisione, formano un plasma ad alta temperatura) nelle condizioni in cui si pensa di sfruttare la reazione, per cui si possono avere anche, nella miscela gassosa (plasma), reazioni tra due nuclei di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img5.gif”/>, che come abbiamo visto produce neutroni oppure Trizio. Per cui anche con questa reazione bisogna affrontare il problema delle radiazioni. A differenza del caso del combustibile fissile e dei prodotti della fissione, comunque, tale problema è comunque meglio gestibile, in quanto i prodotti radioattivi della fusione hanno un tempo di decadimento più breve, e non innescano complicate catene di decadimento. Cionondimeno, rimane uno degli ostacoli alla realizzazione di centrali a fusione nucleare.

Infine, c’e’ il discorso sulla disponibilità di Elio-3 sulla Terra. In realtà la abbondanza relativa di tale gas sul nostro pianeta è piuttosto scarsa, sia nel mantello che in atmosfera o negli oceani. Questo è dovuto a diverse cause, una è per esempio la presenza di un campo magnetico abbastanza intenso: tenendo lontano il vento solare, impedisce anche al suo contenuto di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> di depositarsi sul pianeta (nell’atmosfera), tranne che in alcune zone (quelle stesse interessate dalle aurore boreali); per riferimento, l’atmosfera di Venere, pianeta privo di un forte campo magnetico, si ritiene contenga
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img37.gif”/> tonnellate di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/>, contro le <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img39.gif”/> tonnellate che si stima siano presenti nell’intero mantello della Terra, cioè la quantità di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> che la Terra eredita dalla nebulosa solare da cui si sono formati i pianeti del nostro Sistema. Per dare un’idea della effettiva importanza di questi numeri, bisogna considerare che per coprire il fabbisogno energetico degli USA sarebbero richieste tra le 30 e le 50 tonnellate di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> all’anno.

Ad ogni modo, si ritiene che sulla Luna ci siano delle cospicue riserve di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/>, anche se non è affatto chiaro a quanto ammontino. Sembra comunque molto probabile che l’estrazione dell’Elio-3 dal suolo lunare possa essere una impresa quantomeno ardua se non antieconomica, visto che per estrarre 70 tonnellate di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> bisognerebbe scaldare un milione di tonnellate di suolo lunare a <img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img44.gif”/>. C’è da dire comunque che questo sembra essere uno dei progetti parte dell’annunciato programma di esplorazione lunare da parte dell’agenzia spaziale cinese, oltre che della compagnia russa RKK Energiya. Comunque il periodo annunciato sembra essere, in entrambi i casi, al più presto nel 2015-2020. Tante cose possono succedere nel frattempo, e non tutte necessariamente confortanti, almeno in questa prospettiva. Da rammentare semplicemente la fine del programma Apollo, o del programma lunare ex-Sovietico.

Altra possibile (ma futuristica) fonte di
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> nel nostro sistema solare potrebbe essere costituita dai giganti gassosi, cioè Giove, Saturno, Urano e Nettuno che ereditano, come la Terra, l’Elio-3 dalla nebulosa originaria; ovviamente al momento presente questo scenario è assolutamente al di fuori della nostra portata, molto più che Venere o la Luna.



Bibliografia


1
Nuclear Structure and Decay Databases http://www.nndc.bnl.gov/databases/databases.html

2
Fonti Non-Lunari di Elio-3 (Non-Lunar
<img decoding=” src=”http://www.vialattea.net/spaw/image/fisica/img1.gif”/> Resources) http://fti.neep.wisc.edu/pdf/fdm967.pdf