Il processo di conversione di nuclei molto leggeri in nuclei più pesanti è anche accompagnato dalla conversione della massa in grandi quantità di energia, un processo chiamato fusione. La principale fonte di energia al sole è una reazione di fusione netta in cui quattro nuclei di idrogeno si fondono e alla fine producono un nucleo di elio e due positroni.
Un nucleo di elio ha una massa inferiore dello 0,7% a quella di quattro nuclei di idrogeno; questa massa persa viene convertita in energia durante la fusione. Questa reazione produce circa 1,7 × da 109 a 2,6 × 109 kilojoule di energia per talpa di elio-4 prodotta, a seconda della via di fusione. Questo è leggermente inferiore all’energia prodotta dalla fissione nucleare di una talpa di U-235 (1,8 × 1010 kJ). Tuttavia, la fusione di un grammo di elio-4 produce circa 6,5 × 108 kJ, che è maggiore dell’energia prodotta dalla fissione di un grammo di U-235 (8,5 × 107 kJ). Ciò è particolarmente degno di nota perché i reagenti per la fusione dell’elio sono meno costosi e molto più abbondanti dell’U-235.
È stato stabilito che i nuclei degli isotopi pesanti dell’idrogeno, un deuterone e un tritone, subiscono una fusione termonucleare a temperature estremamente elevate per formare un nucleo di elio e un neutrone. Questo cambiamento procede con una perdita di massa di 0,0188 amu, corrispondente al rilascio di 1,69 × 109 kilojoule per talpa di elio-4 formato. La temperatura molto elevata è necessaria per dare ai nuclei abbastanza energia cinetica da superare le forze repulsive molto forti risultanti dalle cariche positive sui loro nuclei in modo che possano collidere.
Reazioni di fusione utili richiedono temperature molto elevate per la loro iniziazione – circa 15.000.000 K o più. A queste temperature, tutte le molecole si dissociano in atomi, e gli atomi ionizzano, formando plasma. Queste condizioni si verificano in un numero estremamente grande di luoghi in tutto l’universo: le stelle sono alimentate dalla fusione.
È un compito impegnativo creare reattori a fusione perché nessun materiale solido è stabile a temperature così elevate e i dispositivi meccanici non possono contenere il plasma in cui si verificano reazioni di fusione. Due tecniche per contenere il plasma alla densità e alla temperatura necessarie per una reazione di fusione sono attualmente al centro di intensi sforzi di ricerca: il contenimento da parte di un campo magnetico in un reattore tokamak e l’uso di raggi laser focalizzati. Tuttavia, attualmente non esistono reattori a fusione autosufficienti che operano nel mondo, anche se reazioni di fusione controllate su piccola scala sono state eseguite per periodi molto brevi.
Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 21.4: Trasmutazione ed Energia Nucleare.
