Le reazioni nucleari nel sole 6: Le reazioni del deuterio

Nel nucleo del sole il deuterio, nato dalla fusione p – p, è circondato soprattutto da idrogeno e da elio 4. La concentrazione del deuterio sulla superficie del sole è dell’ordine di grandezza di una particella su diecimila. Si stima che al centro la sua concentrazione sia ancora più bassa.

La reazione principale, deuterone + protone:

Le probabilità di trovarsi nella finestra di Gamow, cioè l’integrale sulla finestra di Gamow, a 15 milioni di gradi::

Deuterone protone:      6,488 x 10-5

Per confronto

Protone protone:           1,78 x 10-4

Dalla reazione deuterone protone nasce un nucleo di elio 3. C’è un problema: In questa reazione avanza un energia di 4,786 MeV e l’elio 3 non ha nessun livello eccitato. Il nucleo intermedio che possa tenere questo eccesso di energia non esiste. Per questa reazione occorre un’emissione simultanea di un quanto gamma con l’eccesso di energia. L’interazione elettromagnetica che determina l’emissione del quanto di raggi gamma è abbastanza veloce (ordine di grandezza: intorno a 10 -14 s) e la reazione avviene facilmente. Si scrive questa reazione:  d(p,gamma)3He.

La reazione di fusione tra deuterio e elio 4 non può funzionare, manca l’energia necessaria.

Le reazioni tra nuclei presenti in basse concentrazioni:

Fusioni  deuterio e trizio

Fusione deuterio e elio 3

Fusioni deuterio – deuterio

La reazione deuterio – trizio

Questa è la reazione di fusione nucleare meglio nota sulla terra. E’ alla base della bomba termonucleare, che funziona, ed è alla base della fusione controllata che dovrebbe produrre energia elettrica. Gli impianti pilota diventano sempre più grandi, ma nessun’impianto ha prodotto più del 40% dell’energia consumata per farlo funzionare.

Nel sole questa reazione è marginale. I nuclei di partenza sono tutt’e due di bassa concentrazione.

Questa reazione nei testi tradizionali viene descritta come T(d,n)4He, tralasciando il nucleo intermedio, elio 5. Questo nucleo intermedio fino a poco fa non era noto. Sulla mappa dei nuclidi (Karlsruher Nuklidkarte, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH), edizione 1995  è segnato ancora come campo bianco, cioè inesistente. Di recente si sa che esiste (Nudat 2 e Karlsruher Nuklidkarte edizione 2005).

Il nucleo di elio 5 è estremamente instabile. Decade con l’emissione di un neutrone in 0,76 x 10-21  secondi (tempo di dimezzamento). Livelli eccitati dell’elio 5 non sono noti, ma la vita brevissima del nucleo ha come conseguenza che i livelli eccitati sarebbero comunque estremamente larghi.

Il neutrone emesso dal nucleo di elio 5 ha un’energia di 14,1 MeV.  La maggior parte dei neutroni nati da questa reazione va assorbita da protoni che così diventano deuteroni.

La reazione deuterio elio3

In tutta la letteratura si trova che questa reazione produce elio 4 e un protone. Senza indicare nessun nucleo intermedio, come se fosse una reazione diretta. Il motivo: Il nucleo intermedio, litio 5, non era noto. Nella Nuklidkarte, edizione 1995, è inesistente. Nella Nuklidkarte edizione 2005 c’è. Emivita: 0,37 x  10-21 secondi. Vita un po’ breve. Decade in elio 4 e un protone.  Livelli eccitati: sconosciuti, ma data la brevità della vita, si può praticamente contare su un continuo di energie assorbibili. L’energia liberata nella formazione del litio5 e di 14,56 MeV.

Tanto bene ovviamente non va questa reazione. L’elio 3 sul sole c’è, non è consumato del tutto. Si trova nel vento solare. Si è depositato sulla luna. La NASA sostiene che verrebbe la pena portarlo sulla terra, sarebbe utile per reattori a fusione. Non è chiaro come. La reazione da usare sarebbe deuterio + elio3. In un reattore la reazione deuterio – deuterio sarebbe prevalente e l’elio 3 avanzerebbe, sarebbe inutile.

La reazione tra due nuclei di deuterio

La reazione di due deuteroni tra di loro porta a un nucleo intermedio di elio 4, eccitato. Questo modo di descrivere la reazione è insolita, per il motivo che i livelli eccitati dell’elio 4 non erano noti fino a poco fa. La reazione era sempre descritta come reazione diretta con due possibilità di risultato. C’è però il fatto che le reazioni dirette non ci sono alle bassissime energie. Le fusione di due nuclei di deuterio che porta all’elio 4 è esoterma. L’eccesso di energia è di 23,85 MeV.

Con questo eccesso di energia sono raggiungibili tre livelli eccitati diversi dell’elio 4:

Energia livello                   Larghezza livello              Decadimenti livello

21,010 MeV                       0,84 MeV                            24% emissione neutrone, 76%  emissione protone

21,840 MeV                       2,01 MeV                            37% emissione neutrone, 63%  emissione protone

23,330 MeV                       5,01 MeV                            47% emissione neutrone, 53%  emissione protone

Fonte: Nudat 2, http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/

Il raggiungimento del livello 21,010 MeV è da considerarsi trascurabile rispetto agli altri due.

Il raggiungimento del livello base dell’elio4 tramite l’emissione di un quanto di radiazione gamma è proibita (proibito anche nella fisica nucleare non vuol dire che non succede. Anche la fisica nucleare distingue tra proibito e impossibile). Viene stimato che avviene in meno di uno su un milione di casi.

Dalla reazione di due nuclei di deuterio quindi nasce in prevalenza trizio e un po’ di meno elio3.

Dalla reazione deuterio –  elio 4 nascerebbe il litio 6

Ma nel sole il litio 6 praticamente non c’è. Un controllo del calore di questa reazione ha come risultato che questa reazione sarebbe endotermica. La stabilità dei nuclei di partenza, deuterio e elio 4 è superiore a quella del litio 6. Questa reazione non c’è.

Elmar Pfletschinger

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7 pensieri su “Le reazioni nucleari nel sole 6: Le reazioni del deuterio

  1. La mappa dei nuclidi in Nudat2 assegna i colori in base alla stabilità dei nuclei. C’è un altra versione, la “karlsruher Nuklidkarte” che assegna i colori in base al tipo di decadimento. Sotto la linea nera dei nuclei stabili sono blu, emetittori beta meno, sopra sono rossi, emetittori beta più. Poi ci sono i gialli, instabili per decadimenti alfa. I verdi per fissioni spontanee. Poi..

    Al centro la mappa ha una “pancia”. Lì si conosce un magior numero di nuclei. La causa di questa conoscenza in più è la fissione nucleare. I prodotti della fissione fanno la pancia.

    Poi si vede un discontinuita sopra il piombo 206. Un nucleo di doppio numero magico. Protoni o neutroni attaccati in più non tengono.

    Comunque le mappe dei Nuklidi per me sono oggetti da studi continui. Putroppo in Italia introvabili. Finora ne ho importato dalla Germania una quarantina, formato poster. Ultima versione è del 2005. Attualmente ho dato via tutti. E non ho trovato abbastanza interesse per ricomprarli. Sull’edizione 2005 ci sono dei nuclidi che sulla versione precedente del 1996 non c’erano e che sono importantissimi per l’astrofisica. L’esempio più eclatante è il berillio 8, che spiega come le giganti rosse bruciano l’elio.

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  2. Quindi la “mappa” riguarda solo i nuclidi trovati sperimentalmente, non quelli teoricamente possibili…
    Anche se non so neanche se si e’ in grado di fare i conti per verificare se un ipotetico nuclide e’ o non e’ possibile…

    CIao
    Luca

      (Quote)  (Reply)

  3. @nitopi
    La Karlsruher Nuklidkarte, quella recente, contiene circa 3000 nuclidi, tutti conosciuti sperimentalmente. Con il nuovo reattore di Garching (Monaco di Baviera) con il flusso neutroni più alto del mondo si riuscirà estendere la conoscenza. Il flusso altissimo di neutroni permetterà l’assorbimento multiplo di neutroni, prima che avvengano decadimenti beta meno (è questo che succede nella seconda fase di una supernova).

    La teoria fornisce la “neutron drop line” in basso e la “proton drop line” in alto. Oltre queste linee, che viene avvicinata in posizioni abbastanza scarse, i nuclidi non possono esistere.

    Nei nuclei i tempi di decadimenti, i modi di decadimenti e i livelli eccitati sono sperimentali. A posteriore la teoria li spiega, ma non credo che sia capace di prevederli. Bisogna tenere conto anche del fatto che i livelli eccitati possono avere modi di decadimenti decisamente diversi da quelli dei stati fondamentali.

    I numeri magici, che corrispondono a nuclei sferici e di eccezionale stabilità (esempio Ca 40) vengono spiegati introducendo nei modelli un accoppiamento spin – orbit per singoli nucleoni.

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