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La comprensione e il controllo delle trasformazioni chimiche

La fissione e la fusione nucleare

La massa dei nuclei degli elementi calcolata sperimentalmente è sempre inferiore alla somma della massa dei nucleoni costituenti, cioè dei protoni e dei neutroni, presi isolatamente. Questa differenza di massa o difetto di massa, Δ m, è proporzionale all'energia Δ E liberata quando i protoni e i neutroni si sono uniti per dare origine al nucleo, secondo la relazione di Einstein: Δ E = Δ m · c2 (dove c è la velocità della luce).

Il difetto di massa varia da nucleo a nucleo e rappresenta l'energia necessaria per separare tra di loro le particelle che formano un dato nucleo: in altre parole, coincide con l'energia di legame nucleare, cioè con l'energia necessaria a estrarre il nucleone e a portarlo a distanza infinita. Più elevato è il difetto di massa, più elevata è l'energia di legame nucleare e più stabile è il nucleo.

I nuclei più stabili sono quelli con numero di massa tra 50 e 60, come per esempio il ferro −56 (il più stabile in assoluto). Tutti gli altri nuclei avranno quindi una maggiore o minore tendenza a trasformarsi in nuclei differenti più stabili, con numeri di massa il più possibile vicini ai valori di 50-60.

I nuclei pesanti, come quelli di uranio, tenderanno a frammentarsi in nuclei più leggeri, attraverso una reazione di fissione nucleare; i nuclei più leggeri, come quelli di idrogeno o deuterio, tenderanno invece a riunirsi insieme per dare nuclei più pesanti, attraverso una reazione di fusione nucleare.

La fissione nucleare

Per fissione nucleare, si intende la divisione di un nucleo atomico in due nuclei più leggeri (o, più raramente, tre). Può avvenire spontaneamente o in seguito a bombardamento con neutroni (fissione indotta). Il processo di fissione nucleare genera un'enorme quantità di energia; nelle centrali nucleari questo avviene in modo controllato e il calore prodotto dalla reazione viene trasformato in energia elettrica: da 1 g di uranio −235 (il combustibile nucleare più importante, che costituisce lo 0,7% dell'uranio naturale, formato in prevalenza da uranio −238) si ottengono circa 80 miliardi di joule di energia (circa 20 milioni di chilocalorie), equivalenti alla combustione di circa 3 t di antracite.

Il neutrone che incide sul nucleo di uranio −235 e ne viene assorbito gli cede energia, aumentando l'energia interna dei suoi componenti (protoni e neutroni); nel giro di una frazione di secondo il nucleo si divide in due frammenti emettendo due o tre neutroni e liberando energia. I neutroni che iniziano la reazione di fissione, prodotti nel corso di reazioni nucleari opportunamente provocate, possiedono una velocità in genere troppo elevata e vanno opportunamente rallentati (neutroni lenti), affinché si trovino nelle migliori condizioni per penetrare nei nuclei atomici causandone la disintegrazione. Per questo si usano particolari sostanze dette moderatori, che rallentano i neutroni più veloci.

I neutroni emessi durante la fissione nucleare possono a loro volta incidere su altri nuclei e produrre altre reazioni di fissione: in questo modo si ottiene una reazione a catena. Nel caso in cui la reazione si sviluppi in modo incontrollato, la produzione di energia è esplosiva, come avviene nelle bombe atomiche. Nelle centrali nucleari si utilizzano sostanze particolari che assorbono i neutroni in eccesso permettendo così che la reazione proceda a tasso costante.

Funzionamento di un reattore nucleare

Nei reattori nucleari il materiale sottoposto a fissione è costituito da uranio −235 racchiuso in barre cilindriche (elementi di combustibile). In pratica si usa uranio arricchito, cioè uranio −238 in cui il tenore di uranio −235 è innalzato al 3% circa. Un reattore nucleare è schematicamente costituito da una struttura contenente gli elementi di combustibile, detta nocciolo, dove avviene la fissione, e da un insieme di apparecchiature ausiliarie che provvedono ad asportare il calore prodotto dalla fissione e a convertirlo in altre forme di energia. Nel nocciolo sono presenti il moderatore (acqua, acqua pesante o grafite) e un sistema di barre di controllo in grado di assorbire i neutroni e di controllare la reazione di fissione.

Nei tipi di reattori più diffusi, quelli ad acqua bollente (BWR, boiling water reactor) e ad acqua in pressione (PWR, pressure water reactor), l'acqua funge sia da moderatore sia da fluido di raffreddamento, che asporta il calore prodotto nella fissione e lo cede a un circuito secondario in cui circola acqua e dove viene generato vapore per la produzione di energia elettrica (per mezzo di una turbina collegata a un alternatore).

Vi è, infine, un tipo di reattore, detto veloce o autofertilizzante, che, grazie ad accorgimenti particolari, come l'uso di una camicia di uranio—238 posta attorno al nocciolo e che assorbe i neutroni veloci non rallentati dal moderatore, è in grado di produrre più combustibile di quanto ne consuma: infatti l'uranio—238 viene trasformato in plutonio—239 fissile.

Fusione nucleare

Per fusione nucleare si intende il processo in cui due nuclei di basso numero atomico (per esempio, idrogeno, 11H, cioè con numero atomico 1) si uniscono e formano un nucleo di numero atomico superiore (per esempio, elio, 42He, numero atomico 4). Perché avvenga la fusione nucleare i due nuclei interagenti devono avvicinarsi fra loro vincendo la forza di repulsione elettrostatica dovuta alla loro carica positiva: normalmente questo è possibile solo in gas a temperature di milioni o decine di milioni di gradi, in cui i nuclei si muovono ad altissima velocità a causa del violento moto di agitazione termica. In queste condizioni le particelle sono ionizzate (cioè elettricamente cariche perché gli atomi hanno perso completamente o in parte gli elettroni) e il gas viene detto plasma. È ciò che accade nel Sole e in altre stelle, la cui energia è generata da processi di fusione termonucleare che avvengono al loro interno.

L'energia proveniente dal Sole, per esempio, si origina da una serie complessa di reazioni, che ha come risultato finale la fusione di quattro nuclei ``leggeri'' di idrogeno in un nucleo ``pesante'' di elio, con liberazione di enormi quantità di energia:

Finora, l'uomo è riuscito a innescare la reazione in modo incontrollato e quindi esplosivo (bombe H), oppure per brevissimi istanti in particolari reattori ancora sperimentali. Si pensa che nel futuro la fusione nucleare controllata possa generare energia in grande quantità. Questa prospettiva si basa sull'impiego di isotopi dell'idrogeno, in particolare di deuterio 12H, contenuto nell'acqua in ragione di 1 parte ogni 5900 parti di idrogeno, il che ne assicurerebbe una disponibilità praticamente illimitata. Una reazione considerata con interesse è quella tra deuterio e un altro isotopo instabile dell’idrogeno, il trizio, 13H (che si può produrre a sua volta per fusione di due nuclei di deuterio o, più facilmente, bombardando il litio –6 con neutroni):

La maggiore difficoltà tecnologica per realizzare un reattore a fusione è legata a una duplice esigenza: quella di operare a temperature enormi e di dover mantenere confinato il plasma a queste temperature per un tempo opportunamente lungo (tempo di confinamento). Tra le soluzioni allo studio per risolvere questo problema vi è quella del confinamento magnetico: il plasma viene ``contenuto'' entro campi magnetici assai intensi generati da magneti disposti in modo da far assumere al plasma certe configurazioni geometriche.

Il riscaldamento del plasma avviene facendolo attraversare da una corrente estremamente intensa oppure bombardandolo con fasci laser di potenza. Si ritiene che un prototipo funzionante di reattore per la fusione non potrà essere realizzato prima di 40-50 anni, perché devono ancora essere risolti formidabili problemi, fra cui la creazione di materiali in grado di sopportare gli effetti corrosivi dovuti all’intenso irraggiamento dei neutroni prodotti dalla fusione nucleare.

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