La fissione e la fusione nucleari

A seguito di un processo di trasformazione nucleare vengono liberate grandi quantità di energia (corrispondenti al difetto di massa dei nuclei, secondo l'equazione di Einstein), che possono venire utilizzate per scopi pratici. È ciò che si verifica nella fissione nucleare e nella fusione nucleare.

Per fissione nucleare si intende la scissione di un nucleo pesante in due (raramente tre) nuclei più leggeri: la massa del nucleo iniziale è maggiore della somma delle masse dei nuclei più leggeri e la differenza di massa viene liberata come energia.

Per fusione nucleare si intende l'unione di due nuclei leggeri, che porti alla formazione di un nucleo più pesante, la cui massa totale è inferiore a quella complessiva dei nuclei originari (anche in questo caso la massa mancante si ritrova trasformata in energia).

La fissione nucleare

La fissione nucleare può avvenire spontaneamente (ma è un processo molto raro in natura), oppure può venire indotta artificialmente attraverso il bombardamento dei nuclei con fasci di neutroni. Si verifica in genere in alcuni nuclei pesanti instabili ed è stata sperimentata inizialmente nell'uranio-235. Questo isotopo rappresenta circa lo 0,7% dell'uranio presente in natura, formato prevalentemente da uranio-238. Bombardato opportunamente con neutroni, l'uranio-235 si scinde in due frammenti, per esempio bario-139 e kripto-94, e libera altri due o tre neutroni (v. fig. 25.2). Durante il processo, oltre ai neutroni viene liberata una grande quantità di energia (circa 200 MeV), corrispondente al difetto di massa, che si manifesta sotto forma di energia cinetica dei frammenti della fissione e di energia termica. Come fu scoperto da Fermi, per poter innescare e mantenere il processo di fissione i neutroni devono essere a bassa energia (neutroni lenti), perché in questo modo hanno più probabilità di venire catturati dai nuclei dell'elemento. I neutroni vengono rallentati introducendo nella massa dell'uranio particolari sostanze dette moderatori, alle quali i neutroni cedono per urto parte della loro energia cinetica.

I neutroni liberati dalla reazione, in condizioni opportune, possono a loro volta indurre la fissione di altri nuclei di uranio, dalla quale si liberano altri neutroni e, se il processo non viene controllato, si può generare una reazione a catena che sviluppa enormi quantità di energia.

La reazione a catena non controllata è quella che viene prodotta nelle bombe atomiche a fissione, in cui vengono compressi in uno spazio ridotto quantità di uranio e di un altro elemento fissile (generalmente un isotopo del plutonio), le cui masse superano una massa, detta critica, al di sopra della quale il processo di reazione a catena viene innescato molto facilmente. In questo caso tutti i neutroni liberati nel processo vengono usati per innescare nuove fissioni, in numero sempre crescente (reazione a catena divergente). Se invece alcuni neutroni vengono assorbiti da un'altra sostanza, e solo una parte di quelli liberati viene lasciata libera di innescare altre fissioni, il processo di fissione si dice controllato. Sul processo di fissione controllato si basano i reattori nucleari a fissione.

La fusione nucleare

La fusione nucleare può essere considerata il processo inverso rispetto alla fissione, nel quale due nuclei di un elemento con basso numero atomico si uniscono per formare un nucleo di numero atomico superiore.

Il processo tipico della fusione è quello che ha luogo naturalmente nelle stelle, e quindi anche nel Sole, dove come risultato complessivo quattro nuclei di idrogeno (quindi quattro protoni, ¹1H) si "fondono" dando origine a un nucleo di elio (formato da due protoni e due neutroni, ⁴2He). Il processo si svolge attraverso una serie di reazioni intermedie (tra le quali la trasformazione di due protoni in due neutroni) ed è accompagnato dalla liberazione di grandi quantità di energia. I nuclei di idrogeno, che sulle stelle sono presenti in abbondanza allo stato ionizzato, hanno energie cinetiche così elevate, dovute alle alte temperature presenti all'interno delle stelle, che vincono le repulsioni elettrostatiche e si uniscono a formare nuclei più pesanti (un gas di particelle ionizzate è detto plasma).

Perché due nuclei riescano ad avvicinarsi tra loro a sufficienza affinché avvenga la fusione, le temperature devono essere attorno ai milioni o alle decine di milioni di gradi e per questo motivo è molto difficile innescare artificialmente processi di fusione che forniscano quantità di energia superiore a quella che viene spesa per produrli.

Nella fusione prodotta in laboratorio non si usano i nuclei dell'idrogeno comune, ma quelli dei suoi isotopi: il deuterio (²1H), formato da un protone e un neutrone, e il trizio (³1H), formato da un protone e due neutroni, che producono elio secondo la reazione:

In questa reazione viene liberata un'energia pari a 17,6 MeV, dovuta anche in questo caso alla differenza tra le masse iniziali e finali. Per utilizzare l'energia prodotta dalla fusione, occorrerebbe costruire un reattore a fusione in grado di "trattenere", cioè confinare il plasma e di riscaldarlo a temperature di decine di milioni di gradi. Quasi tutti i tipi di reattori a fusione sperimentali allo studio utilizzano campi magnetici elevati per confinare il plasma, sfruttando il fatto che le particelle allo stato ionizzato, quindi elettricamente cariche, risentono della forza magnetica. Il riscaldamento del plasma può avvenire per opera di correnti elettriche molto intense. La possibilità di sfruttamento della fusione nucleare, che è considerata la fonte di energia del futuro, richiede il superamento di formidabili problemi tecnologici che comportano elevatissimi costi di ricerca nella fase iniziale. Gli studi in corso in varie nazioni hanno permesso di conseguire alcuni importanti risultati sperimentali, che fanno ritenere ragionevole l'attesa che in capo a qualche decennio si possa giungere alla realizzazione di un prototipo di centrale nucleare a fusione. In particolare, nel dicembre 2022 ha destato grandi aspettative l’annuncio degli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (laboratorio di ricerca del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America) di aver innescato una fusione nucleare in grado di produrre per la prima volta più energia di quella necessaria per attivarla. L’esperimento, condotto concentrando 192 fasci laser verso un piccolo cilindro contenente deuterio e trizio, ha consentito di sviluppare una notevole quantità di energia a fronte di un modesto consumo di combustibile. Un passo che potrebbe rivelarsi fondamentale nella produzione di energia abbondante, sicura ed eco-sostenibile.