La fissione nucleare è una delle due principali reazioni nucleari utilizzate per produrre energia.

Queste reazioni coinvolgono atomi pesanti fissili, come l'uranio, il plutonio e il torio, poiché questi atomi liberano energia quando vengono fissionati in due atomi più leggeri.

A differenza degli atomi più leggeri, che producono energia quando i loro nucleoni si uniscono per formare il nucleo (come nel caso della fusione nucleare).

Affinché avvenga una reazione di fissione, è necessario che un neutrone colpisca un atomo pesante fissile. Il neutrone viene assorbito dall'atomo, che diventa instabile.

L'atomo inizia a vibrare e si separa in due atomi più leggeri, rilasciando da due a quattro neutroni e una certa quantità di energia.

Questi neutroni liberati colpiscono altri atomi del materiale fissile, causando ulteriore liberazione di energia e di neutroni che alimentano la reazione a catena.

Una delle reazioni di fissione più utilizzate per la produzione di energia coinvolge l'uranio come materiale fissile.

Un esempio tipico di reazione di fissione dell'uranio è: ²³⁵U + n → ⁹³Rb + ¹⁴¹Cs + 2n (l'uranio-235 colpito da un neutrone produce come prodotti di reazione il rubidio-93, il cesio-141, due neutroni e una certa quantità di energia).

Tuttavia, l'uranio utilizzato per le reazioni di fissione non è l'uranio più comune trovato in natura, che è principalmente l'uranio-238.

Per la produzione di energia, viene utilizzato l'isotopo uranio-235, che è presente solo in piccole quantità all'interno dell'uranio-238.

Pertanto, per consentire una reazione nucleare, l'uranio deve essere arricchito, cioè la percentuale di uranio-235 deve essere aumentata in un blocco di uranio-238.

Durante il processo di arricchimento, si produce una quantità di uranio in cui l'isotopo uranio-235 è praticamente assente.

Questo sottoprodotto dell'arricchimento viene chiamato "uranio impoverito" ed è utilizzato per scopi diversi, come la produzione di munizioni anticarro.

All'interno di un ordigno nucleare, durante l'innesco, le reazioni di fissione avvengono in modo incontrollato, generando un'enorme quantità di calore ed energia in una frazione di secondo.

Ciò provoca l'esplosione, mentre le radiazioni radioattive che si verificano successivamente sono causate dai decadimenti radioattivi dei prodotti di fissione.

Nelle centrali nucleari, invece, le reazioni di fissione vengono rallentate per evitare una reazione a catena troppo rapida.

Le barre di controllo, costituite da un materiale che assorbe neutroni, vengono utilizzate per rallentare le reazioni.

Solo una piccola quantità di neutroni prodotti dalla reazione causa ulteriori reazioni nucleari. Inoltre, a causa della grande produzione di energia, il materiale fissile tende a surriscaldarsi.

Per evitare ciò, il nocciolo, composto da barre di uranio, viene raffreddato con acqua mantenuta ad alte pressioni.

L'acqua svolge una triplice funzione: raffredda il nocciolo, riscalda l'acqua che viene successivamente utilizzata per produrre energia elettrica e agisce come moderatore.

Poiché le reazioni nucleari richiedono che i neutroni liberati dagli atomi di uranio siano rallentati da atomi più leggeri, gli atomi dell'acqua rallentano i neutroni consentendo la reazione a catena.

È importante ricordare che l'uranio utilizzato per le reazioni di fissione contiene una grande quantità di uranio-238, che non è fissile.

Quando l'uranio-238 assorbe un neutrone, diventa uranio-239, che attraverso due decadimenti beta genera nettunio e plutonio.

Il plutonio ha proprietà simili all'uranio-235, cioè è soggetto a fissione con neutroni lenti, e può essere utilizzato sia nei reattori nucleari come nuovo materiale fissile, sia come elemento principale nelle bombe atomiche al plutonio.

La fusione nucleare è un tipo di reazione nucleare in cui due nuclei leggeri si fondono per formare un nuovo elemento, rilasciando una grande quantità di energia.

Questa reazione si basa sull'intensa forza di attrazione nucleare (forza forte) che agisce a distanze estremamente ravvicinate tra i nuclei atomici.

Le reazioni di fusione nucleare si verificano principalmente tra isotopi dell'idrogeno, come il deuterio e il trizio.

Quando i nuclei di questi isotopi vengono avvicinati a distanze estremamente ravvicinate, la forza di attrazione nucleare diventa predominante e i nuclei si fondono, generando una reazione di fusione.

Durante questa reazione, si libera energia, che corrisponde alla differenza di massa tra i reagenti e il nuovo elemento formato.

Attualmente, l'uso delle reazioni di fusione nucleare per la produzione di energia è ancora in fase di studio e sviluppo.

Tuttavia, le bombe atomiche all'idrogeno, note anche come bombe termonucleari, sfruttano la fusione nucleare per generare una quantità enorme di energia.

In queste armi, gli isotopi dell'idrogeno vengono portati a temperature estremamente elevate tramite una piccola bomba a fissione.

L'alta temperatura fornisce agli isotopi un'enorme quantità di energia cinetica, che causa l'avvicinamento dei nuclei e la successiva reazione di fusione.

Esistono due principali tipi di reattori a fusione nucleare in fase di studio: quelli a confinamento inerziale e quelli a confinamento magnetico.

Nei reattori a confinamento inerziale, gli isotopi dell'idrogeno sono racchiusi in una sfera di berillio che viene bombardata da raggi X o da un raggio laser.

Questo bombardamento fa evaporare la sfera esterna, comprimendo gli atomi verso il centro e causando la fusione nucleare.

Questo tipo di reattore ha il vantaggio di avere un materiale di fusione estremamente piccolo (di pochi millimetri cubi) e una compressione estremamente veloce (meno di un milionesimo di secondo).

Nei reattori a confinamento magnetico, il materiale isotopico viene riscaldato a temperature estremamente elevate, fino a diventare uno stato di plasma, che è un gas elettricamente neutro ma composto da elettroni e particelle cariche.

Questo plasma viene contenuto nel reattore e compresso da un forte campo magnetico generato da correnti che circolano nelle bobine che circondano il reattore.

Entrambi i tipi di reattori a fusione nucleare presentano sfide tecniche significative e richiedono un controllo preciso delle condizioni di temperatura, pressione e confinamento del plasma per raggiungere un'efficace produzione di energia da fusione.

Tuttavia, la fusione nucleare promette di essere una fonte di energia pulita e sostenibile, poiché utilizza isotopi leggeri come carburante e non produce rifiuti radioattivi a lunga durata come nella fissione nucleare.