NOTA - ELEMENTI E REAZIONI NUCLEARI FISSIONE E FUSIONE

La fissione nucleare è una dei due tipi di reazione nucleare che possono essere innescate per produrre energia.

Queste reazioni hanno come materiale fissile atomi pesanti (con numero di massa che supera quello del ferro; nelle reazioni di fissione vengono utilizzati atomi di uranio, plutonio e torio), poiché questi atomi, a differenza di quelli più leggeri, liberano energia nel momento in cui vengono scissi in due atomi più leggeri (viceversa, si è visto precedentemente che il deuterio, un atomo leggero, produce energia nel momento in cui i suoi nucleoni si uniscono a formare il nucleo).

Per fare in modo che si abbia luogo ad una reazione di fissione è necessario che un neutrone colpisca un atomo pesante: in questo modo il neutrone viene catturato dall’atomo, il quale, in questo modo, diviene particolarmente instabile.

L’atomo comincia quindi a vibrare fino a che non si separa in due atomi più leggeri, liberando da due a quattro neutroni e una certa quantità di energia. Questi neutroni liberati vanno poi a colpire altri atomi dell’elemento fissile, causando nuova liberazione di energia e di neutroni che causano la reazione a catena.

Una delle reazioni più sfruttate per la produzione di energia è quella che utilizza l’uranio come materiale fissile. Una delle reazioni tipiche dell’uranio è questa: ²³⁵U + n → ⁹³Rb + ¹⁴¹Cs + 2n (l’uranio-235 colpito da un neutrone dà come prodotti della reazione il rubidio-93, il cesio-141, due neutroni e una certa quantità di energia).

L’uranio che viene utilizzato per le reazioni nucleari non è però l’uranio che più facilmente si trova in natura: il più diffuso è infatti l’uranio-238, mentre, come si vede nella precedente reazione, per la produzione di energia si utilizza il suo isotopo uranio-235, che in natura si trova in piccole percentuali all’interno dell’uranio-238.

Perciò per dar luogo ad una reazione nucleare l’uranio deve essere arricchito, cioè si deve aumentare la percentuale di uranio-235 presente in un blocco di uranio-238.

Questo processo da luogo ad una certa quantità di uranio in cui il suo isotopo 235 è in percentuale praticamente nulla: questo scarto della lavorazione viene chiamato uranio impoverito e viene usato per la produzione di munizioni anticarro.

All’interno di un ordigno nucleare, al momento dell’innesco, le reazioni di fissione sono prodotte in modo incontrollato, così che l’energia prodotta in un solo milionesimo di secondo raggiunge livelli smisurati.

Ciò causa l’esplosione e la grande quantità di calore che viene emessa, mentre le ricadute radioattive che hanno luogo successivamente sono causate dai decadimenti radioattivi dei prodotti della fissione.

Invece, in una centrale nucleare, le reazioni di fissione sono rallentate per impedire una reazione a catena troppo repentina. Il mezzo che rallenta le reazioni è rappresentato dalle barre di controllo, che sono barre formate da un materiale che assorbe neutroni, così che solo una piccola quantità di neutroni prodotti dalla reazione causa nuove reazioni nucleari.

Inoltre, a causa della grande produzione di energia, il materiale fissile tende a surriscaldarsi. Per impedire che questo accada il nocciolo, cioè le barre di uranio, viene raffreddato da acqua mantenuta ad alte pressioni.

Questa acqua ha una triplice funzione: raffredda il nocciolo, riscalda nuova acqua che serve successivamente a produrre energia elettrica e svolge la funzione di moderatore.

Infatti, poiché abbiano luogo delle reazioni nucleari è necessario che i neutroni liberati dagli atomi di uranio vengano rallentati da atomi più leggeri; gli atomi dell’acqua rallentano quindi i neutroni consentendo la reazione a catena.

Bisogna ricordare però che l’uranio utilizzato per le reazioni di fissione contiene una grande quantità di uranio-238, il quale non è fissile.

In seguito all’assorbimento di un neutrone, l’uranio-238 diventa uranio-239, il quale, tramite due decadimenti beta, genera il nettunio e il plutonio.

Quest’ultimo ha le stesse proprietà dell’uranio-235, cioè subisce la fissione con neutroni lenti, e può quindi essere utilizzato sia all’interno dei reattori nucleari come nuovo materiale fissile, che come elemento principale all’interno di bombe atomiche al plutonio.

Le reazioni di fusione nucleare avvengono tra atomi particolarmente leggeri, come per esempio gli isotopi dell’idrogeno. Quando due atomi vengono avvicinati notevolmente i loro nuclei si fondono dando luogo ad un nuovo elemento.

La reazione riesce a realizzarsi perché, a distanze estremamente ravvicinate, diventa importante l’intensità della forza di attrazione nucleare (forza forte), che provoca la fusione dei nuclei: conseguentemente, si ottiene un rilascio di energia, corrispondente alla differenza fra i valori delle masse prima e dopo la reazione.

Per portare i due reagenti a distanze ravvicinate, si stanno studiando diversi tipi di reattori: infatti per il momento l’utilizzo di reazioni di fusione per la produzione di energia è ancora in fase di studio. Esistono già invece ordigni atomici che sfruttano queste reazioni: sono le bombe a idrogeno.

In questi ordigni gli isotopi dell’idrogeno vengono portati a temperature altissime da una piccola bomba a fissione. L’alta temperatura di questi elementi dà loro una grande quantità di energia cinetica, provocando l’avvicinamento dei loro nuclei e la conseguente reazione di fusione. Questa necessità di avere una temperatura di qualche milione di gradi ha dato a queste bombe il nome di termonucleari.

Tuttora si stanno studiano due diversi tipi di reattori a fusione: quelli a confinamento inerziale e a confinamento magnetico. Nei reattori a confinamento inerziale gli isotopi dell’idrogeno vengono racchiusi in una sfera di berillio che viene investita da raggi X o da un raggio laser.

A causa del bombardamento di ioni la sfera esterna evapora, comprimendo verso il centro gli atomi contenuti al suo interno e causando la fusione. I vantaggi di questo reattore sono che il materiale che subisce la fusione ha una dimensione estremamente piccola (di qualche millimetro cubo) e inoltre la compressione dura un tempo brevissimo (meno di un milionesimo di secondo).

Nei reattori a confinamento magnetico il materiale isotopico viene portato a temperature estremamente elevate, fino a farlo diventare un plasma, cioè un gas elettricamente neutro ma formato da elettroni e particelle cariche.

Questo plasma viene contenuto nel reattore e compresso da un forte campo magnetico indotto provocato dalla corrente circolante nelle bobine che circondano il reattore.