L'energia nucleare - La fissione nucleare, La fusione nucleare

L'energia nucleare

L'energia nucleare é l'energia che tiene legata la parte interna dell'atomo, cioè le particelle che formano il nucleo.

La prima persona che intuì la possibilità di ricavare energia dal nucleo dell'atomo fu lo scienziato tedesco Albert Einstein. Nel 1905 egli annunciò la sua teoria dell'equivalenza tra materia ed energia, espressa nella famosa formula:

          E= mc²

Essa permette di calcolare quanta energia (E) si ottiene dalla trasformazione di una certa quantità di materia (m); la costante c² corrisponde alla velocità della luce (300.000 km/s) elevata al quadrato.

Poiché questa costante é grandissima basta far sparire una piccola quantità di materia per ottenere una gran quantità d'energia.

L'atomo è costituito da un piccolo e massivo nucleo positivamente carico, circondato da elettroni. Il nucleo, in cui è concentrata la maggior parte della massa dell'atomo, è composto a sua volta da neutroni e protoni legati da forze d'interazione nucleare forte, molto più intense rispetto a quelle di natura elettrica che vincolano gli elettroni al nucleo. Il numero di massa A di un atomo è il numero totale di nucleoni, cioè neutroni o protoni, che esso contiene; il numero Z specifica invece il numero di protoni del nucleo.

Per ricavare energia dal nucleo dell'atomo esistono due procedimenti, un opposto all'altro:

- la fissione (rottura) di un nucleo pesante come quello dell'uranio.

- la fusione (unione) dei nuclei leggeri come quelli d'idrogeno.

La fissione nucleare

Quasi tutti gli elementi esistenti in natura hanno un nucleo molto stabile, che non può essere rotto, come nel caso del ferro, dell'alluminio, dell'ossigeno, del cloro, ecc.

L'Uranio235, uno degli elementi più pesanti esistenti in natura, costituisce un'eccezione. La reazione dell'uranio consente di sottolineare due caratteristiche di tutti i processi di fissione nucleare. In primo luogo la quantità d'energia prodotta da ogni singola fissione è molto grande; in termini pratici, la reazione di 1 kg d'uranio 235 sviluppa 18,7 milioni di kilowattora, sotto forma di calore. In una reazione di fissione, un nucleo d'uranio o di un altro elemento pesante si scinde, per effetto del bombardamento con neutroni, formando una coppia di frammenti di nucleo e liberando una notevole quantità d'energia. Il processo è accomnato da una rapida emissione di neutroni veloci, uguali a quelli che hanno innescato la fissione del nucleo d'uranio; ciò consente l'inizio della cosiddetta reazione a catena, che consiste in una serie autoalimentata di fissioni nucleari: i neutroni che sono emessi nel processo di fissione possono a loro volta innescare il medesimo processo, con continuo sviluppo d'energia.

La fusione nucleare

Oltre che nel processo di fissione di un nucleo pesante, si sviluppa energia nucleare anche nel processo di fusione di due nuclei leggeri. L'energia irradiata dal Sole è, ad esempio, sprigionata nelle reazioni di fusione tra nuclei d'idrogeno che avvengono all'interno del suo nucleo. La prima fusione nucleare artificiale fu realizzata all'inizio degli anni Trenta, mediante il bombardamento di un bersaglio di deuterio, con nuclei di deuterio ad alta energia accelerati in un ciclotrone; tuttavia il bilancio energetico della reazione risultò negativo ed essa non fu sfruttata commercialmente. Un considerevole rilascio netto d'energia per fusione fu ottenuto per la prima volta negli anni Cinquanta, nell'ambito delle sperimentazioni sulle armi nucleari da parte di Stati Uniti, Gran Bretagna, Unione Sovietica e Francia. In questo caso il bilancio energetico fu positivo, ma il rilascio d'energia fu breve e incontrollato, pertanto non sfruttabile per la produzione d'elettricità. Ciò che rende difficile produrre la fusione nucleare artificiale è il fatto che questa reazione consiste nella fusione di due particelle - i nuclei - di carica elettrica uguale. La fusione nucleare si ottiene quando, vincendo le forze di repulsione elettrica fra cariche dello stesso segno, due nuclei d'elementi leggeri (ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno deuterio e trizio) sono fatti avvicinare sufficientemente da formare il nucleo di un elemento più pesante. Perché essa avvenga, quindi, i nuclei devono essere dotati di un'energia tale da vincere la forza di repulsione elettrostatica e il gas reagente deve essere riscaldato fino ad una temperatura di 50 milioni di gradi. Il principale ostacolo alla realizzazione in laboratorio della fusione nucleare è l'avvicinamento dei nuclei fino a distanze subatomiche.  Attualmente, si distinguono due modi per ottenere tale meccanismo, un metodo dinamico e un metodo statico.

Metodo-dinamico
Nel metodo dinamico, l'avvicinamento accade per urto violento, come accade tipicamente alle molecole di un gas portato ad altissime temperature: questo tipo di fusione è difatti classificato anche come fusione termonucleare. Nella pratica, il processo si realizza mediante due tecniche d'avvicinamento di diversa natura, il confinamento magnetico e quello inerziale.

Confinamento inerziale  
Il confinamento inerziale si basa sulla compressione di una piccola capsula contenente una miscela solida di deuterio e trizio, che, realizzando densità mille volte superiori a quelle tipiche dei solidi, prepara condizioni favorevoli per la fusione. Il processo vero e proprio di fusione è innescato tramite l'irraggiamento, con un intenso fascio laser, che fa prima evaporare la superficie esterna della capsula (con conseguente spostamento rapido verso l'interno della materia contenuta), e poi porta la miscela a temperatura tale da provocare l'implosione. La compressione dura un tempo brevissimo, meno di un milionesimo di secondo, durante il quale si raggiungono densità dell'ordine di 10²⁵ particelle per cm³.

Confinamento magnetico  
Nel confinamento magnetico, un plasma caldo di gas ionizzato è confinato ad alte densità grazie all'azione di un campo magnetico. Il plasma è contenuto all'interno di uno speciale apparecchio chiamato tokamak, una camera di confinamento a forma toroidale, usualmente con il diametro minore di circa 1 m e il diametro maggiore di circa 3 m (l'invenzione dell'apparecchio, che risale agli anni Cinquanta, si deve ad Igor Y.Tamm e Andrei D.Sacharov). Per mezzo di un complesso sistema di bobine che circondano il tokamak e di correnti longitudinali indotte nel plasma, si crea all'interno del plasma un intenso campo magnetico, le cui linee di forza, dirette lungo la direzione assiale e trasversale, provocano il confinamento del combustibile. Il combustibile è mantenuto ad alta temperatura mediante un sistema a radiofrequenza e l'iniezione ininterrotta di deuterio e trizio.

Metodo-statico

Per metodo statico s'intende un processo d'avvicinamento fra i nuclei, provocato da un terzo elemento, che non partecipa alla reazione e funge da catalizzatore. Il catalizzatore, solitamente di carica negativa, ha la funzione di modificare la conurazione del campo elettrico nella regione di spazio fra i nuclei, in modo che questi non si respingano più. Il metodo è realizzato con le due tecniche distinte della fusione muonica e della fusione fredda.

Fusione muonica

 Già oggetto di studio da diversi anni, la fusione muonica utilizza i muoni quali catalizzatori. Particella della stessa famiglia dell'elettrone, ma circa 200 volte più pesante, un muone, sostituito ad un elettrone, forma con gli isotopi dell'idrogeno molecole in cui i nuclei sono tenuti molto ravvicinati. Il processo di fusione avviene quindi facilmente, anche a temperature e densità ordinarie. Le problematiche relative a questo metodo sono dunque essenzialmente relative al bilancio d'energia, che deve tener conto del dispendio energetico richiesto per produrre i muoni e lanciarli (mediante un acceleratore di particelle) su un bersaglio gassoso di deuterio e trizio, del numero di molecole "modificate" (molecole muoniche, come si definiscono, DµT), che un singolo muone riesce a formare prima di essere assorbito dall'elio, e dell'energia totale ricavata, ottenuta dal prodotto dell'energia rilasciata in ogni singola fusione per il numero di fusioni provocate da ciascun muone. 

Fusione fredda  

Questo metodo sfrutta la proprietà di determinati metalli (in particolare palladio e titanio) di accettare negli interstizi della loro struttura molecolare i nuclei di deuterio e trizio, favorendone così la fusione. Il metodo è appunto classificato come "freddo" perché non ricorre all'impiego di grosse quantità d'energia, come quelle richieste nel riscaldamento ad altissime temperature degli elementi reagenti o nell'accelerazione dei fasci di particelle.  Pur se situati nella struttura molecolare del metallo, la distanza fra i nuclei degli isotopi dell'idrogeno non è sufficiente a scatenare la fusione: non è dunque chiaro quale sia il meccanismo chimico-fisico microscopico che ingenera il processo. Esistono alcune ipotesi: che si tratti di particolari condizioni di non equilibrio che si creano durante il caricamento del metallo, o della complessa struttura d'interazioni subnucleari che si stabiliscono all'interno del reticolo metallico così modificato.