L'energia nucleare vista dalla parte della fisica. Ecco come si comporta la materia nella fissione nucleare e nella fusione nucleare.
Arthur H. Compton: "Il navigatore italiano è approdato nel Nuovo Mondo."
James B. Conant: "Come si sono comportati gli indigeni?"
Arthur H. Compton: "Molto amichevolmente."
No, non è il 1492, bensì il 1942. No, il "navigatore italiano" non è Cristoforo Colombo, ma Enrico Fermi.
Arthur Compton, fisico americano e responsabile per le ricerche sulla reazione a catena del gruppo di Enrico Fermi, fisico italiano, telefona a Washington per parlare con James Conant, presidente del National Defense Research Committee (ossia la commissione di Ricerca e Sviluppo militare creato da Roosevelt ed operante nella Seconda Guerra Mondiale). Con questa metafora Compton comunica a Conant la riuscita della prima reazione a catena controllata in un reattore nucleare (2 dicembre 1942).
In breve:
- 7 dicembre 1941: il Giappone attacca la base americana di Pearl Harbour
- primavera 1942: Enrico Fermi coordina l'équipe di ingegneri nella realizzazione di un reattore nucleare a uranio naturale e grafite
- giugno 1942: il presidente Roosevelt dà ordine di cominciare la costruzione di bombe a fissione
- 2 dicembre 1942: reattore funzionante e prima reazione a catena controllata
- 16 luglio 1945: ad Alamogordo (New Mexico) viene fatta esplodere la prima bomba "atomica" (al plutonio)
- 6 e 9 agosto 1945: bombardamenti di Hiroshima e Nagasaki rispettivamente con bomba nucleare all'uranio e bomba nucleare al plutonio
Tralasciamo la storia dell'atomo, quella dei "ragazzi di via Panisperna" e la situazione geopolitica che ha dato il via all'interessamento nucleare, e veniamo alla questione puramente fisica.
La radioattività naturale o spontanea
In natura esistono atomi cosiddetti instabili, ossia incapaci di mantenere la loro struttura chimica e per questo tendenti alla disintegrazione (decadimento). Per poter capire meglio questo processo, occorre però dare alcune nozioni. Grazie alla tavola periodica degli elementi di Mendeleev sappiamo che ogni elemento ha un suo numero di massa atomica, o peso atomico M (idrogeno = 1.00794; elio = 4.002602; litio = 6.941 e così via), solitamente approssimato alla prima cifra decimale. Questo numero di massa atomica corrisponde alla media delle masse degli isotopi, mentre il numero di massa A corrisponde alla massa di ogni singolo isotopo.
La maggior parte degli elementi conosciuti è formata da due o più isotopi e quindi ogni specie atomica è strutturata da una miscela di nuclei, detti nuclidi. Questi atomi hanno lo stesso numero atomico Z (idrogeno = 1; elio = 2; litio = 3 e così via), quindi stessi protoni nel nucleo, ma diverso numero di neutroni. Prendendo come esempio l'idrogeno (simbolo H, numero atomico 1), ecco che i suoi isotopi sono il prozio (un protone), il deuterio (un protone, un neutrone), ed il radioattivo trizio (un protone, due neutroni).
Quando un nucleo instabile, o radioattivo, cerca di stabilizzare spontaneamente la propria struttura chimica (si trasforma quindi in un'altra specie atomica), emette particelle, e dalla reazione vengono liberate energia e radiazioni elettromagnetiche.
La fusione nucleare
Quando due nuclei leggeri si uniscono a formare un solo nucleo più pesante, ma la cui massa è minore alla somma delle masse dei due nuclei iniziali, abbiamo una reazione di fusione nucleare. Eccone un classico esempio:
Un nucleo di deuterio 1H2 si fonde con un nucleo di trizio 1H3 per formare un nucleo di elio 2He4, liberare un neutrone 0n1 e sprigionare energia 17,6 MeV (megaelettronvolt).
Il deuterio è facilmente reperibile in natura, difatti può essere estratto dall'acqua: in media ogni 7 mila atomi di idrogeno abbiamo un atomo di questo suo isotopo (in un litro d'acqua abbiamo circa 66 milioni di miliardi di miliardi di atomi di idrogeno).
Ad oggi, però, l'uomo non è riuscito ad ottenere un processo di fusione controllata da cui si possa ricavare energia su scala industriale. Il limite più grande è la temperatura: un processo su larga scala può avvenire solo tramite una temperatura di 107 K, con lo stato della materia che diviene plasma, e nessun contenitore può resistervi senza sublimare.
Una reazione (incontrollata) di fusione nucleare è avvenuta con l'esplosione della bomba H nel 1952. In quel caso la reazione di fissione che ha innescato l'esplosione della bomba a idrogeno ha provocato poi una reazione in cui atomi di deuterio e trizio si sono fusi liberando energia termonucleare.
Un reattore a fusione nucleare che sostituisca quello a fissione è, per ora, un sogno dell'umanità.
La fissione nucleare
La reazione "opposta" a quella di fusione è detta reazione di fissione. Questo processo avviene ogniqualvolta un nucleo di un elemento pesante (come l'uranio, ad esempio) viene colpito da un neutrone e si scinde (in latino findere vuol dire dividere, scindere) in due o più nuclei di elementi più leggeri.
L'uranio che troviamo in natura è U238 più uno 0.7 % di U235, suo isotopo. Per poterlo utilizzare in un reattore a fissione bisogna "arricchire" il totale di U235 fino al 4-5 %. In una bomba nucleare invece, l'arricchimento di U235 raggiunge il 90 % del totale (con un 10 % circa di U238, quindi). In una reazione di fissione:
un neutrone colpisce e spacca in due parti (X e Y) l'atomo di 92U235, vengono liberati due o tre neutroni (in media sono 2,5) ed energia. Essa aumenta qualora i neutroni liberati colpiscano altri nuclei di 92U235, con la conseguente liberazione di altri neutroni che andranno a colpire altri nuclei, e così via. Ecco perché in questo caso si parla di reazione a catena. In un reattore nucleare questa reazione a catena viene controllata, in modo quindi di limitare l'energia prodotta. Nella bomba "atomica" invece la reazione a catena è incontrollata e, per tanto, abbiamo un risultato esplosivo.
L'energia liberata dalla reazione di fissione (0,9 MeV per unità di massa fissile, detta nucleone - nell'U235 ce ne sono quindi 235) è però circa 3,6 volte inferiore di quella ottenibile con la fusione (3,2 MeV per nucleone).
