reazione nucleare
reazione nucleare
Produrre energia trasformando gli atomi
Nelle reazioni che coinvolgono i nuclei degli atomi si formano – differentemente dalle reazioni chimiche – elementi diversi da quelli inizialmente presenti e viene liberata energia in grande quantità. L’esistenza di tutte le forme di vita che osserviamo sulla Terra è possibile grazie all’energia che riceviamo dal Sole e che viene prodotta in un ciclo di reazioni nucleari. I due tipi fondamentali di reazioni nucleari sono la fusione e la fissione, che avvengono spontaneamente in natura, ma che possono essere indotte anche dall’uomo per scopi pacifici (produzione di energia) e militari (armi nucleari)
Reazioni nucleari e reazioni chimiche a confronto
In una reazione chimica due o più atomi si combinano tra loro in rapporti fissi per effetto delle interazioni tra gli elettroni atomici, mentre i nuclei restano inerti. Gli elementi presenti all’inizio e alla fine della reazione sono gli stessi, e la loro massa rimane invariata. Ciò che cambia è solo il modo in cui sono distribuiti gli elettroni che orbitano intorno ai nuclei; di conseguenza l’energia emessa in una reazione chimica è relativamente piccola e viene misurata in eV, cioè in elettronvolt (l’elettronvolt è pari a circa un decimo di miliardesimo di miliardesimo di joule, l’unità di misura dell’energia adottata nel Sistema internazionale).
Le reazioni nucleari avvengono in modo completamente differente: sono il risultato di interazioni tra i nuclei degli atomi e provocano la formazione di elementi diversi da quelli presenti all’inizio del processo. Le energie in gioco sono decisamente maggiori poiché una certa quantità di materia si trasforma in energia secondo la celebre equazione di Einstein E = mc2. La massa dei prodotti della reazione non è quindi uguale alla massa degli elementi presenti inizialmente. L’unità usata per misurare l’energia prodotta in una reazione nucleare è il MeV, pari a un milione di elettronvolt.
Fusione e fissione
Esistono due diversi tipi di reazione nucleare: la fusione, in cui due nuclei si uniscono per formarne uno più pesante, e la fissione, in cui un nucleo si divide in due nuclei più leggeri e contemporaneamente emette un certo numero di neutroni.
La fissione avviene spontaneamente solo in pochi nuclei molto pesanti, chiamati per questo instabili, mentre in altri nuclei, come in quello dell’uranio, può essere innescata da collisioni con particelle subatomiche, in particolare neutroni di energia sufficientemente elevata. Poiché una reazione di fissione produce anche neutroni, questi svolgono un ruolo molto importante, perché urtando altri nuclei provocano nuove reazioni. Se la quantità di nuclei fissili, cioè che subiscono fissione nucleare, è sufficientemente elevata, cioè se si raggiunge la cosiddetta massa critica, si innesca una reazione a catena.
Nelle reazioni di fusione, invece, è necessario che due nuclei si portino a distanza molto piccola, in modo che le forze nucleari, sia deboli sia forti (forze fondamentali) possano esercitare la loro azione. Queste condizioni, molto difficili da ottenere sulla Terra, si raggiungono invece all’interno delle stelle simili al nostro Sole, dove la temperatura è di circa 16 milioni di gradi centigradi. A queste temperature la materia si trova in uno stato diverso da quelli che ci sono familiari (solido, liquido e gassoso); si tratta dello stato di plasma in cui i nuclei e gli elettroni si muovono indipendentemente gli uni dagli altri come le particelle di un gas. Grazie all’altissima temperatura, l’energia cinetica dei nuclei è sufficiente a vincere la forza repulsiva elettromagnetica, e si innescano le reazioni di fusione.
La formazione degli elementi
Subito dopo il big bang, l’unico elemento presente nell’Universo era l’idrogeno; la comparsa di tutti gli altri elementi è il risultato di una serie di reazioni di fusione.
Quando due nuclei di idrogeno (cioè due protoni) collidono con energia sufficientemente elevata, uno di essi si trasforma in un neutrone per effetto della forza nucleare debole. Si forma così il nucleo del deuterio, contenente un protone e un neutrone, che può a sua volta assorbire un protone. La fusione di due nuclei ottenuti attraverso questo processo porta alla formazione dell’elio, il cui nucleo contiene due protoni e due neutroni, accompagnata dall’emissione di due protoni.
L’analisi della composizione chimica dell’Universo mostra che idrogeno ed elio sono di gran lunga gli elementi più abbondanti. Tutti gli altri elementi vengono prodotti da reazioni nucleari di fusione che avvengono all’interno delle stelle e portano alla comparsa di nuclei sempre più pesanti, fino ad arrivare al ferro, il cui isotopo più abbondante è composto da 26 protoni e 30 neutroni. La formazione degli elementi più pesanti del ferro avviene quando una stella, arrivata al termine della sua evoluzione, diventa una supernova ed esplode proiettando nello spazio circostante i nuclei presenti al suo interno.
Le armi nucleari
Quando si capì che in una reazione nucleare viene liberata un’enorme quantità di energia, cominciarono i tentativi di utilizzare questa scoperta per la costruzione di nuove armi (armi atomiche e nucleari) dagli effetti devastanti. Einstein, la cui equazione dimostra la possibilità di trasformare la massa in energia, si rese subito conto delle possibili applicazioni militari e manifestò la sua preoccupazione in una famosa lettera al presidente degli Stati Uniti, Franklin Delano Roosevelt, scritta alla vigilia della Seconda guerra mondiale, nel 1939.
Per la realizzazione della prima bomba nucleare, basata sull’uso della fissione, il governo degli Stati Uniti mobilitò tutte le risorse scientifiche e industriali disponibili nel cosiddetto progetto Manhattan, diretto dal fisico Robert Oppenheimer. Il risultato di questo sforzo furono le bombe che nel 1945 distrussero le città di Hiroshima e Nagasaki, in Giappone, facendo oltre trecentomila vittime. Pochi anni più tardi, nel 1952, fu fatta esplodere (stavolta fortunatamente non su una città) la prima bomba H, in cui la fusione di due nuclei di idrogeno libera una quantità di energia di gran lunga superiore a quella prodotta dalle bombe a fissione.
La produzione di energia nucleare per scopi pacifici
La ricerca condotta sulle applicazioni militari delle reazioni nucleari ha avuto una ricaduta immediata nel campo della produzione di energia per uso civile.
La fissione nucleare controllata fu realizzata per la prima volta da Enrico Fermi, a Chicago, nel 1942. Nella fissione controllata si impiegano sostanze che assorbono i neutroni prodotti durante le reazioni in modo da regolare l’andamento della reazione a catena fino ad arrestarla. Sul procedimento ideato da Fermi si basa il funzionamento delle attuali centrali nucleari per la produzione di energia elettrica.
L’uso di reazioni di fusione per la produzione di energia elettrica presenta problemi molto più difficili da risolvere, come dimostra il fatto che, a più di mezzo secolo dall’esplosione della prima bomba H, non esistono ancora reattori industriali a fusione. Per fare in modo che si verifichi una reazione di fusione bisogna portare i nuclei a una temperatura altissima, cioè riprodurre sulla Terra le condizioni presenti all’interno delle stelle.
Nella bomba H l’innesco della reazione si ottiene facendo esplodere una bomba nucleare a fissione, ma questa soluzione non è certamente utilizzabile in un reattore per usi civili!
Rischi e vantaggi dell’energia nucleare
Produrre energia utilizzando le reazioni nucleari presenta innegabili vantaggi. Il combustibile utilizzato è relativamente abbondante e i reattori nucleari, a differenza delle centrali termiche che bruciano combustibili fossili (petrolio, carbone o metano), non rilasciano nell’atmosfera terrestre sostanze che contribuiscono all’aumento dell’effetto serra.
Purtroppo, però, a questi aspetti positivi si accompagnano i gravi problemi connessi con il rischio di incidenti nelle centrali nucleari e con lo smaltimento dei prodotti radioattivi delle reazioni, le cosiddette scorie nucleari, che mantengono un elevato grado di radioattività anche a distanza di molti secoli.
Per questi problemi, la costruzione dei reattori a fissione, analoghi a quelli attualmente in funzione, ha quasi sempre incontrato una forte opposizione da parte delle popolazioni interessate.
L’incidente verificatosi nel 1986 nella centrale nucleare di Černobyl’, in Ucraina, ha dimostrato che la combinazione di guasti tecnici ed errori di valutazione può provocare la perdita di molte vite umane e danni sociali ed economici enormi. Lo sviluppo di reattori a fissione sempre più sicuri sta dando risultati incoraggianti, ma la soluzione del problema dei rifiuti nucleari verrà probabilmente soltanto dalla realizzazione della fusione nucleare controllata.