Oggi parlerò di fisica nucleare, nei mesi capirete il senso di questa mia scelta, fissione vs fusione nucleare.
Che differenza c’è? Non tutti hanno studiato fisica all’università quindi vorrei provare a spiegare con parole semplici un concetto complesso.
In questo articolo non parlerò della differenza dei diversi impatti: ambientale, economico e tecnologico, sono consapevole che negli ultimi anni è stata fatta una vera battaglia contro l’energia atomica dovuta a fattori d’inquinamento e catastrofi come in Giappone (Fukushima), parlerò semplicemente della differenza sottolineando i fenomeni fisici che ci sono tra fissione e fusione nucleare facendo alcuni esempi.
Quando leggo e ascolto alla televisione che si produce dell’energia credo che sia un termine scorretto, un insegnante all’università dovrebbe parlare di estrazione dell’energia per fare un esempio immaginiamo una centrale idroelettrica situata a livello di una diga, l’acqua scorre dall’alto verso il basso, nel mentre facciamo girare una turbina e si produce dell’energia.
Facendo questo non abbiamo prodotto dell’energia ma abbiamo (recuperato) estratto l’energia che era nell’acqua siccome aveva una posizione elevata, in fisica questo fenomeno si chiama energia potenziale in pratica l’acqua è passata da uno stato di energia elevato a uno stato di energia più debole e noi abbiamo recuperato la differenza.
Per fare la fissione nucleare abbiamo bisogno di un grosso atomo il quale va rotto in due parti, un atomo sono degli elettroni che girano intorno a un nucleo, questo nucleo è composto da protoni e neutroni, il numero di protoni determina la natura dell’atomo ovvero la posizione nella tabella di Mendeleiev, quindi se noi facciamo la somma dei protoni più elettroni abbiamo la massa atomica del nucleo che sarà il numero che piazziamo dopo il nome dell’atomo.
Ritornando alla fissione ho scritto che abbiamo bisogno di un grande atomo, faccio l’esempio di un atomo di uranio 235, possiamo romperlo per ottenere un atomo di Bario 140 e Krypton 93 questo fa che l’energia contenuta nel nucleo d’uranio è più elevata di quella contenuta nei nuclei di bario e krypton messi insieme.
A causa di questa differenza d’energia la reazione della fissione produce del calore che possiamo recuperare per esempio per fare dell’elettricità, un elemento molto importante da sottolineare è che queste reazioni non si producono da sole ma bisogna provare la fissione facendo assorbire a l’atomo d’uranio un neutrone, quello che la fissione farà è che anche lei emetterà dei neutroni, 3 per la precisione che andranno a colpire a altri nuclei e provocare altre fissioni.
Questo è chiamato il fenomeno a catena, se questi neutroni non fossero emessi la reazione non potrebbe auto-mantenersi, non tutti i nuclei possono creare la fissione nucleare ma i candidati con le migliori caratteristiche sono il plutonio 239 e uranio 235, il 235 lo troviamo in natura anche se abbastanza raro, la maggior parte dell’uranio naturale è 238 che non ha buone proprietà, per questo motivo dobbiamo centrifugare l’uranio e arricchirlo in uranio 235, il plutonio 239 non esiste allo stato naturale ma è possibile produrlo a partire dall’uranio 238 “sparandogli” dei neutroni.
Adesso parlerò della fusione che semplicemente è il principio inverso della fissione, prendiamo per esempio due atomi d’idrogeno e li fondiamo per esempio per ottenere dell’elio, questa reazione perché funzioni deve passare per delle varianti d’idrogeno che si chiama deuterio che ha un neutrone in più del suo protone e il tritio che ha due neutroni, nei reattori a fusione la reazione che si prova a fare è quella lì.
Questa reazione a fusione che libera dell’energia perché contrariamente a quello che avevamo con l’uranio l’energia dei due atomi d’idrogeno è più elevata dell’energia dell’atomo di elio e questo permette di recuperare la differenza.
Al fine di scatenare il processo di reazione della fusione bisogna prima di tutto accendere iniettando dell’energia, potrà sembrare strana questa parola per poi in seguito produrla ma è esattamente il principio della barriera energetica.
La barriera energetica è esattamente quello che succederebbe con una diga idroelettrica dove l’acqua di base sarebbe contenuta in un piccolo lago situato in altitudine, bisognerebbe successivamente spendere un po’ di energia per fare uscire l’acqua dal bacino prima di recuperare più energia di quella che avevamo all’inizio, questo dovuto alla sua discesa nella valle.
Ritorno un po’ indietro, come è possibile che quando prendiamo dell’uranio c’è più energia in un atomo che in due ma con l’idrogeno e l’elio c’è più energia dentro i due atomi che in uno solo?
La ragione per cui gli atomi che hanno meno energia, gli atomi i più stabili sono quegli atomi di taglia media. Per dovere di informazione il ferro è l’atomo più stabile non può né fare la fusione né la fissione.
Un altro fenomeno legato ai precedenti ma con diverse caratteristiche è la radioattività, la radioattività possiamo paragonarla alla fissione ma è una forma di fissione dove il nucleo perderebbe unicamente solo un piccolo pezzo. La maggior parte degli atomi possono esistere sotto diverse forme più o meno abbondanti, per esempio il carbonio che ha 6 protoni, esiste il carbonio 12 che ha 6 neutroni in più, il carbonio 13 che ne ha 7 e il carbonio 14 che ne ha 8.
Quando noi diamo il numero dopo il nome dell’elemento questo designa la somma dei protoni più i neutroni, come nel caso della fusione la trasformazione non è spontanea (esempio carbonio 14) c’è una piccola barriera energetica da passare al fine che si produca (dovrebbe esserci un qualcosa che giochi il ruolo del fiammifero). In natura è difficile trovare un fiammifero che permetta di saltare questa barriera energetica ma c’è qualcosa da considerare è l’effetto tunnel (meccanica quantistica) dove ogni tanto alcune particelle possono saltare delle barriere energetiche ed è questo fenomeno a provocare la disintegrazione del carbonio 14 e degli altri elementi radioattivi.
Molto importante più la barriera è alta più l’effetto tunnel è improbabile e questo spiega che gli elementi radioattivi hanno tutti una durata di vita diversa, nello specifico sono più alti quando la barriera è alta e più corti quando la barriera è più debole.
Sarà la fusione nucleare la salvezza del mondo?
