L’uso dell’energia nucleare suscita passioni pro e contro. Scommesse ferme sulla fusione, che insieme alle rinnovabili potrebbe essere la fonte energetica del futuro, e aspre polemiche sulla fissione che, insieme alle rinnovabili, è la fonte energetica del presente. Fusione e fissione hanno un cuore comune: il nucleo degli atomi.
Mancano decenni all’energia ottenuta dalla fusione per entrare nelle nostre case, mentre le attuali centrali nucleari funzionano esclusivamente per fissione.
Ma cosa sono la fusione e la fissione? Quali sono i suoi fondamenti? Perché ne desideriamo uno mentre teniamo sopra l’altro la spada di Damocle?
Il cuore condiviso da entrambi è una fisica di energie e masse che sembrano volatilizzarsi. Questo paradosso si spiega con due calamite che si respingono, e un pomeriggio di shopping dal fruttivendolo di quartiere.
Gioco testardo, dilemma dei geni
Tutti abbiamo cercato invano di unire due calamite con poli dello stesso segno. Ma, se non riusciamo a unire i poli positivi di due rudimentali magneti da frigo, come è possibile che cariche positive pure come i protoni formino nuclei atomici senza respingersi?
L’esistenza di nuclei formati solo da cariche positive unite era così impensabile che i fisici all’inizio del XX secolo (non meno di Einstein, Marie Curie, Bohr, Rutherford e molti altri) arrivarono a pensare che il nucleo contenesse anche elettroni (carica negativa) che compensava la repulsione tra i protoni. Questa ipotesi portava seri problemi, ma sembrava meno folle di quella di un nucleo formato da palline positive che si attraevano.
Un ospite misterioso
Subito dopo fu confermato che i partner dei protoni nel nucleo non erano elettroni ma neutroni (privi di carica elettrica). Le cose si sono complicate fino a quando, con sollievo di tutti, è apparso un ospite inatteso: l’interazione nucleare forte. Questa interazione è una forza attrattiva che agisce su distanze estremamente ridotte e tiene insieme protoni e neutroni (chiamati genericamente nucleoni) nei nuclei. È così forte che domina la già forte forza repulsiva tra i protoni.
Così, all’interno di ogni nucleo troviamo un gigante che ne annulla un altro.
Non riceviamo i conti
Se scendiamo a fare la spesa e compriamo dieci arance da 200 grammi l’una, il peso indicherà una massa totale di 2.000 grammi. Inoltre, se il fruttivendolo li mette in un sacchetto e li compatta sotto pressione, la massa dell’insieme è sempre di 2.000 grammi. Ma questo ovvio risultato con arance, pere e angurie non regge nei nuclei atomici.
In una ipotetica protonia, se acquistiamo sei protoni e sei neutroni per costruire un nucleo di carbonio, la situazione è diversa. I libri dicono che le loro masse si sommano a 12,0096 unità di massa atomica (u), un multiplo molto piccolo del chilogrammo. Tuttavia, quando il nostro fidato protone va nella stanza sul retro e assembla il nucleo, uscirà con un ammasso di massa di 12,0000 u, che è 0,0096 u in meno di quanto dovrebbe. Un 1,6 con 28 zeri davanti se lo esprimiamo in chili.
L’energia che non si perde
Questo fatto è universale: la massa dei nuclei è inferiore a quella dei loro componenti separati. La differenza tra i due è chiamata difetto di massa. Ma a cosa è dovuta questa perdita? È uguale per tutti gli elementi? Il protone ci sta ingannando?
Ovviamente no. Succede che, superata la repulsione elettrica, l’interazione nucleare forte attrae alcuni nucleoni ed essi cadono, rimanendo uniti in un nucleo, si sprigiona energia.
Ciò non sorprende: quando la fruttiera fa cadere un’arancia a causa di un’altra forza attrattiva come la gravità, l’energia viene rilasciata anche sotto forma di calore e rumore quando colpisce il suolo.
Poiché i nuclei di diversi elementi hanno diverse dimensioni e numero di nucleoni, l’energia che lega ciascuno con il resto varia a seconda dell’elemento. Quindi, abbiamo bisogno di più energia per rimuovere un protone da un nucleo di ferro che da uno di uranio, motivo per cui il primo è molto più stabile del secondo.
Ora, secondo la famosa equazione di Einstein, E=mc2, massa ed energia sono la stessa cosa. Ciò significa che il rilascio di energia si traduce anche in una diminuzione della massa, come abbiamo visto acquistando il nucleo di carbonio nel protone.
Questa equazione, che ha venduto più magliette di alcune stelle del calcio, dice molte altre cose ed è stata concepita in un contesto diverso rispetto all’energia nucleare, ma questa è un’altra storia.
Mistero risolto: il protone non ci ha ingannato nel rimpianto. In realtà, l’energia-massa mancante è stata rilasciata unendo i nucleoni.
Alla centrale nucleare: la chiave della fissione
Nelle centrali nucleari rompono (fissione) i nuclei di uranio o plutonio lanciando contro di essi neutroni e possono verificarsi varie reazioni. In uno di essi viene prodotto un nucleo di bario, un altro di krypton, 3 neutroni e radiazione elettromagnetica.
Il difetto di massa del processo è negativo e l’energia viene rilasciata sotto forma di movimento dei prodotti e radiazione. Questa energia viene utilizzata per riscaldare l’acqua, farla evaporare e muovere una turbina che produce corrente elettrica.
In altre parole, l’energia indissolubilmente legata al difetto di massa di diversi nuclei in rottura viene imbrigliata per produrre energia termica ed elettrica. Questo è il principio di funzionamento delle centrali nucleari. Ne più ne meno.
Fissione o fusione? La differenza oltre una lettera
Il difetto di massa di nuclei grandi e instabili implica un rilascio di energia quando si rompono, un processo noto come fissione nucleare. Su di esso si basano le centrali nucleari.
Ma possiamo anche ottenere energia se invece di romperli, uniamo piccoli nuclei come quelli dell’idrogeno. Questo processo, chiamato fusione nucleare, dovrebbe fornirci energia da elementi abbondanti, facilmente ottenibili e con residui praticamente innocui.
Il problema della fusione sta nella straordinaria complessità tecnica per controllarla, poiché richiede reattori in grado di raggiungere temperature dell’ordine di 100 milioni di gradi centigradi e sopportare livelli di radiazione elevatissimi. Oggi irrealizzabile.
Come dati illustrativi, la fusione e la fissione furono descritte negli anni ’30 del secolo scorso. In meno di 10 anni è stato possibile controllare la fissione in un reattore, e prima dei 20 è stata utilizzata nella prima centrale nucleare. D’altra parte, 100 anni dopo il primo impianto a fusione non funzionerà ancora.
Un pomeriggio di shopping può illustrare cosa c’è dietro la fissione e la fusione, la loro relazione nel cuore dei nuclei atomici. Presente e futuro in un cambio di lettere.
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