REAZIONI NUCLEARI

FERRETTO MATTEOZAMAI AGOSTINO

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

REAZIONI NUCLEARI E REAZIONI CHIMICHE A CONFRONTO

• In una reazione chimica due o più atomi si combinano tra loro in rapportifissi per effetto delle interazioni tra gli elettroni atomici, mentre inuclei restano inerti. Gli elementi presenti all’inizio e alla fine dellareazione sono gli stessi, e la loro massa rimane invariata. Ciò che cambiaè solo il modo in cui sono distribuiti gli elettroni che orbitano intornoai nuclei; di conseguenza l’energia emessa in una reazione chimica èrelativamente piccola e viene misurata in elettronvolt.

• Le reazioni nucleari avvengono in modo completamente differente: sono ilrisultato di interazioni tra i nuclei degli atomi e provocano la formazionedi elementi diversi da quelli presenti all’inizio del processo. Le energiein gioco sono decisamente maggiori poiché una certa quantità di materia sitrasforma in energia secondo la celebre equazione di Einstein E = mc2. Lamassa dei prodotti della reazione non è quindi uguale alla massa deglielementi presenti inizialmente. L’unità usata per misurare l’energiaprodotta in una reazione nucleare è il MeV, pari a un milione dielettronvolt.

FUSIONE NUCLEARE

FISSIONENUCLEARE

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.

Fissione nucleareLa fissione avviene spontaneamente solo in pochi nuclei molto pesanti,chiamati per questo instabili, mentre in altri nuclei, come in quellodell’uranio, può essere innescata da collisioni con particelle subatomiche,in particolare neutroni di energia sufficientemente elevata. Poiché unareazione di fissione produce anche neutroni, questi svolgono un ruolo moltoimportante, perché urtando altri nuclei provocano nuove reazioni. Se laquantità di nuclei fissili, cioè che subiscono fissione nucleare, èsufficientemente elevata, cioè se si raggiunge la cosiddetta massa critica,si innesca una reazione a catena.

FUSIONE NUCLEARENelle 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.

triziodeuterio

LA PRODUZIONE DI ENERGIA NUCLEARE PER SCOPI PACIFICILa fissione nucleare controllata fu realizzata per la prima volta da EnricoFermi, a Chicago, nel 1942. Nella fissione controllata si impieganosostanze che assorbono i neutroni prodotti durante le reazioni in modo daregolare l’andamento della reazione a catena fino ad arrestarla. Sulprocedimento ideato da Fermi si basa il funzionamento delle attualicentrali nucleari per la produzione di energia elettrica.L’uso di reazioni di fusione per la produzione di energia elettricapresenta problemi molto più difficili da risolvere, come dimostra il fattoche non esistono ancora reattori industriali a fusione. Per fare in modo che si verifichi una reazione di fusione bisogna portare i nuclei a unatemperatura altissima, cioè riprodurre sulla Terra le condizioni presentiall’interno delle stelle.

LE ARMI NUCLEARIQUANDO 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 RISORSESCIENTIFICHE 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.

RISCHI E VANTAGGIDELL’ENERGIA NUCLEARE

PRODURRE ENERGIA UTILIZZANDO LE REAZIONI NUCLEARI PRESENTA INNEGABILI VANTAGGI. IL COMBUSTIBILE UTILIZZATO È RELATIVAMENTE ABBONDANTE E I REATTORI NUCLEARI 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.

FUNZIONAMENTO CENTRALE NUCLEARE