Fusione e Fissione

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Ogni tanto trovo qualcuno che confonde  queste due parole alquanto simili, forse perché entrambe hanno a che fare con grandi quantità di energia ed entrambe possono essere usate per fabbricare bombe.

E’ un errore scusabile?

Questo documento ha un obiettivodi mera divulgazione: sono state fatte molto approssimazioni e esemplificazioni per renderlo comprensibile, conservadone la base scientifica.

Spero di aver messo in pratica la massima del prof. Feynman: “Se non riusciamo a spiegarlo a una matricola, significa che non l’abbiamo veramente capito”

Esprimendoli il più semplicemente possibile, i due principi di funzionamento sono questi:

  • FISSIONE: la divisione di una atomo grande in due atomi più piccoli. rilasciando energia
  • FUSIONE: l’unione di due piccoli atomi per formarne uno più grande, rilasciando energia

Esaminiamoli uno alla volta.

Fissione

Nella fissione lanciamo ad velocità alta-ma-non-troppo dei neutroni verso un nucleo pesante, ad esempio Uranio-235; i neutroni – con il loro carico di energia cinetica – atterrano su un nucleo semisolido di Uranio già piuttosto tremolante, transformandolo brevemente nell’ancor più instabile Uranio-236 che si mette ad oscillare assumendo una forma bilobata; quando i due lobi raggiungono una distanza superiore alla distanza efficace della forza Nucleare (di cui parleremo dopo) si dividono in (di solito) due nuclei più leggeri, sparando fuori altri neutroni e un po’ di energia sotto forma di raggi gamma (*); i neutroni liberi colpiscono altri nuclei di U-235 ed il processo si ripete, dando vita alla cosiddetta “reazione a catena”.

Per immaginare questa situazione, considerate un elastico tenuto teso da una molletta. Applicando una piccola quantità di energia alla molletta (il neutrone), l’elastico viene liberato e riacquista la sua forma naturale, rilasciando una grande  quantità di energia elastica.

Questa reazione a catena diverge rapidamente: in una bomba A (come quella di Hiroshima) in modo esplosivo, mentre in un reattore nucleare viene inserito un “moderatore”, cioè una sostanza che assorbe una parte dei neutroni liberi rallentando la reazione per renderla controllabile.

In linea di principio potremmo dividere qualsiasi nucleo, ma in pratica l’energia liberata è maggiore di quella applicata solo per quelli più pesanti e questa differenza cresce col peso, al punto che la maggior parte degli elementi trans-uranici decadono radioattivamente in modo naturale in frazioni di secondo. L’Uranio è il più pesante nucleo che esista stabilmente in Natura (**).

Fusione

Il processo di fusione è l’esatto opposto: mettiamo due elementi leggeri l’uno vicino all’altro fino a farli cadere nel pozzo energetico della forza Nucleare, per comprendere il quale è necessaria una breve digressione sulla struttura interna dell’atomo.

Sappiamo dalla fisica elementare che l’atomo è fatto da un nucleo di protoni e neutroni con una nuvola di elettroni che gli gira attorno. Per avere un’idea delle dimensioni, se il nucleo fosse largo 1 metro, gli elettroni sarebbero a 100 km di distanza. I protoni hannn carica positiva, i neutroni non ne hanno nessuna e gli elettroni hanno carica negativa; dal momento che cariche opposte si attraggono, come mai gli elettroni non cadono sul nucleo?

Prendiamo due magneti: lasciati liberi, il polo positivo dell’uno si attaccherà al polo negativo dell’altro. Ora colleghiamoli con uno spago e facciamone muovere uno: a causa dello spago, esso non può che muoversi intorno all’altro e se la sua velocità è sufficiente, la sua inerzia impedirà che cada su quello che resta fermo. L’equilibrio tra inerzia ed attrazione elttrostatica rende l’atomo quello che è.

Ma il nucleo, invece? Tutte le particelle che contiene hanno carica positiva o nulla, non dovrebbero respingersi?

In effetti lo farebbero, se non fosse per un’altra strana forza chiamata forza Nucleare; le forze che sperimentiamo fisicamente sono quella elettromagnetica (attrattiva o repulsiva a secondo della carica) o la gravità (sempre attrattiva) ed entrambe diminuiscono col quadrato della distanza. La forza Nucleare invece è trascurabile a distanze superiori al diametro di un nucleo, fortemente attrattiva a quella distanza per poi diventare repulsiva a distanze ancora minori! (***).

Come risultato, i protoni ed i neutroni vengono tenuti insieme nel nucleo, ma non possono comprimersi di più.

Dunque, quando spingiamo due piccoli nuclei sempre più vicini, è come se spingessimo due palline da golf oltre il ciglio di una buca: ad un certo punto supereranno il ciglio e precipiteranno l’una contro l’altra in fondo alla buca.

L’energia necessaria per la spintarella è minore dell’energia rilasciata nello scontro fino al nucleo di Ferro-26 dopodiché diventa maggiore; anche se l’abbiamo chiamata “spintarella” però si tratta di una quantità energia molto grande: in pratica i nuclei devono avere un’altissima velocità, cioè trovarsi alla temperatura di almeno 100M °K (sei volte la temperatura al centro del Sole)(****).

Confinare un plasma a 100 milioni di gradi non è uno scherzo e richiede energie enormi: fino a che queste energie non sono molto inferiori alle energie rilasciate, nessun reattore a fusione serve a nulla e la ricerca si concentra su tecniche di confinamento che adottano soluzioni molto diverse.

Conclusione

Fissione e fusione liberano l’energia di legame dei nuclei atomici: questa energia è massima per il nucleo di Ferro-26, dunque si ottiene energia dividendo i nuclei più pesanti del Fe-26 e mettendo insieme quelli più leggeri. Naturalmente il rilascio è massimo agli estremi:

binding energy

La Natura preferisce la fusione perché l’idrogeno è più abbondante di qualsiasi altro elemento e la sua densità energetica è un po’ maggiore, soddisfancendo meglio la fame insaziabile di entropia dell’Universo: da un punto di vista umano, la fissione è più facile da ottenere, il suo combustibile è più scarso (anche se comunque abbondantissimo) ed i suoi sottoprodotti più inquinanti.

D’altra parte la fusione è più difficile da controllare, ma usa un carburante disponibile in quantità quasi illimitata ed i suoi sotto-prodotti sono meno pericolosi.

Fissione e fusione hanno densità energetiche simili: 1 kg di combustibile rilascia rispettivamente 20,000 e 24,000 MWh di energia, confrontato con i miseri 14-15 kWh ottenuti bruciando 1 kg di qualsiasi combustibile fossile.

Possiamo concludere che, se anche i processi ed i materiali sono molto diversi, il principio fisico è molto simile.


NOTE

(*) in questa descrizione semplificata non teniamo conto di neutrini e anti-neutrini

(**) in effetti il Torio-232 andrebbe anche meglio, ma dato che i suoi sottoprodotti non hanno applicazioni militari, negli anni ’40 gli fu preferito l’Uranio

(***) la forza Nucleare NON È una delle quattro forze fondamentali esistenti in Natura, ma piuttosto un complicatissimo effetto collaterale della loro azione

(****) il Sole riesce a cavarsela con una temperatura minore perché si aiuta con l’enorme pressione gravitazionale dovuta alla sua massa


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