L’interesse verso lo studio dell’atomo ha origini antiche. Democrito, già nel lontano 450/420 a.C., ipotizzò la teoria dell’atomismo secondo cui tutta la realtà è costituita da atomi (particelle elementari e indivisibili) che si muovono incessantemente nel vuoto. Altri studiosi si appassionarono all’argomento, tra cui: Epicuro, Giordano Bruno e lo stesso Galileo Galilei, ma fu il 1808 l’anno di svolta. La prima teoria sperimentale sulla natura dell’atomo fu realizzata da John Dalton nei primi anni del 1800, nota come Teoria di Dalton, secondo cui la materia è formata da particelle piccolissime, indivisibili, chiamate atomi. La stessa parola atomo (dal greco ἄτομος) vuol dire “non divisibile”, ma in verità non è corretto: il nucleo (in determinate condizioni) può scindersi generando sottoprodotti e un’enorme quantità di energia. Tutto ciò sta alla base del concetto di fissione nucleare.
La fissione nucleare è il processo per cui un nucleo pesante, dopo aver catturato un neutrone, diventa instabile e si scinde in due nuclei più leggeri. Una volta conclusa la reazione, si nota ,comunque, che la somma delle masse dei nuclei più leggeri è inferiore alla massa del nucleo pesante originario e non la stessa, come intuitivamente si potrebbe immaginare. La massa è sparita? Oppure si è trasformata in qualcosa d’altro?
Gli isotopi
Per comprendere la successiva trattazione è doveroso fare un richiamo sulla struttura atomica e su alcune sue definizioni. Gli elementi chimici si differenziano tra loro per via del diverso numero di protoni presenti all’interno del nucleo. Si definisce protone una particella elementare di carica positiva che insieme al neutrone (privo di carica) forma il nucleo di un atomo, mentre ad orbitare attorno ad esso è presente l’elettrone, anch’esso una particella elementare ma di carica negativa. Gli atomi, caratterizzati da un determinato numero di protoni, possono, invece, avere diverse quantità di neutroni. Questa elasticità nel numero di neutroni presenti in un elemento chimico dà origine ai cosiddetti isotopi. Facendo un esempio, l’Idrogeno possiede tre isotopi: Prozio, Deuterio e Trizio. Hanno tutti un solo protone, ma si differenziano tra loro per via del diverso numero di neutroni: zero per il Prozio, uno per il Deuterio, infine, due per il Trizio.
Nuclei leggeri VS nuclei pesanti
Si è già citato il concetto di nucleo pesante e leggero, ma non si è ancora discusso della differenza presente tra i due in campo energetico. Il sottostante grafico mostra la famosa relazione presente tra l’energia di legame nucleare per nucleone (in ordinata) e il numero di nucleoni in un nucleo (in ascissa). Per nucleone si definisce la particella elementare costituente il nucleo atomico, ossia il neutrone e il protone.
Sul lato sinistro della curva sono presenti gli atomi con nuclei leggeri (come l’Idrogeno H e il Litio Li), mentre sulla destra quelli pesanti (come l’Uranio U). È chiaro che l’energia di legame aumenta rapidamente dai nuclei più leggeri fino ad arrivare ad un picco in prossimità del Ferro (Fe) per poi diminuire lentamente fino all’Uranio. Per avere un guadagno di energia è, dunque, necessario che nuclei leggeri si fondano tra loro, dando luogo al processo di fusione, mentre nuclei più pesanti si rompano, dando luogo alla fissione.
La reazione di fissione
L’Uranio-235 è l’isotopo più pesante presente in natura. Quando si scontra con un neutrone si trasforma in Uranio-236, ed essendo incredibilmente instabile, una volta formato, si scinde, dando origine ad atomi più leggeri e neutroni liberi (veloci). Di seguito è riportato un esempio di reazione nucleare in cui i due atomi leggeri formati sono rispettivamente il Rubidio e il Cesio.
\[ ^{235}U + n \rightarrow ^{93}Rb + ^{141}Cs + 2n \]
Questo processo è proprio la fissione nucleare. I neutroni definiti veloci sono quelli emessi all’istante della reazione e possiedono una energia intorno ai 2 MeV.
Non abbiamo ancora risposto alla nostra domanda: la somma delle masse dei nuclei leggeri è inferiore alla massa del nucleo originario. Dato che in natura “nulla si crea, nulla si distrugge, ma tutto si trasforma” (come afferma Lavoisier), la massa mancante si sarà certamente trasformata in qualcos’altro: nel nostro caso in un’enorme quantità di energia. Per chi si stesse chiedendo com’è possibile che la massa possa essersi trasformata in energia, sono certa che almeno una volta nella vita avrete visto la famosa equazione di Einstein che lega in un rapporto di diretta proporzionalità l’energia e la massa. Ciò implica che energia e massa sono equivalenti a meno del quadrato di una costante (nel nostro caso la velocità della luce).
\[ E = m c^{2} \]
Parliamo di difetto di massa, definito come la perdita di massa dei nucleoni quando sono aggregati nel nucleo atomico. Riassumendo, quindi, si osserva che la somma delle masse dei nucleoni è maggiore della massa del nucleo atomico, questo perché quando formano un nucleo atomico una parte della loro massa si trasforma in energia.
La reazione a catena
La reazione di fissione si presta molto bene ad un funzionamento a catena: i neutroni prodotti nella fissione possono essere assorbiti da altri nuclidi fissili determinando altre fissioni e così via. Una reazione è detta critica quando si autosostiene, ovvero il numero dei neutroni si mantiene invariato nel tempo (i reattori sono controllati per funzionare in questo stato), sovracritica quando il numero di neutroni aumenta nel tempo (impiegata per la realizzazione di armi nucleari) e sottocritica quando diminuisce (usata per lo spegnimento dei reattori).
La fertilizzazione
Un elemento si definisce fissile quando sviluppa una reazione a catena con neutroni lenti (aventi dunque energia cinetica pari a 0.025 eV). Oltre l’Uranio-235 un altro atomo facilmente fissile è il Plutonio-239. Quest’ultimo però non esiste in natura, ma può essere prodotto dalla cattura di un neutrone da parte del non fissionabile Uranio-238 (altro isotopo dell’uranio). Quest’ultimo è detto fertile poiché è un isotopo che può trasformarsi in fissile a seguito di un assorbimento neutronico.
In natura è presente molto più Uranio-238 rispetto che Uranio-235, rispettivamente con un’abbondanza del 99,3 % e dello 0,7 %. Dunque, attraverso la fertilizzazione è possibile utilizzare la quasi totalità dell’Uranio estratto per la produzione di energia.
L’energia nucleare rappresenta un grande traguardo non solo ingegneristico, ma umano. Sono innumerevoli i progressi che ha lasciato dietro di sé, e ad oggi sfide sempre più grandi si prospettano all’orizzonte.
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