Le Reazioni Nucleari

Introduzione

Le reazioni nucleare sono di due tipi: la fusione nucleare e la fissione nucleare.

Esse sono opposte. La maggior parte della massa di un atomo è concentrata all’interno del nucleo; il nucleo è dominato dalla forza nucleare forte che serve a combattere la forza di repulsione tra i protoni. Tra il nucleo e gli elettroni invece c’è una interazione elettromagnetica originata da una carica elettrica nel nucleo e negli elettroni.

Fissione Nucleare

Non tutti i nuclei possibili sono stabili, ma molti si trasformano spontaneamente in altri nuclei: sono i nuclei radioattivi. I nuclei instabili sono tipicamente caratterizzati da: un numero troppo grande di protoni (Z > 92, nuclei pesanti); un numero troppo grande di neutroni; un numero troppo piccolo di neutroni; un’energia troppo elevata.

In natura vi sono circa 270 nuclei stabili e circa 1000 nuclei instabili, mentre artificialmente si sono prodotti, in laboratorio, circa 1500 nuclei instabili. La forza che rende stabili i nuclei è la forza nucleare forte che predomina su quella elettrostatica repulsiva tra protoni. La fissione nucleare è il processo nucleare in cui nuclei pesanti vengono divisi in nuclei più leggeri. In questo tipo di reazione la somma della massa dei nuovi nuclei costituiti ha massa minore delle massa di partenza, con conseguente liberazione di energia (cinetica dei prodotti). Quando un nucleo di materiale fissile è bombardato da un neutrone lento si “spacca” producendo due o più nuclei più piccoli. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni e decadono in una successione di decadimenti fino ad arrivare ad una configurazione stabile. Tipicamente dalla fissione vengono prodotti altri neutroni, e si può ottenere una reazione a catena. Si distinguono la fissione spontanea (per esempio decadimento α) da quella artificiale (nucleo bombardato).La fissione è usata nella totalità delle centrali nucleari non sperimentali ed è anche il meccanismo sfruttato dalle due bombe atomiche che furono sganciate dagli USA sul Giappone (per la precisione a Hiroshima fu sganciata una bomba all’uranio, a Nagasaki una al plutonio), con la differenza che in un ordigno bellico la reazione a catena è incontrollata, invece in una centrale è (o, meglio, dovrebbe essere un fenomeno controllato).

Fusione Nucleare

Una delle reazioni nucleari  è la fusione nucleare; essa è il contrario della fissione nucleare poichè la prima mira a scindere un nucleo pesante per creare energia mentre invece la seconda ha come meccanismo quello di fondere due atomi leggeri per crearne uno più pesante rilasciando molta più energia. Nella fusione nucleare si utilizzano due isotopi dell’idrogeno: il deuterio e il trizio. Il deuterio è facilmente ricavabile dall’acqua e come ben sappiano, sulla terra c’è un’ infinità di acqua. Il trizio invece è un isotopo instabile che decade e quindi non è facilmente trovabile in natura. Un sostituto del trizio potrebbe essere l’elio³, un isotopo dell’elio che non è facilmente provabile in natura ma dovrebbe essere presente in grandi quantità sulla Luna dove è stato depositato dal vento solare nel corso di miliardi di anni. Questo aumenta la possibilità della creazione di una stazione di estrazione mineraria sulla Luna.

La fusione è il processo nucleare consistente nell’unione di due nuclei leggeri in uno più pesante.In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito ha massa totale minore della somma delle masse reagenti, con conseguente liberazione di energia (cinetica dei prodotti). La differenza di massa è molto piccola però, secondo la formula E=mc² noi sappiamo che anche un piccolissima quantità di massa equivale ad una grande quantità di energia. Affinché avvenga una fusione tra due nuclei, questi devono essere sufficientemente vicini in modo da lasciare che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva quindi si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell’ordine di qualche femtometro (10⁻¹⁵ m). L’energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita alle particelle portandole in condizioni di altissima pressione (altissima temperatura e/o altissima densità).

Il processo di fusione è il meccanismo che alimenta le stelle, dove si generano tutti gli elementi che costituiscono l’universo, dall’elio fino all’uranio La fusione è stata riprodotta dall’uomo con la realizzazione della bomba H. Studi sono in corso per riprodurre a fini energetici fenomeni di fusione nucleare controllata in reattori nucleari a fusione.

 

Lavoro a cura di: Nicola Cavallo

 

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