Qual è la differenza tra fusione nucleare e fissione?

La fusione nucleare e la fissione sono entrambi processi fisici naturali che rilasciano energia come risultato dell'interazione tra atomi. Queste energie sono una grandezza maggiore di quelle delle reazioni chimiche. Mentre la fusione e la fissione sono fenomeni naturali senza i quali la vita sulla terra non potrebbe esistere, è l'applicazione umana di queste forze che più spesso attira l'attenzione. L'uso o l'abuso dell'energia nucleare è arrivato a definire gran parte del nostro mondo moderno, creando promesse e minacce in egual misura.

Cos'è la fissione nucleare?

In parole povere, la fissione nucleare è la scissione di un atomo in due o più atomi di peso atomico inferiore. Quando la massa totale degli atomi più piccoli è inferiore a quella dell'atomo originale, la differenza di massa viene convertita in energia. Come Einstein ci ha insegnato con la sua famosa equazione E=mc2, una piccola quantità di massa si convertirà in una grande quantità di energia. Ciò è dovuto all'enorme potenziale energetico che è racchiuso in un nucleo atomico.

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Fissione nucleare in natura

La fissione nucleare avviene naturalmente tutto il tempo. Gli elementi pesanti come l'uranio e il torio subiscono continuamente una fissione lenta e spontanea che genera radioattività e calore. Questo calore riscalda la crosta e il nucleo fuso del pianeta. Il nucleo rotante genera il campo magnetico che protegge tutta la vita dalle micidiali radiazioni cosmiche e solari. Si pensa anche che il calore del decadimento radioattivo guidi la tettonica a zolle.

Fisica Atomica Antica

Nel 1913, lo scienziato danese Niels Bohr concettualizzò l'atomo come una sorta di sistema solare in miniatura, con elettroni che orbitano attorno a un nucleo in posizioni prestabilite che descrisse come gusci. Quando un elettrone si muoveva tra i gusci, la radiazione veniva emessa o assorbita. Negli anni '20 e '30 furono condotti molti esperimenti per esplorare e perfezionare ulteriormente il modello atomico.

Progetto Manhattan

Con la consapevolezza che bombardare il nucleo di un atomo pesante con particelle energetiche potrebbe iniziare una reazione a catena, la possibilità di una bomba è diventata reale. Gli Stati Uniti hanno avviato il Progetto Manhattan, culminato nel lancio della bomba atomica sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki.

Usare la fissione nucleare per generare energia

Mentre il potenziale distruttivo di una reazione di fissione era chiaro, c'erano applicazioni più promettenti per il futuro. Come fonte di energia, l'energia nucleare era milioni di volte più densa dei combustibili convenzionali. L'attenzione si è rivolta alla progettazione di reattori a fissione su scala commerciale. Il primo ad andare online fu a Shippingport, in Pennsylvania, nel 1957 e poteva generare 60MWe.

Gestione dei rifiuti nucleari

L'entusiasmo per l'energia nucleare ha visto la messa in servizio di dozzine di reattori nei decenni successivi, con un picco di 107 reattori negli Stati Uniti nel 1990. Sebbene avesse molti vantaggi, l'esperienza pratica nel funzionamento di questi impianti ha anche evidenziato gravi problemi. I sottoprodotti della fissione, in particolare i rifiuti radioattivi ad alta attività, potrebbero rimanere pericolosi per molti anni. Incidenti nucleari come quelli di Three Mile Island nel 1979 e di Chernobyl nel 1986 hanno dimostrato che anche l'ingegneria avanzata non poteva mitigare tutti i rischi connessi alla generazione di energia nucleare da fonti di fissione.

Una possibile risposta a questo problema era la fusione nucleare. In teoria, la fusione potrebbe generare quantità di energia anche maggiori della fissione senza creare rifiuti pericolosi.

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Cos'è la fusione nucleare?

La fusione nucleare è l'opposto della fissione, in quanto implica la fusione di due o più atomi insieme per formare un nuovo elemento più pesante. L'atomo appena formato conterrà una massa leggermente inferiore alla somma degli atomi che sono stati utilizzati per crearlo. La massa mancante viene convertita in energia. La produzione di energia della fusione è molte volte maggiore di quella ottenuta nel processo di fissione. Sebbene la fusione produca alcuni sottoprodotti radioattivi, sono estremamente di breve durata rispetto alla fissione.

Fusione nucleare in natura

L'esempio naturale più ovvio di fusione nucleare è il nostro Sole. L'enorme calore e la gravità al centro del Sole fanno sì che gli elementi di idrogeno si fondano insieme in una serie di interazioni complesse per formare l'elio, producendo enormi quantità di energia nel processo. Il sole sta subendo questa fusione idrogeno-elio da circa 4,5 miliardi di anni e si prevede che continuerà per almeno altri 5 miliardi prima che finisca l'idrogeno.

Sforzi per raggiungere la fusione nucleare

Raggiungere una reazione di fusione sostenibile è stato un percorso molto più difficile rispetto agli sforzi di fissione degli anni '40. Ciò è dovuto a una barriera fondamentale che gli ingegneri devono affrontare, ovvero come superare la repulsione elettrostatica tra gli atomi e costringerli a fondersi senza spendere più energia di quella guadagnata. In natura, ciò si ottiene in un regime di temperature estremamente elevate, dell'ordine di milioni di gradi. Molti decenni e miliardi di dollari sono stati spesi in tutto il mondo, e non è ancora chiaro quando, se mai, una centrale nucleare funzionante diventerà operativa.

Il futuro del nucleare

In un'era di fonti di energia a emissioni zero, l'energia nucleare potrebbe avere un ruolo da svolgere. I nuovi progetti di reattori a fissione possono rielaborare in modo efficiente i rifiuti radioattivi e utilizzarli per generare più energia. La fusione nucleare rimane tuttavia il Santo Graal della generazione di energia. Se può essere raggiunto, le nostre preoccupazioni energetiche saranno finite.