Cos’è e come funziona?

Quando si accenna ad energia nucleare, si fa riferimento all’energia che viene rilasciata durante una reazione nucleare esoenergetica. A differenza delle reazioni chimiche, questo tipo di reazioni nucleari sono caratterizzate da uno scambio di energia che misura alcuni milioni di elettronvolt, in considerazione del fatto che i legami sono dovuti alle forze nucleari nei pressi del nucleo, che sono molto più intense di quelle elettriche. Facendo riferimento al principio di conservazione di massa-energia, teorizzato da Albert Einstein nel 1905, risulta chiaro che, nel momento in cui si registra una liberazione di energia durante il processo di una reazione nucleare, verrà registrata una diminuzione della massa dei nuclei stessi; questo significa che la massa totale dei nuclei dei prodotti sarà minore della massa totale dei nuclei dei reagenti. 

Le reazioni nucleari esoenergetiche che sono sottoposte a maggior studi sono di due tipologie: reazioni di fusione e di fissione. 

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La fissione nucleare fu scoperta a seguito degli studi compiuti nel 1939 dai chimici Hahn e Strassmann, i quali si accorsero che un nucleo di uranio è in grado di catturare un neutrone e spezzarsi in due nuclei più piccoli. Questo tipo di reazione, quando innescata volontariamente dall’uomo per l’impiego nelle centrali o nelle armi, parte da uno specifico isotopo dell’uranio, l’uranio-235. Questo perché si tratta di un nucleo fissile, che si scinde, cioè, ogni volta catturi un neutrone. Durante la fissione di questo particolare isotopo, oltre alla divisione del nucleo, vengono emessi due o tre neutroni, che, scontrandosi con un altro nucleo di uranio-235, mettono in moto una reazione a catena, che comporta una grande produzione di energia. 

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La fusione nucleare, invece, è quel processo che genera energia all’interno del Sole, per cui a partire dall’idrogeno si ottiene l’elio. Affinché avvenga una reazione di fusione, i nuclei devono scontrarsi a velocità molto elevate, per poter superare la repulsione coulombiana: le velocità che entrano in gioco sono quelle che in media possiedono le particelle nel plasma, un gas complessivamente elettricamente neutro in cui le cariche di segno opposto, gli ioni atomici e gli elettroni sono separati tra di loro, ad altissima temperatura che costituisce la parte interna delle stelle. Facendo riferimento al processo di fusione che avviene all’interno del nucleo del Sole, è necessario distinguere tre fasi separate: inizialmente avviene l’urto tra due protoni, di cui uno, nel contempo, diviene un neutrone per decadimento beta inverso, portando alla creazione di un nucleo di deuterio e all’emissione di due particelle leggere (positrone e neutrino-elettrone); dopodichè questo nucleo di deuterio si fonde con un protone, formando il nucleo di elio-3; infine, questo nucleo si fonde con un suo simile per dare origine ad un nucleo di elio-4 e a due protoni. Dal punto di vista di produzione energetica mediante il processo di fusione nucleare, tuttavia, vi sono diverse problematiche pratiche che fanno si che questa tecnica sia ancora, almeno in parte, in via di sviluppo. Prima di tutto, come accennavamo prima, è necessario che il gas venga riscaldato ad una temperatura altissima, dell’ordine dei milioni di gradi, per creare un plasma simile a quello che si ha nella zona centrale del Sole. In secondo luogo, è necessario confinare il plasma affinché esso non venga in contatto con le pareti o con altre parti solide del contenitore. Queste problematiche, unite alle ingenti spese che sono necessarie per la produzione, sono i principali motivi per cui le centrali a fusione nucleare non sono ancora largamente  utilizzate.

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Per quanto riguarda le centrali a fissione nucleare, esse producono circa l’11% dell’energia elettrica mondiale. Un reattore a fissione nucleare è un impianto assai complesso, ma che si basa su un funzionamento relativamente semplice: l’energia ottenuta dalla fissione controllata dell’uranio -235 viene utilizzata per riscaldare, come una caldaia, una certa quantità di acqua e produrre vapore che fa girare delle turbine, il cui movimento produce energia elettrica. Il principio fondamentale di produzione energetica all’interno delle centrali nucleari, pertanto, è simile a quello delle centrali termoelettriche; la differenza sostanziale sta, tuttavia, nella modalità di produzione di tale vapore.