Fissione Nucleare
                                                                                                                               

La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui il nucleo di uranio, plutonio o di altri elementi pesanti adatti vengono divisi tramite il bombardamento con neutroni o altre particelle elementari in frammenti in un processo che libera energia. È la reazione nucleare comunemente utilizzata nei reattori nucleari e nei tipi più semplici di bombe atomiche, quali le bombe all'uranio o al plutonio. Tutte le bombe a fissione nucleare vengono chiamate: "Bombe A".                               Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile o fissionabile assorbe un neutrone si fissiona producendo due o più nuclei più piccoli e un numero variabile di nuovi neutroni. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi e posseggono un eccesso di neutroni e subiscono una catena di decadimenti beta fino ad arrivare ad una configurazione stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi. 
                                                             

 La prima massa è la massa del nucleo di uranio e del neutrone incidente, la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti e c è la velocità della luce nel vuoto. Perciò in questo fenomeno parte della massa iniziale scompare e si trasforma in energia sotto forme diverse, la maggior parte in energia cinetica dei frammenti pesanti prodotti della reazione. Circa 11 MeV sono trasportati via dai neutrini emessi al momento della fissione, mentre l'energia effettivamente sfruttabile come energia termica è di circa 200 MeV per ogni fissione. In un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio fornisce un'energia di circa 4 eV, un'energia che è meno di cinquanta milionesimi di quella prodotta nella reazione nucleare di fissione.

I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di uranio vicini: se ciò avviene possono produrre una nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena in cui il numero di fissioni aumentano esponenzialmente, se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile in tal caso si parla di massa critica. La massa critica è dunque quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile ed il numero di neutroni presente nel sistema non varia. Se si varia tale disposizione allora il numero di neutroni assorbiti può scendere, ed in tal caso la reazione si spegne, oppure aumentare, e si ha che la reazione cresce esponenzialmente. Per cui:

                                                          

Se la disposizione è tale che si abbia K>1 allora il numero di neutroni aumenta, se K<1 diminuisce, mentre se K=1 il numero di neutroni resta stabile e si parla di massa critica. La quantità K viene definita in fisica del reattore come il fattore di moltiplicazione effettivo e è fondamentale nel controllo del reattore stesso.
La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari a fissione e le bombe atomiche. Se per i reattori nucleari il valore di K non deve superare mai il valore di 1 per le armi nucleari si deve avere che il valore di K deve essere il più alto possibile e in tal caso si può arrivare a K=1.2.
L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi: uranio e plutonio in rapporto di 150 a 1. Il processo di arricchimento consiste nell' aumentare la percentuale in massa di uranio in modo da riuscire ad avere un numero di nuclei fissili sufficiente per far funzionare il reattore. In una reazione, la presenza di impurità e di atomi di U e, nei reattori, di apposite barre che hanno lo scopo di controllare la reazione a catena fa si che solo parte dei neutroni emessi venga assorbita dai nuclei di fissile.

Residui della reazione

Gli atomi con un numero di massa maggiore hanno nel loro nucleo più neutroni rispetto a quelli con minor numero di massa, per cui un processo di fissione produce dei frammenti di fissione con un numero elevato di neutroni; tali isotopi per diventare stabili devono dunque presentare un decadere beta più volte. Il tempo di decadimento di tali elementi dipende dal tipo di nucleo prodotto e può variare da pochi millisecondi fino a decine di anni. Per questo tutte le reazioni di fissione producono isotopi radioattivi alcuni dei quali rimangono attivi molto a lungo. Inoltre le reazioni di fissione dell'U che avvengono nei reattori nucleari avvengono in presenza di un gran numero di nuclei di U, questi assorbono parte dei neutroni prodotti trasformandosi in plutoni  tempi rapidi decade due volte beta diventando plutonio 239 il quale ha un tempo di decadimento molto più lungo . Per cui le reazioni di fissione producono molte sostanze radiaottive estremamente nocive, ma mentre le scorie che provengono dai prodotti da fissione decadono in poche decadi, il plutonio resta radiattivo per un tempo che in termini umani è praticamente eterno.

Per costruire dei reattori nucleari che non producano scorie nucleari dagli anni 50 del secolo scorso si stanno studiando dei reattori a fusione nucleare, ma per ora tali reattori hanno un funzionamento non continuo, la ricerca tuttavia va avanti, pur fra mille dubbi sulla loro possibile fattibilità e ipotesi di avere il primo reattore funzionante fra cinquanta anni. Il reattore  a fusione più promettente è quello in corso di costruzione del progetto ITER nel sito francese di Cadarache. Un altro modo per affrontare il problema dnucleareella produzione del plutonio potrebbe essere quella di costruire dei reattori autofertilizzanti a neutroni.



         

            Fusione Nucleare



Le temperature elevate delle stelle sono l'effetto di una reazione che avviene nel loro interno, detta 'fusione nucleare': in presenza di elevatissimi valori di pressione e di temperatura, quattro nuclei di idrogeno si fondono formando un nucleo di elio. Questo nucleo ha massa inferiore alla somma delle masse dei nuclei di idrogeno: la quantità di materia che manca si è trasformata in energia, che si libera come luce e calore.


La fusione è il processo di reazione nucleare col quale i nuclei di due o più atomi vengono compressi tanto da far prevalere l'Interazione forte sulla repulsione elettromagnetica, unendosi ed andando così a generare un nucleo di un elemento di massa maggiore dei suoi costituenti nonché di uno o più neutroni liberi; la fusione di elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 (ferro e nickel) è esoenergetica, ossia emette più energia di quanta ne richieda la compressione, oltre è endoenergetica, cioè assorbe energia. Il processo di fusione è il meccanismo che alimenta il Sole e le altre stelle; all'interno di esse - tramite la nucleosintesi genera tutti gli elementi che costituiscono l'universo dal litio fino all'uranio, ed è stato riprodotto dall'uomo, che ha realizzato la bombe H .


Fisica delle reazioni di fusione 

Nella fusione nucleare la massa e l’energia sono legate dalla teoria della relatività ristretta di Einstein:

E = mc2

in cui:

E è l'energia;
m è la massa;
c2 è la velocità della luce al quadrato.

In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito ed il neutrone liberato hanno una massa totale minore della somma delle masse dei nuclei reagenti, con conseguente liberazione di un'elevata quantità di energia, principalmente energia cinetica dei prodotti della fusione.

Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono essere sufficientemente vicini, in modo che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana : ciò avviene a distanze molto piccole, dell'ordine di qualche femtometro . L'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima pressione (altissima temperatura e/o altissima densità).

La fusione nucleare, nei processi terrestri, è usata in forma incontrollata per le bombe a idrogeno, in forma controllata nei reattori a fusione termonucleare, ancora in fase sperimentale.

L'energia potenziale totale di un nucleo è notevolmente superiore all'energia che lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ad esempio l'energia di legame dell'elettrone al nucleo di idrogeno è di 13,6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T mostrata in seguito è pari a 17,5 MeV, cioè più di un milione di volte la prima. Con un grammo di deuterio e trizio si potrebbe quindi produrre l'energia sviluppata da 11 tonnellate di carbone.

Gli atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura e in ingegneria, sono gli isotopi dell'atomo di idrogeno, caratterizzati da minimo numero atomico, a cui corrisponde la minima energia di innesco. Tuttavia all'interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti, si ritiene fino al ferro.

La fusione nucleare controllata potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici sulla terra, perché potrebbe produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi o gas serra e con la produzione di limitate quantità scorie radioattive fra cui il trizio; una piccola quantità di radioattività residua interesserebbe solo alcuni componenti del reattore a fusione sottoposti a bombardamento neutronico durante i processi di fusione. Queste componenti sarebbero peraltro facilmente rimpiazzabili; i tempi di dimezzamento della radioattività residua sarebbero confrontabili con la vita media della centrale. La quantità di deuterio e trizio ricavabile da tre bicchieri di acqua di mare e due sassi di medie dimensioni potrebbe supplire al consumo medio di energia di una famiglia di 4 persone per molto tempo.

La fusione come fonte di energia 

Negli ultimi sessant'anni è stato profuso un notevole sforzo teorico e sperimentale per mettere a punto la fusione nucleare per generare elettricità e anche come sistema di propulsione per razzi , ben più efficiente dei sistemi basati su reazioni chimiche o sulla reazione di fissione. Al momento il progetto più avanzato verso la realizzazione di energia elettrica da fusione è ITER: un reattore a fusione termonucleare  ITER è un progetto internazionale cooperativo tra Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d'America, Corea del Sud e India. ITER però non è ancora il prototipo di centrale di produzione di energia elettrica ma solo una macchina sperimentale destinata a dimostrare di poter ottenere le condizioni di guadagno energetico necessarie. DEMO è invece il prototipo di centrale in fase di studio dagli stessi partecipanti al progetto ITER.
Per spingere atomi di idrogeno a fondere in maniera controllata all'interno di un reattore o, più in generale, di una camera, il combustibile deve essere innanzitutto confinato spazialmente attraverso opportune tecniche, al fine di conferire ad esso le caratteristiche fisiche ideali espresse nel criterio di Lawson.
Un plasma è costituito da particelle cariche che possono quindi essere confinate da un appropriato campo magnetico. Molti campi magnetici possono essere impiegati per isolare un plasma in fusione, tuttavia il plasma interagisce con il campo magnetico influenzando l'efficienza del confinamento e riscaldando il sistema. Due sono le geometrie che si sono rivelate interessanti per confinare plasmi per fusione: lo specchio magnetico ed il toro magnetico. Lo specchio magnetico è una configurazione "aperta", cioè non è chiusa su se stessa, mentre il toro  è una configurazione chiusa su se stessa intorno a un buco centrale. Varianti del toro sono le configurazioni sferiche, in cui il buco al centro del toro è di dimensioni molto ridotte.