La fissione nucleare è un procedimento che consiste nella scissione di un nucleo atomico in due o più parti, con la relativa liberazione di energia. Può verificarsi solo nei nuclei più pesanti che hanno una notevole instabilità rispetto al processo, particolarmente nell’uranio e nel plutonio. La fissione nucleare è un processo che può verificarsi spontaneamente in natura (evento più unico che raro) oppure essere indotto artificialmente.
Fissione nucleare – Immagini
Nella fissione dell’uranio la quantità di energia prodotta è molto elevata, così come quella prodotta in reazioni non controllate e che è alla base della bomba atomica. In caso contrario, ossia controllando le reazioni, è possibile utilizzare l’energia stessa per scopi pacifici (reattore nucleare). Si osservi l’immagine sottostante:
Durante la fissione nucleare, l’isotopo 235U (uranio-235, un isotopo che ha 92 protoni e 143 neutroni) viene colpito da un neutrone; viene a crearsi un nuovo isotopo, l’uranio-236 (236U), un isotopo particolarmente instabile che appena formatosi si scinde dando origine a due nuove isotopi: bario-141 (141Ba) e kripton-92 (92Kr); bario e kripton hanno rispettivamente 36 e 56 protoni; in tutto sono 92 protoni (non c’è quindi nessuna modifica rispetto ai 92 protoni dell’uranio); la somma delle loro masse dà però 233; sono venuti a mancare quindi 3 neutroni che sono di fatto schizzati via; questo processo di fissione ha creato moltissima energia; si deve inoltre tenere presente che, se attorno all’atomo di uranio-235 si trovano altri atomi identici, i tre neutroni liberati dalla fissione potranno a loro volta colpire gli atomi di uranio innescando una reazione a catena.
Centrali a fissione nucleare
L’energia che può essere ottenuta da un grammo di uranio può essere, in condizioni ottimali, equivalente a quella prodotta dalla combustione di circa 2.800-3.000 kg di carbone. Per sfruttare l’energia ricavabile dall’uranio è necessario ricorrere ai reattori nucleari a fissione, ovvero reattori in grado di gestire una reazione nucleare di fissione a catena in maniera controllata (contrariamente a quanto accade nel caso di ordigni nucleari).
Particolare di un reattore nucleare a fissione
Lo scopo del reattore è la produzione di energia elettrica con il calore prodotto dalla fissione.
Le centrali nucleari possono contenere più reattori; i reattori possono essere presenti anche in centri di ricerca, ma essi hanno una potenza troppo bassa per essere sfruttata per la produzione di energia elettrica.
Nelle centrali nucleari, l’energia prodotta dal reattore può essere usata per vaporizzare acqua la cui energia termodinamica è convertita in energia meccanica e successivamente in nergia elettrica con l’ausilio di alternatori. Attualmente sono utilizzati reattori nucleari di III generazione; il problema critico dei reattori a fissione nucleare è il rischio in caso di gravi incidenti e lo smaltimento delle scorie. Per questi motivi molti Paesi hanno deciso di abbandonare il nucleare da fissione, soprattutto dopo gli incidenti di Chernobyl (1986) e Fukushima (2011).
Anche se è allo studio il progetto di reattori nucleari di IV generazione, i recenti progressi del nucleare pulito con reattori a fusione nucleare ha di fatto segnato la fine della fissione nucleare per quanto riguarda la produzione di energia a scopi civili.
Scoperta e storia
Il primo caso di fissione nucleare artificiale risale al 1932; Ernest Walton, un fisico irlandese, e John Cockcroft, un fisico britannico, che, accelerando protoni contro un atomo di litio-7 riuscirono a dividere il suo nucleo in due particelle alfa, ovvero in due nuclei di elio).
La prima fissione nucleare dell’uranio, invece, fu realizzata nel 1934 da un gruppo scienziati italiani guidati da Enrico Fermi (i celebri “ragazzi di via Panisperna”) mentre bombardavano dell’uranio con dei neutroni; gli scienziati italiani però non si resero conto di ciò che era effettivamente avvenuto e pensarono di aver realizzato dei nuovi elementi transuranici.
Nel 1938, furono Otto Hahn e il suo assistente Fritz Strassmann, due chimici nucleari tedeschi, a dimostrare in modo sperimentale che un nucleo di uranio-235 colpito da un neutrone poteva dividersi in più frammenti originando una fissione nucleare. Va dato atto del fatto che la prima persona a ipotizzare la fissione del nucleo fu la fisica tedesca Ida Noddack, ma la sua idea non venne al tempo presa in considerazione. Fondamentali furono anche il ruolo di Otto Frisch e di sua zia Lise Meitner, una delle scienziate colpite dal cosiddetto “effetto Matilda”; nonostante il suo ruolo nella scoperta della fissione, il premio Nobel della chimica del 1944 fu attribuito soltanto a Otto Hahn (in campo scientifico, si parla di effetto Matilda allorquando il risultato del lavoro di ricerca effettuato da una donna viene in tutto o parzialmente attribuito a un uomo).
In seguito a queste scoperte, si arrivò all’idea che il processo di fissione nucleare poteva essere utilizzato per produrre energia (tramite reattori nucleari) od ordigni nucleari.
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