Episodio#2: La fissione nucleare

Fusione a confinamento magnetico: istruzioni per l’uso è un format originale di Eni con cui spieghiamo diversi aspetti legati a una tecnologia dall’enorme potenziale.

Nell’Episodio#1: Atomi e forze fondamentali abbiamo compreso cosa si nasconde dentro il nucleo di un atomo e a padroneggiare concetti come protoni, neutroni e isotopi: ora siamo perfettamente attrezzati per procedere nel nostro viaggio alla scoperta dell’energia nucleare. 
Le due reazioni nucleari di cui parliamo oggi sono la fissione e la fusione. Ci interessano molto perché si possono usare entrambe per produrre energia, cerchiamo ora di capire cosa sono e come si distinguono. 

A livello lessicale cambiano solo una vocale e una consonante, ma in realtà si tratta di due reazioni dell’atomo esattamente opposte. La fissione nucleare avviene quando un nucleo pesante si rompe e viene diviso in due più leggeri, le cui masse (se sommate) non raggiungono la massa originaria. Per ottenere questo risultato, dobbiamo scegliere un isotopo di un atomo ben preciso, il più pesante disponibile sulla Terra: l’ 235U  Questo isotopo, ricordiamo, ha i suoi 92 protoni, come tutti gli atomi di Uranio, ma ha “solo” 235-92=143 neutroni.
Quando l’atomo di 235U che abbiamo incontrato prima si scontra con un neutrone, si forma un nuovo atomo. 
Si tratta sempre di Uranio, perché sappiamo già che quando si modifica il numero di neutroni di un atomo non se ne cambia la natura, ma il nucleo stesso non è più 235U: diventa 236U per ricordarci che dentro c’è finito un neutrone in più. 
L’ 236U è però terribilmente instabile: appena si forma va in pezzi dando origine a un atomo di Bario 141Ba e a un atomo di Kripton 92Kr. Questo processo si chiama fissione.
Il Bario e il Kripton hanno rispettivamente 36 e 56 protoni. In totale fa 92 e il conto dei protoni torna. Ma se sommiamo la loro massa totale vediamo che si arriva a 141+92=233. Mancano tre neutroni all’appello, che in effetti si sono staccati e sono schizzati via come tre particelle indipendenti.
Il bello è che questa sconfitta delle forze fondamentali forti che tengono insieme i due nuclei di Bario e di Kripton e i tre neutroni libera anche tanta energia. Ma non solo: se attorno all’atomo di 235U che è andato a pezzi se ne trovavano molti altri, i tre neutroni prodotti dalla sua fissione vanno a colpire altri atomi di 235U che a loro volta si rompono e liberano ciascuno tre neutroni che a loro volta… Ecco: questa è una reazione a catena. Si può fermare solo se troviamo il modo di acchiappare più neutroni vaganti di quelli che vengono formati, e impedendo loro di colpire e rompere altri atomi di 235U.
La fissione di un solo atomo di 235U libera 202 milioni di ElettronVolt (che è un’unità di misura usata in elettromagnetismo e in chimica per misurare il lavoro compiuto da un elettrone per attraversare una differenza di potenziale di 1 Volt). Un grammo di Uranio contenente solo il 3% di 235U può sviluppare una energia equivalente a quella prodotta bruciando da 300 a 3.000 kg di carbone. Il valore preciso dipende da tanti fattori tecnici, ma nella sostanza, a parità di peso, liberiamo da trecentomila a tre milioni di volte più energia dalla fissione di una certa massa di uranio rispetto a quella che liberiamo bruciando una uguale massa di carbone.

Per utilizzare l’energia contenuta nel carbone, questo viene bruciato nelle centrali termoelettriche, producendo anche un sacco di inquinamento nella estrazione, trasporto, combustione e smaltimento dei fumi e delle ceneri. 
Per utilizzare l’energia contenuta nell’Uranio si usa un reattore nucleare che da un certo punto di vista è la stessa cosa di prima. Infatti, il calore prodotto dalla fissione dell’Uranio oppure dalla combustione del carbone serve a scaldare acqua in una caldaia e a generare vapore sotto pressione. Questo vapore si espande e fa muovere una turbina. Una turbina non è altro che un rotore attaccato a una serie di magneti e di fili conduttori e circondato da altri magneti fissi. Il rotore viene messo in rotazione, il campo magnetico in movimento genera un campo elettrico che a sua volta fa passare elettricità dentro i fili producendo energia elettrica.
In un reattore nucleare per scaldare l’acqua c’è un contenitore chiamato nocciolo. Questo è costituito da una serie di fori cilindrici entro i quali si trovano delle barre. Ciascuna di queste barre è composta da un fascio di cilindri più piccoli dove sono stati allineati i singoli pellet di Uranio. Ogni pellet è un cilindretto del diametro di una monetina e alto circa 2-3 cm. 

Ma le sbarre di uranio, lasciate a sé stesse, si surriscalderebbero a causa della fissione dell’ 235U e provocherebbero la fusione del nocciolo. Non stiamo parlando di fusione nucleare – che è tutta un’altra cosa - ma proprio del nocciolo che si squaglia distruggendo il reattore a causa dell’alta temperatura prodotta dalla fissione.
Per evitarlo, fra una barra di Uranio e l’altra, si inseriscono altre barre - chiamate barre di controllo - costituite da materiali assorbitori di neutroni. Queste possono essere inserite dentro il nocciolo oppure estratte facendole scorrere lungo i fori cilindrici. Di solito si usano Cadmio, Boro, Hafnio o Gadolinio che risultano molto efficienti nella cattura di neutroni vaganti. 

Quando si vuole diminuire la temperatura del reattore, le barre di controllo vengono calate dentro il nocciolo. Così, queste assorbono più neutroni prodotti dai nuclei di Uranio che subiscono la fissione impedendo che questi vadano a colpire altri nuclei di Uranio. Quando, invece, si vuole aumentare la temperatura del reattore, basta sollevare le barre di controllo evitando che i neutroni liberati dalla fissione vengano catturati ma permettendo loro di andare a colpire altri atomi di Uranio propagando la reazione a catena. Non bisogna esagerare se si vuole evitare di creare grossi guai. In caso di problemi, si calano tutte le barre di controllo nei fori cilindrici, la maggior parte dei neutroni viene così catturata e la reazione nucleare si ferma.
In questo modo, il nocciolo si comporta come una sorgente di calore ad altissima energia, riscalda l’acqua di raffreddamento ad alta pressione che scorre fra le barre (circuito primario) e questa a sua volta scalda quella del circuito secondario che esce dal nocciolo e rende disponibile il vapore. Da qui, attraverso la turbina ed il generatore, si produce corrente elettrica.
Nel processo di fissione, non si genera nemmeno una molecola di anidride carbonica, ma i prodotti di reazione (le scorie), il nocciolo e altre parti del reattore che entrano a contatto con l’ambiente di reazione diventano altamente radioattivi e vanno gestiti con molta attenzione per evitare problemi.
La fusione, invece, funziona esattamente al contrario e serve per liberare energia dagli elementi più leggeri,  ma questa è un’altra storia e si dovrà raccontare un’altra volta…