Fissione e fusione nucleare, quali sono le differenze?

Esistono due diversi tipi di reazione nucleare, ovvero reazioni in cui i nuclei degli atomi si trasformano: la fusione, in cui due nuclei si uniscono per formarne uno più pesante, e la fissione, in cui un nucleo si divide in due nuclei più leggeri e contemporaneamente emette un certo numero di neutroni. In questo genere di reazioni parte della massa dei nuclei si trasforma in energia, per questo vengono usate per liberare enormi quantitativi di energia in modo controllato (nelle centrali nucleari) o incontrollato (nelle bombe atomiche).

Le centrali nucleari attualmente operative funzionano tramite reazioni a catena di fissione nucleare. Si sta lavorando per la costruzione di centrali a fusione, che avrebbero un vantaggio in termini di sicurezza perché non prevedono reazioni a catena e pertanto non si correrebbe il rischio di incidenti legati a una perdita di controllo della reazione.

Cos'è la fissione nucleare e come viene usata

non perderti questo articolo

Energia Nucleare: cos’è, come viene prodotta e cosa cambia tra fissione e fusione

La fissione nucleare è la reazione in cui un nucleo si divide in due nuclei più leggeri e contemporaneamente emette un certo numero di neutroni. Entrambe avvengono spontaneamente in natura, ma possiamo anche realizzarle artificialmente. La fissione avviene spontaneamente per alcuni nuclei detti instabili (per esempio l'uranio), ma può essere innescata artificialmente tramite collisioni con altre particelle subatomiche, come i neutroni. Nell'immagine qui sotto, per esempio, possiamo osservare la fissione dell'uranio in seguito alla collisione con un neutrone.

Spesso accade nelle reazioni di fissione che insieme ai due nuclei più leggeri si liberino anche altri neutroni. Questo fatto permette di realizzare reazioni a catena, e dunque viene sfruttato nel campo dell’energia nucleare. Una volta innescata la reazione, infatti, se la quantità di nuclei è sufficientemente elevata (cioè al raggiungimento della cosiddetta massa critica) si viene a innescare una reazione a catena in grado di autoalimentarsi.

In termini quantitativi, la fissione di un grammo di uranio produce lo stesso quantitativo di energia ottenibile dalla combustione di 2800 kg di carbone – senza peraltro generare emissioni di gas climalteranti. Stante al report più recente (2022) dell’Agenzia Internazionale per l’Energia: «L'energia nucleare è un'importante fonte di energia elettrica a basse emissioni, che fornisce circa il 10% della produzione globale di elettricità». Nei Paesi in cui esistono impianti di produzione di energia da fissione nucleare questo tipo di energia è in grado di integrarsi con le energia rinnovabili per concorrere alla riduzione delle emissioni del settore della produzione elettrica e rappresenta anche una valida opzione per la produzione di calore e idrogeno a basse emissioni.

Cos'è la fusione nucleare e come viene usata

La fusione nucleare è invece una reazione in cui due nuclei più leggeri si uniscono per formarne uno più pesante. Se nelle reazioni di fissione è necessario “bombardare” nuclei di atomi pesanti con neutroni, in quelle di fusione, invece, è necessario che due nuclei si portino a distanza enormemente ravvicinata in modo che le forze nucleari possano esercitare la loro azione. Simili condizioni richiedono temperature elevatissime, difficilmente ottenibili sulla Terra, mentre si verificano normalmente in tutte le stelle, compreso il nostro Sole. L’altissima temperatura del centro del Sole (oltre 15 milioni di °C) fa sì che l’energia raggiunta dai nuclei sia sufficiente a vincere la repulsione elettromagnetica degli stessi: i nuclei possono quindi avvicinarsi a tal punto da innescare le reazioni di fusione.

Per realizzare una reazione di fusione controllata e con un bilancio energetico positivo (in grado cioè di produrre più energia di quanta non venga assorbita dal sistema) è estremamente difficile poiché occorre portare del plasma di deuterio e trizio (due isotopi dell'idrogeno) fino a temperature fino a 100 milioni di °C e mantenerlo confinato per un tempo sufficiente a far avvenire la fusione. In natura non esistono materiali in grado di resistere a queste temperature e il principale nodo tecnico diventa proprio confinare il plasma in alto vuoto, evitando cioè che entri in contatto con le pareti del sistema.

Allo scopo si utilizza il cosiddetto Tokamak, un dispositivo a forma “di ciambella” in cui il plasma viene fatto orbitare vorticosamente attraverso un campo magnetico generato da supermagneti posti intorno alla camera. Ed è proprio a questa tecnologia che dobbiamo il nome di “fusione a confinamento magnetico”. Oltre all’energia per la formazione del plasma e del campo magnetico, nel bilancio complessivo del sistema va conteggiata anche quella necessaria a effettuare il vuoto all’interno del recipiente che contiene il tutto. Al momento non siamo in grado di produrre tramite fusione nucleare più energia di quella necessaria per fare avvenire la fusione stessa.

Quali sono i vantaggi della fusione?

Nonostante le difficoltà tecniche, la fusione è molto più promettente della fissione per quanto riguarda la produzione di energia. Elenchiamo di seguito i principali motivi.

• La fusione produce molta più energia rispetto alla fissione.
• La fusione non produce direttamente sostanze altamente inquinanti né scorie radioattive (ma il sistema che le genera, una volta smantellato, va trattato come un rifiuto radioattivo).
• Il combustibile necessario per la di fusione è virtualmente inesauribile poiché ottenuto attraverso una miscela di elementi relativamente semplici da ottenere: il deuterio si può ricavare dall’acqua di mare, dove si trova in una concentrazione di circa 30 g/m³, e il trizio si può ricavare, direttamente all’interno del reattore, attraverso il litio.
• Le reazioni di fusione non sono reazioni a catena: si estinguono spontaneamente in seguito a qualsiasi deviazione dalle condizioni ottimali. Questo da un lato rende infatti enormemente complesso garantire al sistema una certa stabilità, ma costituisce dall’altro una delle ragioni principali che concorrono alla sicurezza dell’impianto.