Fissione nucleare e fusione

La fusione nucleare e la fissione nucleare sono diversi tipi di reazioni che rilasciano energia a causa della presenza di legami atomici ad alta potenza tra particelle trovate all'interno di un nucleo. Nella fissione, un atomo è diviso in due o più atomi più piccoli e più leggeri. La fusione, al contrario, si verifica quando due o più atomi più piccoli si fondono insieme, creando un atomo più grande e più pesante.

Tabella di confronto

Fissione nucleare rispetto alla tabella di comparazione della fusione nucleare
Fissione nucleare Fusione nucleare
DefinizioneLa fissione è la divisione di un grande atomo in due o più piccoli.La fusione è la fusione di due o più atomi più leggeri in uno più grande.
Evento naturale del processoLa reazione di fissione non si verifica normalmente in natura.La fusione si verifica nelle stelle, come il sole.
Byproducts della reazioneLa fissione produce molte particelle altamente radioattive.Poche particelle radioattive sono prodotte dalla reazione di fusione, ma se si utilizza un "trigger" di fissione, ne conseguiranno particelle radioattive.
condizioniSono richiesti massa critica della sostanza e neutroni ad alta velocità.È richiesto un ambiente ad alta densità e alta temperatura.
Fabbisogno energeticoPrende poca energia per dividere due atomi in una reazione di fissione.È richiesta un'energia estremamente elevata per avvicinare due o più protoni abbastanza da consentire alle forze nucleari di superare la loro repulsione elettrostatica.
Rilascio di energiaL'energia rilasciata dalla fissione è un milione di volte maggiore di quella rilasciata nelle reazioni chimiche, ma inferiore all'energia rilasciata dalla fusione nucleare.L'energia rilasciata dalla fusione è tre o quattro volte maggiore dell'energia rilasciata dalla fissione.
Arma nucleareUna classe di armi nucleari è una bomba a fissione, nota anche come bomba atomica o bomba atomica.Una classe di armi nucleari è la bomba all'idrogeno, che utilizza una reazione di fissione per "innescare" una reazione di fusione.
Produzione di energiaLa fissione viene utilizzata nelle centrali nucleari.La fusione è una tecnologia sperimentale per produrre energia.
CarburanteL'uranio è il combustibile principale utilizzato nelle centrali elettriche.Gli isotopi dell'idrogeno (deuterio e trizio) sono il combustibile principale utilizzato nelle centrali sperimentali a fusione.

definizioni

Fusione di deuterio con trizio creando elio-4, liberando un neutrone e rilasciando 17, 59 MeV di energia.

La fusione nucleare è la reazione in cui due o più nuclei si combinano, formando un nuovo elemento con un numero atomico più elevato (più protoni nel nucleo). L'energia rilasciata in fusione è correlata a E = mc 2 (la famosa equazione di massa di energia di Einstein). Sulla Terra, la reazione di fusione più probabile è la reazione di deuterio-trizio. Il deuterio e il trizio sono isotopi dell'idrogeno.

2 1 Deuterio + 3 1 Trizio = 4 2 He + 1 0 n + 17.6 MeV

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La fissione nucleare è la scissione di un nucleo massiccio in fotoni sotto forma di raggi gamma, neutroni liberi e altre particelle subatomiche. In una tipica reazione nucleare che coinvolge 235U e un neutrone:

235 92 U + n = 236 92 U

seguito da

236 92 U = 144 56 Ba + 89 36 Kr + 3 n + 177 MeV

Fissione contro fisica della fusione

Gli atomi sono tenuti insieme da due delle quattro forze fondamentali della natura: i legami nucleari deboli e forti. La quantità totale di energia contenuta nei legami degli atomi si chiama energia di legame. Più energia è vincolante all'interno dei legami, più stabile è l'atomo. Inoltre, gli atomi cercano di diventare più stabili aumentando la loro energia di legame.

Il nucleo di un atomo di ferro è il nucleo più stabile trovato in natura e non si fonde né si divide. Ecco perché il ferro è in cima alla curva energetica vincolante. Per i nuclei atomici più leggeri del ferro e del nichel, l'energia può essere estratta combinando i nuclei di ferro e nichel attraverso la fusione nucleare. Al contrario, per i nuclei atomici più pesanti del ferro o del nichel, l'energia può essere rilasciata dividendo i nuclei pesanti attraverso la fissione nucleare.

L'idea di dividere l'atomo è nata dal lavoro del fisico britannico Ernest Rutherford, nato in Nuova Zelanda, che ha portato anche alla scoperta del protone.

Condizioni di fusione e fusione

La fissione può verificarsi solo in grandi isotopi che contengono più neutroni che protoni nei loro nuclei, il che porta a un ambiente leggermente stabile. Sebbene gli scienziati non comprendano ancora completamente perché questa instabilità sia così utile per la fissione, la teoria generale è che il gran numero di protoni crea una forte forza repulsiva tra loro e che troppi o troppi neutroni creano "lacune" che causano un indebolimento di il legame nucleare, che porta al decadimento (radiazione). Questi grandi nuclei con più "vuoti" possono essere "divisi" dall'impatto dei neutroni termici, i cosiddetti neutroni "lenti".

Le condizioni devono essere giuste affinché si verifichi una reazione di fissione. Perché la fissione sia autosufficiente, la sostanza deve raggiungere la massa critica, la quantità minima di massa richiesta; la mancanza di massa critica limita la lunghezza della reazione a meri microsecondi. Se la massa critica viene raggiunta troppo rapidamente, il che significa che vengono rilasciati troppi neutroni in nanosecondi, la reazione diventa puramente esplosiva e non si verificherà alcun rilascio potente di energia.

I reattori nucleari sono principalmente sistemi di fissione controllati che utilizzano campi magnetici per contenere neutroni vaganti; questo crea un rapporto all'incirca 1: 1 di rilascio di neutroni, il che significa che un neutrone emerge dall'impatto di un neutrone. Poiché questo numero varierà in proporzioni matematiche, sotto quella che è nota come distribuzione gaussiana, il campo magnetico deve essere mantenuto affinché il reattore funzioni e le barre di controllo devono essere utilizzate per rallentare o accelerare l'attività dei neutroni.

La fusione avviene quando due elementi più leggeri vengono forzati insieme da un'enorme energia (pressione e calore) fino a quando non si fondono in un altro isotopo e rilasciano energia. L'energia necessaria per avviare una reazione di fusione è così grande che ci vuole un'esplosione atomica per produrre questa reazione. Tuttavia, una volta iniziata la fusione, può teoricamente continuare a produrre energia fintanto che è controllata e vengono forniti gli isotopi di fusione di base.

La forma più comune di fusione, che si verifica nelle stelle, è chiamata "fusione DT", riferendosi a due isotopi dell'idrogeno: il deuterio e il trizio. Il deuterio ha 2 neutroni e il trizio ne ha 3, più di un protone dell'idrogeno. Ciò semplifica il processo di fusione poiché deve essere superata solo la carica tra due protoni, poiché la fusione dei neutroni e il protone richiede il superamento della forza repellente naturale delle particelle cariche simili (i protoni hanno una carica positiva, rispetto alla mancanza di carica dei neutroni ) e una temperatura - per un istante - di quasi 81 milioni di gradi Fahrenheit per fusione DT (45 milioni di Kelvin o leggermente inferiore in gradi Celsius). Per fare un confronto, la temperatura interna del sole è di circa 27 milioni di F (15 milioni di C). [1]

Una volta raggiunta questa temperatura, la fusione risultante deve essere contenuta abbastanza a lungo per generare plasma, uno dei quattro stati della materia. Il risultato di tale contenimento è un rilascio di energia dalla reazione DT, che produce elio (un gas nobile, inerte ad ogni reazione) e risparmia neutroni che possono "seminare" idrogeno per più reazioni di fusione. Al momento, non ci sono modi sicuri per indurre la temperatura di fusione iniziale o contenere la reazione di fusione per raggiungere uno stato plasmatico costante, ma gli sforzi sono in corso.

Un terzo tipo di reattore è chiamato reattore di allevamento. Funziona usando la fissione per creare plutonio che può seminare o servire da combustibile per altri reattori. I reattori Breeder sono ampiamente utilizzati in Francia, ma sono proibitivi e richiedono misure di sicurezza significative, poiché la produzione di questi reattori può essere utilizzata anche per fabbricare armi nucleari.

Reazione a catena

Le reazioni nucleari di fusione e fusione sono reazioni a catena, il che significa che un evento nucleare provoca almeno un'altra reazione nucleare, e in genere più. Il risultato è un crescente ciclo di reazioni che possono rapidamente essere incontrollate. Questo tipo di reazione nucleare può essere suddivisioni multiple di isotopi pesanti (ad esempio 235 U) o la fusione di isotopi leggeri (ad esempio 2H e 3H).

Le reazioni a catena di fissione si verificano quando i neutroni bombardano isotopi instabili. Questo tipo di processo di "impatto e diffusione" è difficile da controllare, ma le condizioni iniziali sono relativamente semplici da raggiungere. Una reazione a catena di fusione si sviluppa solo in condizioni di pressione e temperatura estreme che rimangono stabili dall'energia rilasciata nel processo di fusione. Sia le condizioni iniziali che i campi di stabilizzazione sono molto difficili da realizzare con la tecnologia attuale.

Rapporti energetici

Le reazioni di fusione rilasciano 3-4 volte più energia delle reazioni di fissione. Sebbene non esistano sistemi di fusione basati sulla Terra, l'emissione solare è tipica della produzione di energia di fusione in quanto converte costantemente gli isotopi di idrogeno in elio, emettendo spettri di luce e calore. La fissione genera la sua energia abbattendo una forza nucleare (quella forte) e rilasciando enormi quantità di calore rispetto a quelle utilizzate per riscaldare l'acqua (in un reattore) per generare energia (elettricità). La fusione supera 2 forze nucleari (forti e deboli) e l'energia rilasciata può essere utilizzata direttamente per alimentare un generatore; quindi non solo viene rilasciata più energia, ma può anche essere sfruttata per un'applicazione più diretta.

Uso di energia nucleare

Il primo reattore nucleare sperimentale per la produzione di energia iniziò a funzionare a Chalk River, in Ontario, nel 1947. Il primo impianto di energia nucleare negli Stati Uniti, Experimental Breeder Reactor-1, fu lanciato poco dopo, nel 1951; potrebbe accendere 4 lampadine. Tre anni dopo, nel 1954, gli Stati Uniti lanciarono il loro primo sottomarino nucleare, l'USS Nautilus, mentre l'URSS lanciò il primo reattore nucleare al mondo per la produzione di energia su larga scala, a Obninsk. Gli Stati Uniti hanno inaugurato il loro impianto di produzione di energia nucleare un anno dopo, illuminando Arco, Idaho (pop. 1.000).

Il primo impianto commerciale per la produzione di energia con reattori nucleari fu lo stabilimento di Calder Hall, a Windscale (ora Sellafield), in Gran Bretagna. Fu anche il luogo del primo incidente nucleare nel 1957, quando scoppiò un incendio a causa di perdite di radiazioni.

La prima centrale nucleare statunitense su larga scala fu inaugurata a Shippingport, in Pennsylvania, nel 1957. Tra il 1956 e il 1973 furono lanciati negli Stati Uniti circa 40 reattori nucleari per la produzione di energia, il più grande dei quali era l'Unità Uno della centrale nucleare di Zion in Illinois, con un capacità di 1.155 megawatt. Nessun altro reattore ordinato da allora è diventato online, sebbene altri siano stati lanciati dopo il 1973.

I francesi hanno lanciato il loro primo reattore nucleare, il Phénix, in grado di produrre 250 megawatt di potenza, nel 1973. Il più potente reattore di produzione di energia negli Stati Uniti (1.315 MW) è stato aperto nel 1976, presso la Trojan Power Plant in Oregon. Nel 1977, gli Stati Uniti avevano 63 centrali nucleari in funzione, fornendo il 3% del fabbisogno energetico della nazione. Altri 70 erano programmati per essere online entro il 1990.

L'Unità Due a Three Mile Island ha subito un parziale crollo, rilasciando gas inerti (xeno e krypton) nell'ambiente. Il movimento antinucleare ha guadagnato forza dalle paure causate dall'incidente. I timori furono alimentati ancora di più nel 1986, quando l'Unità 4 nello stabilimento di Chernobyl in Ucraina subì una reazione nucleare in fuga che esplose la struttura, diffondendo materiale radioattivo in tutta l'area e in gran parte dell'Europa. Durante gli anni '90, la Germania e soprattutto la Francia hanno ampliato le loro centrali nucleari, concentrandosi su reattori più piccoli e quindi più controllabili. La Cina ha lanciato i suoi primi 2 impianti nucleari nel 2007, per un totale di 1.866 MW.

Sebbene l'energia nucleare sia al terzo posto rispetto al carbone e all'energia idroelettrica nella potenza globale prodotta, la spinta a chiudere le centrali nucleari, unita all'aumento dei costi per la costruzione e la gestione di tali impianti, ha creato un freno all'utilizzo dell'energia nucleare per l'energia. La Francia guida il mondo in percentuale dell'elettricità prodotta dai reattori nucleari, ma in Germania il solare ha superato il nucleare come produttore di energia.

Gli Stati Uniti hanno ancora oltre 60 impianti nucleari in funzione, ma le iniziative elettorali e le età dei reattori hanno chiuso gli impianti in Oregon e Washington, mentre decine di altri sono presi di mira da manifestanti e gruppi di protezione ambientale. Al momento, solo la Cina sembra espandere il suo numero di centrali nucleari, in quanto cerca di ridurre la sua forte dipendenza dal carbone (il principale fattore nel suo tasso di inquinamento estremamente elevato) e cerca un'alternativa all'importazione di petrolio.

preoccupazioni

La paura dell'energia nucleare proviene dai suoi estremi, sia come arma che come fonte di energia. La fissazione da un reattore crea materiale di scarto intrinsecamente pericoloso (vedi più sotto) e potrebbe essere adatto a bombe sporche. Sebbene diversi paesi, come la Germania e la Francia, abbiano eccellenti risultati con le loro strutture nucleari, altri esempi meno positivi, come quelli visti nell'isola di Three Mile, Chernobyl e Fukushima, hanno reso molti riluttanti ad accettare l'energia nucleare, anche se è molto più sicuro del combustibile fossile. I reattori a fusione potrebbero un giorno essere la fonte di energia economica e abbondante necessaria, ma solo se si potranno risolvere le condizioni estreme necessarie per creare la fusione e gestirla.

Scorie nucleari

Il sottoprodotto della fissione è un rifiuto radioattivo che impiega migliaia di anni per perdere i suoi pericolosi livelli di radiazione. Ciò significa che anche i reattori a fissione nucleare devono avere garanzie per questi rifiuti e il loro trasporto verso depositi disabitati o discariche. Per ulteriori informazioni al riguardo, leggi la gestione dei rifiuti radioattivi.

Evento Naturale

In natura, la fusione avviene nelle stelle, come il sole. Sulla Terra, la fusione nucleare fu raggiunta per la prima volta nella creazione della bomba all'idrogeno. La fusione è stata anche utilizzata in diversi dispositivi sperimentali, spesso con la speranza di produrre energia in modo controllato.

D'altra parte, la fissione è un processo nucleare che normalmente non si verifica in natura, poiché richiede una grande massa e un neutrone incidente. Anche così, ci sono stati esempi di fissione nucleare nei reattori naturali. Questo è stato scoperto nel 1972 quando i depositi di uranio provenienti da una miniera di Oklo, Gabon, hanno scoperto di aver subito una reazione di fissione naturale circa 2 miliardi di anni fa.

effetti

In breve, se una reazione di fissione sfugge al controllo, esplode o il reattore che si genera si scioglie in una grande pila di scorie radioattive. Tali esplosioni o crolli rilasciano tonnellate di particelle radioattive nell'aria e in qualsiasi superficie vicina (terra o acqua), contaminandola ogni minuto in cui la reazione continua. Al contrario, una reazione di fusione che perde il controllo (diventa sbilanciato) rallenta e abbassa la temperatura fino a quando non si ferma. Questo è ciò che accade alle stelle mentre bruciano il loro idrogeno in elio e perdono questi elementi nel corso di migliaia di secoli di espulsione. La fusione produce pochi rifiuti radioattivi. Se c'è qualche danno, accadrà nelle immediate vicinanze del reattore a fusione e poco altro.

È molto più sicuro usare la fusione per produrre energia, ma viene usata la fissione perché ci vuole meno energia per dividere due atomi di quanto non faccia per fondere due atomi. Inoltre, le sfide tecniche legate al controllo delle reazioni di fusione non sono state ancora superate.

Uso di armi nucleari

Tutte le armi nucleari richiedono una reazione di fissione nucleare per funzionare, ma le bombe di fissione "pure", quelle che usano una sola reazione di fissione, sono conosciute come bombe atomiche o atomiche. Le bombe atomiche furono testate per la prima volta nel New Mexico nel 1945, durante l'apice della seconda guerra mondiale. Nello stesso anno, gli Stati Uniti li hanno usati come arma a Hiroshima e Nagasaki, in Giappone.

Dalla bomba atomica, la maggior parte delle armi nucleari che sono state proposte e / o progettate hanno migliorato le reazioni di fissione in un modo o nell'altro (ad esempio, vedi armi a fissione potenziate, bombe radiologiche e bombe di neutroni). Le armi termonucleari - un'arma che utilizza sia fissione che fusione a base di idrogeno - è uno dei progressi dell'arma più noti. Sebbene l'idea di un'arma termonucleare fu proposta già nel 1941, non fu fino ai primi anni '50 che la bomba all'idrogeno (H-bomb) fu messa alla prova per la prima volta. A differenza delle bombe atomiche, le bombe all'idrogeno non sono state utilizzate in guerra, ma solo testate (ad esempio, vedi Tsar Bomba).

Ad oggi, nessuna arma nucleare fa uso della fusione nucleare da sola, sebbene i programmi di difesa governativi abbiano messo a punto ricerche considerevoli su tale possibilità.

Costo

La fissione è una potente forma di produzione di energia, ma presenta inefficienze integrate. Il combustibile nucleare, solitamente Uranio-235, è costoso da estrarre e purificare. La reazione di fissione crea calore che viene utilizzato per far bollire l'acqua per il vapore per trasformare una turbina che genera elettricità. Questa trasformazione da energia termica a energia elettrica è ingombrante e costosa. Una terza fonte di inefficienza è che la bonifica e lo stoccaggio delle scorie nucleari sono molto costose. I rifiuti sono radioattivi, richiedono uno smaltimento adeguato e la sicurezza deve essere rigorosa per garantire la sicurezza pubblica.

Perché avvenga la fusione, gli atomi devono essere confinati nel campo magnetico e portati a una temperatura di 100 milioni di Kelvin o più. Ciò richiede un'enorme quantità di energia per avviare la fusione (si pensa che le bombe atomiche e i laser forniscano quella "scintilla"), ma c'è anche la necessità di contenere correttamente il campo del plasma per la produzione di energia a lungo termine. I ricercatori stanno ancora cercando di superare queste sfide perché la fusione di un sistema di produzione di energia più sicuro e più potente della fissione, il che significa che alla fine costerebbe meno della fissione.

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