Fissione nucleare e fusione

Fusione nucleare e fissione nucleare sono diversi tipi di reazioni che rilasciano energia a causa della presenza di legami atomici ad alta potenza tra le particelle che si trovano 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 piccoli atomi si fondono insieme, creando un atomo più grande e più pesante.

Grafico comparativo

Tabella di confronto tra Fissione nucleare e Fusione nucleare

	Fissione nucleare	Fusione nucleare
Definizione	La 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 processo	La reazione di fissione non si verifica normalmente in natura.	La fusione avviene nelle stelle, come il sole.
Sottoprodotti della reazione	La fissione produce molte particelle altamente radioattive.	Poche particelle radioattive sono prodotte dalla reazione di fusione, ma se viene usato un "trigger" di fissione, ne risulteranno particelle radioattive.
condizioni	Sono richiesti massa critica della sostanza e neutroni ad alta velocità.	È richiesto un ambiente ad alta densità e alta temperatura.
Fabbisogno energetico	Prende poca energia per dividere due atomi in una reazione di fissione.	È richiesta un'energia estremamente alta per portare due o più protoni abbastanza vicini da consentire alle forze nucleari di superare la loro repulsione elettrostatica.
Energia rilasciata	L'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 da tre a quattro volte maggiore dell'energia liberata dalla fissione.
Arma nucleare	Una 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 usa una reazione di fissione per "scatenare" una reazione di fusione.
Produzione di energia	La fissione è usata nelle centrali nucleari.	La fusione è una tecnologia sperimentale per produrre energia.
Carburante	L'uranio è il combustibile primario utilizzato nelle centrali elettriche.	Gli isotopi dell'idrogeno (deuterio e trizio) sono il combustibile primario utilizzato nelle centrali sperimentali a fusione.

Contenuti: Fissione nucleare e fusione

• 1 Definizioni
• 2 Fissione vs. Fusion Physics
  • 2.1 Condizioni per la fissione e la fusione
  • 2.2 Reazione a catena
  • 2.3 Rapporti energetici
• 3 Uso di energia nucleare
  • 3.1 Preoccupazioni
  • 3.2 Rifiuti nucleari
• 4 Evento naturale
• 5 effetti
• 6 Uso di armi nucleari
• 7 costo
• 8 riferimenti

definizioni

Fusione di deuterio con trizio che crea elio-4, liberando un neutrone e liberando 17,5 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 alto (più protoni nel nucleo). L'energia rilasciata in fusione è correlata a E = mc ² (Famosa equazione di massa energetica di Einstein). Sulla Terra, la reazione di fusione più probabile è la reazione del deuterio-trizio. Il deuterio e il trizio sono isotopi dell'idrogeno.

² ₁Deuterio + ³ ₁Tritium = ⁴₂lui + ¹₀n + 17,6 MeV

[Immagine: Fission-Reaction.svg | thumb | none | Fission Reaction]]

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:

²³⁵₉₂U + n = ²³⁶₉₂U

seguito da

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Ba + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3n + 177 MeV

Fissione vs. Fusion Physics

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 è chiamata energia vincolante. L'energia più vincolante contenuta nei legami, più stabile è l'atomo. Inoltre, gli atomi cercano di diventare più stabili aumentando la loro energia legante.

Il nucleone di un atomo di ferro è il nucleo più stabile trovato in natura, e non si fonde né si divide. Questo è il motivo per cui il ferro è nella parte superiore della curva energetica vincolante. Per i nuclei atomici più leggeri del ferro e del nichel, l'energia può essere estratta da combinando nuclei di ferro e nichel insieme attraverso la fusione nucleare. Al contrario, per i nuclei atomici più pesanti del ferro o del nichel, l'energia può essere rilasciata da scissione i nuclei pesanti attraverso la fissione nucleare.

La nozione di scissione dell'atomo nacque dal lavoro del fisico britannico di origine neozelandese Ernest Rutherford, che portò anche alla scoperta del protone.

Condizioni per la fissione e la fusione

La fissione può avvenire solo in grandi isotopi che contengono più neutroni dei protoni nei loro nuclei, il che porta ad un ambiente leggermente stabile. Sebbene gli scienziati non comprendano ancora pienamente 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 "vuoti" che causano l'indebolimento di il legame nucleare, che porta al decadimento (radiazioni). Questi grandi nuclei con più "lacune" possono essere "divisi" dall'impatto dei neutroni termici, i cosiddetti neutroni "lenti".

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

I reattori nucleari sono per lo più sistemi di fissione controllati che utilizzano campi magnetici per contenere neutroni vaganti; questo crea un rapporto approssimativamente 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 sono forzati insieme da un'enorme energia (pressione e calore) finché non si fondono in un altro isotopo e rilasciano energia. L'energia necessaria per avviare una reazione di fusione è talmente grande da richiedere un'esplosione atomica per produrre questa reazione. Tuttavia, una volta iniziata la fusione, può teoricamente continuare a produrre energia finché viene controllata e vengono forniti gli isotopi di fusione di base.

La forma più comune di fusione, che si verifica nelle stelle, è chiamata "fusione D-T", che si riferisce a due isotopi di idrogeno: deuterio e trizio. Il deuterio ha 2 neutroni e il trizio ne ha 3, più del protone dell'idrogeno. Questo rende il processo di fusione più facile poiché deve essere superata solo la carica tra due protoni, perché la fusione dei neutroni e del protone richiede il superamento della forza repellente naturale delle particelle cariche (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 la fusione DT (45 milioni di Kelvin o leggermente meno in Celsius). Per 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 da generare plasma, uno dei quattro stati della materia. Il risultato di tale contenimento è un rilascio di energia dalla reazione D-T, producendo elio (un gas nobile, inerte ad ogni reazione) e neutroni di riserva 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 ottenere uno stato di plasma stabile, ma gli sforzi sono in corso.

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

Reazione a catena

Le reazioni nucleari di fissione e fusione sono reazioni a catena, nel senso che un evento nucleare provoca almeno un'altra reazione nucleare, e tipicamente di più. Il risultato è un crescente ciclo di reazioni che possono rapidamente diventare incontrollate. Questo tipo di reazione nucleare può essere suddivisione multipla di isotopi pesanti (per es. ²³⁵ U) o la fusione di isotopi leggeri (ad es. ²Mano ³H).

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

Rapporti energetici

Le reazioni di fusione rilasciano 3-4 volte più energia rispetto alle reazioni di fissione. Sebbene non esistano sistemi di fusione basati sulla Terra, l'output del sole è tipico della produzione di energia di fusione in quanto converte costantemente gli isotopi di idrogeno in elio, emettendo spettri di luce e calore. Fission 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 poi 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, Ontario, nel 1947. Il primo impianto per l'energia nucleare negli Stati Uniti, l'Experimental Breeder Reactor-1, fu lanciato poco dopo, nel 1951; potrebbe accendere 4 lampadine. Tre anni dopo, nel 1954, gli Stati Uniti lanciarono il suo primo sottomarino nucleare, l'U.S.S. Nautilus, mentre l'U.S.S.R. ha lanciato il primo reattore nucleare al mondo per la produzione di energia su larga scala, a Obninsk. Gli Stati Uniti hanno inaugurato il suo impianto di produzione di energia nucleare un anno dopo, illuminando Arco, Idaho (1.000 pezzi).

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

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

I francesi lanciarono il loro primo reattore nucleare, il Phénix, capace di produrre 250 megawatt di potenza, nel 1973. Il più potente reattore per la produzione di energia negli Stati Uniti (1315 MW) fu aperto nel 1976, presso la Trojan Power Plant dell'Oregon. Nel 1977, gli Stati Uniti avevano 63 impianti nucleari in funzione, fornendo il 3% del fabbisogno energetico nazionale. Altri 70 erano programmati per venire in linea entro il 1990.

L'Unità Due a Three Mile Island subì una fusione parziale, rilasciando gas inerti (xeno e kripton) nell'ambiente. Il movimento antinucleare ha guadagnato forza dai timori causati dall'incidente. I timori sono stati alimentati ancora di più nel 1986, quando l'Unità 4 nello stabilimento di Chernobyl in Ucraina ha subito una reazione nucleare in fuga che ha fatto esplodere la struttura, diffondendo materiale radioattivo in tutta l'area e in buona parte dell'Europa. Durante gli anni '90, la Germania e in particolare 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, producendo un totale di 1.866 MW.

Sebbene l'energia nucleare sia al terzo posto rispetto al carbone e all'energia idroelettrica nel wattaggio globale prodotto, la spinta a chiudere le centrali nucleari, insieme ai costi crescenti per costruire e gestire tali impianti, ha creato un ritiro sull'uso dell'energia nucleare per il potere. La Francia è leader mondiale in percentuale di elettricità prodotta dai reattori nucleari, ma in Germania il solare ha superato il nucleare come produttore di energia.

Gli Stati Uniti hanno ancora in funzione oltre 60 impianti nucleari, ma le iniziative di ballottaggio e le età dei reattori hanno chiuso le fabbriche in Oregon e Washington, mentre altre decine sono prese di mira da manifestanti e gruppi di protezione ambientale. Al momento, solo la Cina sembra espandere il proprio numero di centrali nucleari, poiché cerca di ridurre la sua forte dipendenza dal carbone (il principale fattore del suo altissimo tasso di inquinamento) e cerca un'alternativa all'importazione di petrolio.

preoccupazioni

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

Scorie nucleari

Il sottoprodotto della fissione è uno spreco radioattivo che impiega migliaia di anni per perdere i suoi pericolosi livelli di radiazioni. Ciò significa che i reattori a fissione nucleare devono anche avere garanzie per questi rifiuti e il loro trasporto verso siti di stoccaggio o discariche disabitate. Per maggiori informazioni su questo, leggi la gestione dei rifiuti radioattivi.

Evento naturale

In natura, la fusione avviene nelle stelle, come il sole. Sulla Terra, la fusione nucleare è stata inizialmente raggiunta 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 fu scoperto nel 1972 quando si scoprì che i depositi di uranio di una Oklo, Gabon, miniera, avevano subito una reazione di fissione naturale circa 2 miliardi di anni fa.

effetti

In breve, se una reazione di fissione diventa fuori controllo, o esplode o il reattore che la genera si scioglie in un grande mucchio di scorie radioattive. Tali esplosioni o scioglimenti rilasciano tonnellate di particelle radioattive nell'aria e in qualsiasi superficie adiacente (terra o acqua), contaminandola ogni minuto in cui la reazione continua. Al contrario, una reazione di fusione che perde il controllo (diventa sbilanciata) rallenta e fa abbassare la temperatura finché non si ferma. Questo è ciò che accade alle stelle quando bruciano il loro idrogeno in elio e perdono questi elementi per migliaia di secoli di espulsione. La fusione produce pochi rifiuti radioattivi. Se c'è qualche danno, succederà alle immediate vicinanze del reattore a fusione e poco altro.

È molto più sicuro usare la fusione per produrre energia, ma la fissione è usata perché richiede 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 ancora state superate.

Uso di armi nucleari

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

Dalla bomba atomica, la maggior parte delle armi nucleari che sono state proposte e / o ingegnerizzate hanno migliorato la (e) reazione (i) di fissione in un modo o nell'altro (ad esempio, vedi arma potenziata con fissione, bombe radiologiche e bombe al neutrone). Arma termonucleare - un'arma che usa entrambe le fissione e fusione a base di idrogeno - è uno dei progressi più noti nell'arma. Sebbene la nozione di arma termonucleare fosse stata proposta già nel 1941, fu solo all'inizio degli anni '50 che venne testata la bomba all'idrogeno (bomba H). A differenza delle bombe atomiche, le bombe all'idrogeno lo hanno non usato in guerra, testato solo (ad esempio, vedi Tsar Bomba).

Fino ad oggi, nessuna arma nucleare utilizza solo la fusione nucleare, sebbene i programmi di difesa governativa abbiano posto una ricerca considerevole su tale possibilità.

Costo

La fissione è una forma potente di produzione di energia, ma viene fornita con inefficienze integrate. Il combustibile nucleare, di solito Uranium-235, è costoso da estrarre e purificare. La reazione di fissione crea calore che viene utilizzato per far bollire l'acqua affinché il vapore trasformi una turbina che genera elettricità. Questa trasformazione dall'energia termica all'energia elettrica è ingombrante e costosa. Una terza fonte di inefficienza è che la pulizia e lo stoccaggio di rifiuti nucleari sono molto costosi. I rifiuti sono radioattivi, richiedono uno smaltimento adeguato e la sicurezza deve essere rigorosa per garantire la sicurezza pubblica.

Perché si verifichi 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 iniziare 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 è un sistema di produzione di energia più sicuro e più potente della fissione, il che significa che alla fine costerebbe meno della fissione.

Riferimenti

• Fissione e fusione - Brian Swarthout su YouTube
• Cronologia della storia nucleare - Database di formazione online
• Stabilità nucleare e numeri magici - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: fusione nucleare
• Wikipedia: fissione nucleare