Fissione contro fusione: la chimica dell'energia nucleare

Nel dicembre del 1938, due chimici tedeschi, Otto Hahn e Fritz Strassmann, fecero qualcosa che non aveva alcun senso. Stavano bombardando l'uranio con neutroni, aspettandosi di spingerlo verso elementi leggermente più pesanti. Invece, la loro accurata analisi chimica continuava a rivelare bario, un elemento poco più della metà della massa dell'uranio. Era come se aveste dato un colpetto a una palla da bowling e l'aveste vista dividersi in due palline da tennis. Hahn scrisse alla sua ex collega Lise Meitner, ormai rifugiata in Svezia, chiedendole come ciò fosse possibile. Meitner, ragionando sul problema durante una passeggiata invernale con il nipote Otto Frisch, capì che il nucleo dell'uranio si era effettivamente spezzato in due.

Frisch prese in prestito una parola dalla biologia, dove una singola cellula si divide in due: fissione. Con quella singola osservazione, la chimica della tavola periodica si scontrò con la fisica del nucleo atomico, e il mondo moderno dei reattori, delle bombe e del lungo sogno dell'energia pulita da fusione fu messo in moto. Per comprendere tutto questo, basta una sola idea, strana e bellissima: che la massa di un atomo non è esattamente la somma delle sue parti.

La massa che scompare

Ogni nucleo atomico è un grappolo di protoni e neutroni, tenuti insieme contro la feroce repulsione elettrica di tutti quei protoni positivi da qualcosa chiamato forza nucleare forte. Tenerli insieme costa energia, o meglio, la rilascia. Ecco la parte controintuitiva: un nucleo legato pesa leggermente meno di quanto peserebbero da soli i protoni e i neutroni che lo compongono. Quella massa mancante è il famoso "difetto di massa".

L'equazione di Albert Einstein E = mc al quadrato ci dice che fine ha fatto. Massa ed energia sono due valute della stessa cosa, e il tasso di cambio, c al quadrato, è enorme perché la velocità della luce è così grande. Quantità minime di massa svanita diventano enormi quantità di energia. L'energia racchiusa in questo scambio è l'energia di legame, la colla che tiene insieme il nucleo. Quando si riorganizzano i nuclei in un modo che permette loro di perdere anche solo un po' più di massa, quel surplus di energia viene fuori a fiumi.

Questo è il cuore di tutta l'energia nucleare, ed è anche il motivo per cui le reazioni nucleari liberano milioni di volte più energia per atomo rispetto alle reazioni chimiche come la combustione del carbone. Le reazioni chimiche rimescolano gli elettroni nelle periferie esterne dell'atomo; le reazioni nucleari riorganizzano il denso nucleo, ricco di energia, al suo centro.

La curva che spiega ogni cosa

Se si traccia un grafico dell'energia di legame per particella in funzione delle dimensioni del nucleo, si ottiene uno dei diagrammi più importanti di tutta la scienza. Sale ripidamente per gli elementi più leggeri, raggiunge il picco intorno al ferro e al nichel (all'incirca l'elemento 26), poi scende dolcemente per gli elementi più pesanti come l'uranio.

Il picco è la chiave. Il ferro-56 si trova vicino al punto più stabile, il fondo di una valle energetica in cui ogni nucleo "vorrebbe" rotolare. Questa singola curva spiega entrambi i modi di estrarre energia nucleare.

In discesa dal lato pesante: dividi un nucleo molto pesante come l'uranio in due pezzi di taglia media, e i frammenti sono più vicini al picco del ferro, legati più saldamente, complessivamente più leggeri. La massa perduta diventa energia. Questa è la fissione.

In discesa dal lato leggero: fondi due nuclei molto leggeri come l'idrogeno in uno più pesante e più vicino al picco, e di nuovo il prodotto è legato più saldamente, e di nuovo la massa si converte in energia. Questa è la fusione.

Entrambi i processi salgono verso la stessa cima da versanti opposti. Tutto ciò che si trova oltre il ferro non ha più energia da cedere per nessuna delle due vie, ed è per questo che il ferro è, in un senso reale, cenere nucleare.

Fissione: scindere i pesi massimi

La fissione è il trucco più facile da realizzare, ed è per questo che è arrivata per prima. Alcuni isotopi pesanti, soprattutto l'uranio-235 e il plutonio-239, sono "fissili". Quando un neutrone lento colpisce un nucleo di uranio-235, il nucleo diventa per un istante instabile, oscilla come una goccia d'acqua stirata, e si scinde in due nuclei più leggeri (come bario e cripto), più un'esplosione di energia e, cosa cruciale, altri due o tre neutroni.

Quei neutroni in più sono tutto. Ciascuno di essi può colpire un altro nucleo di uranio e innescare un'altra scissione, che rilascia altri neutroni, e così via. Questa è la reazione a catena, e se proceda dolcemente o violentemente è tutta la differenza che corre tra una centrale elettrica e una bomba.

L'uranio naturale è composto per oltre il 99 percento da uranio-238, che non sostiene bene una reazione a catena, e per meno dell'1 percento dal fissile uranio-235. Per usarlo, gli ingegneri "arricchiscono" l'uranio, aumentando la frazione di uranio-235. Il combustibile per reattori è tipicamente arricchito fino a circa il 3-5 percento di uranio-235, abbastanza per una combustione lenta e controllata. Il contenuto fissile necessario per un'arma è molto più alto, ed è una delle ragioni per cui l'arricchimento è così attentamente sorvegliato a livello internazionale.

Bombe contro centrali elettriche

Una bomba a fissione e un reattore a fissione condividono la stessa fisica ma hanno obiettivi opposti. Una bomba vuole che la reazione a catena si scateni il più velocemente possibile; un reattore vuole tenerla in equilibrio sul filo del rasoio, rilasciando calore costante senza mai accelerare fuori controllo.

La bomba: un'arma assembla una "massa critica" di uranio-235 o plutonio-239 altamente arricchiti in modo così repentino e compatto che la reazione a catena si moltiplica in misura astronomica in una frazione di secondo, prima che il materiale possa disintegrarsi. La bomba sganciata su Hiroshima nell'agosto del 1945 usava uranio-235; quella sganciata su Nagasaki tre giorni dopo usava plutonio-239. Restano le sole due armi nucleari mai usate in guerra, e la portata della catastrofe umana che provocarono, decine di migliaia di persone uccise all'istante e molte altre morte in seguito per le ferite e le radiazioni, è esattamente il motivo per cui da allora questa tecnologia è stata trattata con tanta grave serietà.

La centrale elettrica: un reattore usa combustibile a basso arricchimento che fisicamente non può esplodere come una bomba. Due salvaguardie lo tengono a bada. Le barre di controllo fatte di materiali che assorbono i neutroni, come il boro o il cadmio, scivolano nel nocciolo per assorbire i neutroni in eccesso e rallentare la reazione. Un moderatore, di solito comune acqua, rallenta i neutroni veloci fino alle velocità moderate che l'uranio-235 assorbe più prontamente. Il calore fa bollire l'acqua trasformandola in vapore, il vapore fa girare una turbina, e la turbina aziona un generatore. Tolto via il nocciolo esotico, una centrale nucleare è solo un modo molto sofisticato di far bollire l'acqua.

Il grande svantaggio della fissione sono le sue scorie. I frammenti della scissione sono essi stessi radioattivi, alcuni di essi in modo pericoloso per migliaia di anni, ed è per questo che lo stoccaggio a lungo termine resta una sfida reale e ancora in gran parte irrisolta.

Fusione: la potenza delle stelle

La fusione percorre la curva nella direzione opposta, e la natura lo fa su scala colossale da miliardi di anni. Il Sole è un reattore a fusione. Nel suo nucleo, i nuclei di idrogeno si fondono passo dopo passo in elio, e la massa persa nel processo è ciò che fa brillare il Sole. Il calore del nostro pianeta, il suo clima e quasi tutta la sua vita sono in ultima analisi alimentati dalla fusione che avviene a 150 milioni di chilometri di distanza.

L'attrattiva della fusione è evidente. Il combustibile, gli isotopi dell'idrogeno, può essere ricavato dall'acqua ed è di fatto illimitato. Non produce scorie radioattive a lunga vita del tipo prodotto dalla fissione, e non può fondere né scatenarsi, perché la reazione si arresta nell'istante in cui le condizioni vengono meno. Per unità di combustibile, la fusione libera ancora più energia della fissione.

Allora perché non ci stiamo già alimentando con essa? Perché far fondere i nuclei è terribilmente difficile. Ogni nucleo porta una carica positiva, e le cariche dello stesso segno si respingono. Per costringere due nuclei di idrogeno abbastanza vicini perché la forza forte possa fare presa, bisogna superare questo muro elettrico, il che significa riscaldare il combustibile fino a circa 100 milioni di gradi, ben più caldo del centro del Sole. (Il Sole se la cava con un nucleo più freddo perché la sua schiacciante gravità e le sue dimensioni immense compensano la differenza.) A quelle temperature la materia diventa plasma, un gas carico che nessun contenitore solido può toccare. Gli scienziati usano potenti campi magnetici, in macchine a forma di ciambella chiamate tokamak, per tenere il plasma sospeso in una sorta di bottiglia magnetica.

Il sogno della fusione, e perché continua ad allontanarsi

La sfida decisiva della fusione è l'ignizione: ottenere dalla reazione più energia di quanta se ne immetta per mantenerla calda e confinata. Per decenni questo è rimasto appena fuori portata, il che ha alimentato la vecchia battuta secondo cui la fusione pratica è sempre lontana trent'anni.

Il quadro è cambiato davvero negli ultimi anni. Alla fine del 2022, i ricercatori della National Ignition Facility in California, usando una schiera di laser ad alta potenza anziché magneti, hanno riferito la prima reazione di fusione controllata che ha rilasciato più energia di quanta ne avesse fornita il laser al pellet di combustibile. È stata una pietra miliare, ed è stata reale. Ma è importante essere onesti su ciò che significa e su ciò che non significa. Il traguardo ha conteggiato solo l'energia che ha raggiunto il combustibile, non l'energia molto più grande che i laser hanno consumato in totale, ed è stato un singolo breve lampo, non una reazione sostenuta e autosufficiente che alimenti una rete elettrica.

Nel frattempo, il progetto internazionale ITER nel sud della Francia, un tokamak costruito da una coalizione di decine di Paesi, punta a dimostrare una fusione magnetica sostenuta e su larga scala. È uno degli sforzi ingegneristici più ambiziosi mai tentati, ed è lontano anni dal completamento. Trasformare tutto questo in reattori che alimentino in modo affidabile l'elettricità nelle case richiederà, secondo le previsioni più diffuse, altri decenni. La fisica non è più in dubbio; l'ingegneria resta davvero formidabile.

Punti chiave

L'energia nucleare, in entrambe le sue forme, si riduce a una sola elegante idea presa in prestito da Einstein: riorganizza un nucleo in modo che perda una scheggia di massa, e quella massa riappare come un'enorme esplosione di energia. La curva dell'energia di legame, con il suo picco sul ferro, mostra le due strade verso quella cima. La fissione scende dal lato pesante, scindendo uranio o plutonio in una reazione a catena che già imbrigliamo, dolcemente nelle centrali elettriche che semplicemente fanno bollire l'acqua, e catastroficamente nelle armi il cui uso su Hiroshima e Nagasaki definisce ancora la nostra percezione della gravità di questa tecnologia. La fusione sale dal lato leggero, lo stesso processo che accende il Sole, offrendo un combustibile pulito e quasi illimitato ma esigendo temperature e confinamento così estremi che solo ora stiamo coltivando in laboratorio i primi bagliori di energia netta. Un processo è il cavallo da tiro di oggi; l'altro resta il sogno di domani, non più impossibile, ma ancora, per ora, appena oltre l'orizzonte.