fissione e fusione nucleare mappa concettuale

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La fissione e la fusione nucleare sono due processi in cui i nuclei atomici si trasformano liberando grandi quantità di energia. Nella fissione un nucleo pesante, come l'uranio-235, si spezza in nuclei più leggeri dopo l'assorbimento di un neutrone. Nella fusione nuclei leggeri, come l'idrogeno, si uniscono formando un nucleo più pesante. Entrambi i processi seguono la curva di legame nucleare e la relazione E=mc² di Einstein, con la fusione che libera più energia per unità di massa.

Come funziona la fissione
La fissione avviene quando un nucleo pesante e instabile, come l'uranio-235, assorbe un neutrone termico e si divide in due frammenti di massa simile, emettendo altri neutroni e radiazioni. I neutroni emessi possono colpire altri nuclei e ripetere il processo: questa è la reazione a catena. Se ogni fissione provoca più di una fissione successiva, la reazione è supercritica e la potenza cresce; nei reattori viene mantenuta critica, cioè autosostenuta e stabile, grazie alle barre di controllo e al moderatore. L'energia liberata, circa 200 MeV per evento, proviene dalla differenza tra l'energia di legame dei reagenti e quella dei prodotti, secondo la relazione E=mc².

Come funziona la fusione
La fusione unisce due nuclei leggeri, tipicamente deuterio e trizio, formando elio e un neutrone. Poiché i nuclei sono carichi positivamente e si respingono, serve un'energia enorme per avvicinarli: nelle stelle ciò avviene a temperature di milioni di gradi, dove il materiale è un plasma. Nel Sole la catena protone-protone converte l'idrogeno in elio; nelle stelle più massicce operano anche il ciclo CNO e fusioni successive di elementi più pesanti. La fusione libera più energia per unità di massa della fissione, ma replicarla sulla Terra in modo continuo ed economico resta una grande sfida tecnica.

Perché entrambe liberano energia
La chiave comune è la curva di energia di legame per nucleone, che cresce fino a un massimo vicino al ferro-56 e poi diminuisce. I nuclei pesanti, come l'uranio, si trovano a destra del picco: dividendosi in frammenti più vicini al ferro aumentano la loro energia di legame e la differenza si libera. I nuclei leggeri, come l'idrogeno, sono a sinistra del picco: fondendosi salgono anch'essi verso il massimo. Per questo la fissione conviene per gli elementi pesanti e la fusione per quelli leggeri, mentre dividere o fondere nuclei vicino al ferro non produce energia utile.

Confronto e prospettive
La fissione è oggi una tecnologia consolidata: le centrali la usano dal primo reattore sperimentale di Fermi a Chicago nel 1942, ma sollevano questioni di sicurezza e gestione delle scorie. La fusione offre vantaggi teorici, come combustibile abbondante e rifiuti meno problematici, ma nessun impianto commerciale esiste ancora: gli esperimenti di confinamento magnetico e inerziale hanno raggiunto guadagni di energia positivi solo per brevi istanti. In caso di incidente, un reattore a fusione non può innescare una reazione a catena, perché il plasma si raffredda e la reazione si arresta da sola.