Ogni anno si commemora in tutto il mondo il bombardamento atomico su Hiroshima e Nagasaki.
Furono i due eventi in cui fu utilizzata l’arma atomica contro obiettivi civili e militari e per questo assunti a simbolo dell’immensa furia scatenata dall’ uomo contro l’uomo.
In realtà durante la corsa allo sviluppo delle bombe nucleari negli anni ’50 e ’60, tali armi furono indirettamente utilizzate sui civili sottoforma di ricaduta radioattiva. Ciò avvenne sia in Unione Sovietica, di cui però si sa pochissimo, sia negli USA.
Forti di un’efficiente macchina propagandistica (si pensi al filmino distribuito dall’ esercito statunitense nel 1956 “il cappellano e la bomba”), nel deserto del Nevada i test in area libera divennero motivo di spettacolo da Los Angeles e Las Vegas. Città tenute sopravento, poiché i test si svolsero quando il vento spirava dalle città verso il poligono nucleare, in modo da esporre al rischio radiazioni solo “la popolazione marginale”. Così venivano definite le genti residenti sottovento al fallout nucleare.
Genti che, come comunemente riportano i sopravvissuti agli effetti delle radiazioni,  ricordano quel sapore metallico in bocca, oggi noto come il presagio di una probabile orrenda morte.
Non scenderemo oltre nel contesto storico in cui fu utilizzata e sviluppata l’arma nucleare, ma ci concentreremo sulla natura dell’arma stessa e cercheremo di spiegare le differenze tra la tecnologia militare (bomba) e la tecnologia civile (reattore).

I due volti dell’energia nucleare

Una prima distinzione la si deve fare tra il processo di fissione e il processo di fusione.
Nel primo caso (fissione) si parte da atomi pesanti e si finisce il processo con atomi più leggeri (la cui somma delle masse è inferiore alla massa dell’atomo iniziale; da qui l’emissione di energia), mentre nel secondo caso (fusione) si parte da atomi più leggeri e si giunge ad atomi più pesanti (il cui peso è però inferiore alla somma del peso degli atomi iniziali; da qui l’emissione di energia).
Il processo di fissione lo si produce nelle bombe atomiche (bombe A) o nei reattori nucleari, mentre il processo di fusione (al momento) lo si ottiene dalle bombe all’idrogeno (bombe H) o nel core delle stelle.
Ambedue i processi rilasciamo un enorme quantità di energia, ma è il processo di fusione il “Santo Graal” dell’energia. Di seguito alcuni numeri per capire immediatamente con che cosa si ha a che fare (valori espressi in miliardi di Joule).

1 tonnellata di petrolio: 42 GJ
1 tonnellata di carbone: 30 GJ
1000 mq di gas naturale: 36 GJ
1 Kg di U 235: 80000 GJ
1 Kg di Deuterio-Trizio: 300000 GJ

Gli isotopi

In natura la chimica di un elemento, ma anche alcune sue caratteristiche fisiche, è definita dalla struttura dei gusci elettronici più esterni. Le caratteristiche chimiche degli elementi hanno dato vita alla ben nota “Tavola periodica degli elementi”.
Negli atomi, composti da un nucleo e da gusci di elettroni, la carica elettrica negativa degli elettroni è controbilanciata dalla carica elettrica positiva dei protoni. Ciò rende la materia sostanzialmente neutra.
I protoni sono dunque cariche elettriche positive concentrate nel nucleo dell’atomo e la repulsione tra gli stessi viene annullata dalla presenza dei neutroni (forza forte)
Le caratteristiche chimiche di una sostanza restano inalterate anche quando varia il numero di neutroni; per questo gli elementi che hanno stesso numero di protoni (elettroni) ma numero di neutroni differenti, occupano la medesima posizione sulla tavola periodica e vengono così definiti isotopi
Gli isotopi possono essere stabili o instabili, ossia possono rimanere come sono per un tempo indefinito oppure trasformarsi in altri elementi. Un esempio di isotopo stabile è il deuterio (idrogeno con un neutrone) e uno instabile il Trizio (idrogeno con due neutroni). Di isotopi ve ne sono parecchi, ma quelli su cui porre l’attenzione per ciò che riguarda l’energia nucleare sono il deuterio/trizio (fusione), Uranio 235 e Plutonio 239 (fissione).
Come detto certi isotopi decadono spontaneamente e lo fanno in vario modo in un tempo caratteristico.
Per dare la misura di questo fenomeno si definisce il “tempo di dimezzamento” (emivita), ossia l’intervallo di tempo in cui l’isotopo tende a dimezzare la sua presenza in natura.
L’Uranio 235 ha un’emivita di circa 700 milioni di anni, il Plutonio 239  (in natura se ne trovano tracce) poco più di 24000 anni. L’Uranio 235 lo si trova in natura in frazione dello 0.7% circa dell’Uranio 238.

Significato dei termini “fissile e fertile”

Non tutti gli atomi sono fissili, ossia in grado di catturare una particella e quindi decadere in atomi più leggeri liberando molta energia e altre particelle. Tra questi isotopi troviamo proprio l’Uranio 235 e il plutonio 239, i quali catturando un neutrone possono decadere liberando altri neutroni e una grande quantità di energia.
In altri casi, come l’Uranio 238, si parla d’elemento fertile, poiché sotto bombardamento neutronico produce anche elementi fissili e nello specifico proprio il Plutonio 239.
Quindi dall’Uranio 238 si può ottenere il materiale fissile necessario per produrre la reazione a catena (fissione nucleare). Si parla di reazione a catena poiché quando gli atomi in questione si spezzano liberano anche altri neutroni, alimentando così il processo di fissione.

La massa critica e la massa ipercritica

Il Plutonio 239 e l’Uranio 235 hanno la capacità di catturare un neutrone e, oltre all’energia liberata secondo la ben nota formula di Einstein che lega la massa e l’energia, decadendo liberano anche due o tre neutroni (media di 2.45 per l’Uranio e 2.86 per il Plutonio).

I neutroni liberati sono ad alta energia (neutroni veloci) e hanno una certa probabilità di interagire con altri atomi fissili per continuare la reazione. Se i neutroni veloci vengono rallentati attraverso l’uso di un moderatore (neutroni lenti), esempio l’acqua, la probabilità che questi interagiscano con altri atomi fissili diviene molto più elevata rispetto al caso dei neutroni veloci. In altre parole, i neutroni lenti sono molto più efficienti dei neutroni veloci nel sostenere la reazione a catena.
Ma la reazione a catena si può autosostenere solo quando la produzione di neutroni all’interno del corpo del materiale fissile è più alta o uguale al numero di neutroni che escono dalla superficie del corpo del materiale in questione. Ovvero la produzione di neutroni all’interno del copro del materiale fissile deve essere perlomeno uguale al numero di neutroni che fuggono dal corpo medesimo.
Quando si ha la condizione di equilibrio tra la produzione e la perdita di neutroni, si parla di massa critica.
Se la produzione interna di neutroni è superiore al ritmo di fuga degli stessi, si parla di massa ipercritica.
Si intuisce che la massa critica (o ipercritica) è influenzata da alcuni fattori, tra cui la geometria spaziale del materiale fissile.

Bombe e reattori a fissione

Capita di sovente d’incappare in una discussione confusa tra cosa sia un reattore nucleare e una bomba atomica. Pur avendo in comune la reazione a catena, di fatto si tratta di due oggetti completamente differenti i quali funzionano con una fondamentale differenza nella gestione della reazione di fissione.
In particolare, i reattori nucleari si fondano sull’utilizzo dei neutroni lenti e vengono progettati per raggiungere al massimo la massa critica, mentre le bombe atomiche si fondano sull’utilizzo dei neutroni veloci e sulla massimizzazione dell’ipercriticità della reazione.
Il motivo del differente disegno è semplice; la bomba deve liberare il massimo dell’energia nel tempo (brevissimo) che intercorre tra l’innesco della reazione e la vaporizzazione del materiale fissile (ossia la fine della reazione a catena), mentre il reattore è pensato per produrre energia in modo stabile e controllato.
Per costruire un reattore servono tonnellate di uranio 238 arricchito solitamente al 3% di Uranio 235, mentre per costruire una bomba atomica servono alcuni Kg di Uranio 235 o Plutonio 239 puri ad oltre il 90% (un arricchimento di questi materiali oltre il 25% è considerato di livello militare).
Ma come si può passare da una condizione inerte al raggiungimento della massa critica in tempi brevissimi ? Oggigiorno l’innesco delle bomba A è basato sulla tecnica dell’implosione (ossia una sfera di materiale fissile avvolto da un guscio di materiale esplosivo; l’esplosione simmetrica del materiale esplosivo da vita all’implosione), ma è possibile anche utilizzare la tecnica del proiettile di materiale fissile (metodo filare, ossia un proiettile di materiale fissile sparato su un’altra massa di materiale fissile).
In verità la tecnica dell’implosione permette di raggiungere efficienze più elevate e, poiché le attuali bombe A sono costruite col Plutonio in virtù della marcata inferiore richiesta di materiale fissile per il raggiungimento della massa ipercritica, anche eliminare il rischio del problema inerente la pre-detonazione (con perdita di efficienza) del Plutonio possibile nella tecnica filare, causata dalla inevitabile presenza di Plutonio 240.
La bomba di Hiroshima (little boy) era composta da 65 kg di Uranio e basata sulla tecnica filare. La potenza sprigionata fu di circa 15 Kt. La bomba sganciata su Nagasaki (fat man) era composta da circa 7 Kg di Plutonio con detonatore ad implosione e sviluppò una potenza di circa 21 Kt. Le bombe moderne arrivano a sviluppare una potenza di 10 Kt per Kg di materiale fissile.

Abbiamo prima segnalato come un flusso di neutroni possa produrre materiale fissile in presenza di materiale fertile. Questo è proprio il caso dei reattori nucleari, che inizialmente partono con barre di uranio 238 arricchite (la fase di arricchimento lascia come sottoprodotto dell’Uranio 238 a bassissimo tenore di Uranio 235 detto Uranio impoverito), ma nel corso del tempo, oltre a consumare la frazione di Uranio 235, si intossicano di materiali derivati dal bombardamento neutronico innescato dalla reazione a catena. Con l’andare del tempo si rende perciò necessario sostituire le barre esauste e da queste si può, per via chimica, estrarre il Plutonio.
E qui nasce la terribile ambiguità sull’utilizzo dei reattori nucleari, poiché vi sono schemi di reattori progettati innanzitutto per produrre Plutonio 239, mentre altri progettati per produrre energia.
I reattori progettati per produrre Plutonio 239 devono essere comodi nella gestione delle barre in esso presenti, poiché la produzione di Plutonio 239 vuole una permanenza non troppo prolungata delle barre nel reattore, pena la formazione di un’importante frazione di Plutonio 240, che è un isotopo fissile molto reattivo di difficile gestione nella fase progettuale delle bombe.
Reattori siffatti sono quelli a grafite (ad esempio Cernobyl) o ad acqua pesante.
I reattori ad acqua leggera sono di più difficoltosa gestione in tal senso e per questo orientati alla produzione di energia.
La reazione a catena in un reattore è gestita, come detto, attraverso il processo di moderazione.
Nei reattori a grafite si utilizzano le barre di moderazione (indio, cadmio, argento o carburi di silicio), mentre nei reattori ad acqua è l’acqua stessa il moderatore.
Utilizzare l’acqua come moderatore è anche un elemento di sicurezza poiché, essendo l’elemento che rallenta i neutroni e dunque rende possibile il raggiungimento della massa critica, in caso di problemi la rimozione dell’acqua riconsegna il reattore ai neutroni veloci, i quali essendo meno efficienti portano la reazione in condizione subcritica (quindi la reazione a catena si ferma).
La catastrofe di Cernobyl fu causata da un disgraziato esperimento, nel corso del quale si deformò la struttura del reattore impedendo il rientro delle barre di moderazione, permettendo così alla reazione di continuare indisturbata a regime critico.

Il Sole sulla Terra

Una volta scoperta la bomba A, si fece avanti l’idea di creare un’arma basata sul processo di fusione nucleare. Le stelle brillano grazie a quel processo fisico, ma nelle stelle il processo avviene in modo controllato; si tratta di fatto dei reattori nucleari a fusione. La tecnologia attuale non permette di ricreare sulla Terra (se non in modo sperimentale) in modo controllato e stabile la fusione nucleare (qui si aprirebbe una lunga e spinosa parentesi che esula dallo scopo di questo breve articolo).
Nel processo di fusione 4 protoni (atomi di Idrogeno) si fondono per dar vita ad un atomo di Elio. Abbiamo già detto che ciò libera un’enorme energia e quindi chi pensò a quest’arma era ben conscio della terrificante potenza in gioco. Robert Oppenheimer, uno dei più illustri padri della bomba A, si oppose allo sviluppo della bomba H, poiché dopo Hiroshima dichiarò d’esser stato complice d’aver aperto le porte dell’inferno, ma il governo USA lo estromise e seguì Edward Teller il più guerrafondaio dei fisici
Mentre la bomba A ha limiti di potenza determinati dal problema della massa critica (stiamo parlando comunque di potenze tra i 10 e 20 Mt), la bomba all’idrogeno non ha un limite finito.
L’innesco della bomba H necessita però di una bomba A, poiché altrimenti non si potrebbero raggiungere le pressioni e le temperature adeguate per innescare il processo di fusione.
Quindi la bomba H ha un’anima costituita da una bomba A avvolta da una miscela di Deuterio/Trizio (si usano gli isotopi dell’idrogeno per maggior efficienza d’innesco in termini di calore e pressione necessaria)
Il primo Novembre 1952 il Sole cadde sulla Terra nell’atollo Enewetak (Isole Marshall), sito che gli statunitensi sacrificarono per svolgere il test Ivy Mike della prima bomba all’idrogeno. La potenza sprigionata nel test fu di 11 Mt. Ma la più terrificante esplosione termonucleare la produssero i sovietici.
La bomba Tsar esplose in Novaya Zemlya il 30 Ottobre 1961 e la potenza nominale fu di 50 Mt (potenza effettiva all’esplosione probabilmente 38 Mt).