L'energia nucleare é l'energia che tiene legata la parte interna dell'atomo, cioè le particelle che formano il nucleo.
La prima persona che intuì la possibilità di ricavare energia dal nucleo dell'atomo fu lo scienziato tedesco Albert Einstein. Nel 1905 egli annunciò la sua teoria dell'equivalenza tra materia ed energia, espressa nella famosa formula:
E= m c2
Essa permette di calcolare quanta energia (E) si ottiene dalla trasformazione di una certa quantità di materia(m); la costante c2 corrisponde alla velocità della luce (300.000 km/s) elevata al quadrato.
Poiché questa costante é grandissima basta far sparire una piccola quantità di materia per ottenere una gran quantità di energia. 

Per ricavare energia dal nucleo dell'atomo esistono due procedimenti, un opposto all'altro:

la fissione (rottura) di un nucleopesante come quello dell'uranio.

la fusione (unione) dei nuclei leggeri come quelli di idrogeno.

La fissione dell'uranio

Quasi tutti gli elementi esistenti in natura hanno un nucleo molto stabile, che non può essere rotto, come nel caso del ferro, dell'alluminio, dell'ossigeno, del cloro, ecc.
L'Uranio235, uno degli elementi più pesanti esistenti in natura, costituisce un'eccezione. La fissione, avviene quindi in questo modo:
- Un neutrone é stato "sparato" contro il nucleo atomico, che si divide in due frammenti e lascia liberi altri due nuclei atomici.
- Rimangono quindi i due nuclei risultanti e il neutrone liberato.
Dalla rottura del nucleo, si produce l'energia.
Quando gli atomi sono molti, si ha una reazione a catena, ma che avverrà molto lentamente; tuttavia si può arricchire l'uranio naturale, aumentando la percentuale dell'Uranio 235 con una tecnica complessa.
Per la bomba atomica serve un arricchimento al 90% circa. In questo caso la reazione a catena avviene in un tempo brevissimo e in una frazione di secondo si libera una quantità di energia enorme. E' questo lo scopo bellico dell'energia atomica.
La prima bomba atomica fu fatta esplodere dagli americani nel 1954 nel poligono sperimentale del deserto di Alamogordo. Tre settimane dopo una bomba simile annientava la città giapponese di Hiroshima, dando fine alla seconda guerra mondiale.
Per i reattori nucleari basta un arricchimento al 3%. In questo caso la reazione a catena si sviluppa lentamente e libera un flusso regolare di energia in forma controllata. E' questo l'uso pacifico dell'energia nucleare, l'uso nelle centrali elettriche per produrre energia elettrica e per muovere le eliche in alcuni sottomarini.
Il primo reattore sperimentale per produrre elettricità é stato costruito negli Stati Uniti nel 1951.

La centrale nucleare

Sfrutta l'energia termica che ha origine all'interno dei reattori nucleari. Se si potesse realizzare la trasformazione integrale della materia in energia si otterrebbero quantità enormi di energia con pochissima materia: da un grammo di materia si potrebbero ricavare 25·106 kWh (quanti ne può fornire la maggiore centrale italiana in 100 ore).
Tuttavia non è stato attuato, né è prevedibile in un prossimo futuro, un sistema nucleare capace di tanto. Attualmente sono realizzati, o in fase di studio, sistemi nei quali, trasformando la struttura del nucleo, si ha la scomparsa di una frazione della materia interagente e la corrispondente apparizione d'energia. I primi consistono nello spezzare un atomo pesante (uranio, plutonio) in due o più frammenti leggeri, la somma delle cui masse è inferiore a quella originale (fissione); i secondi, attualmente ancora in fase di studio, si basano sulla combinazione di nuclei leggeri (idrogeno, trizio, elio) per ottenere un atomo unico, di massa inferiore a quelle componenti (fusione).
I combustibili nucleari in grado di subire il processo di fissione sono l'uranio 235, il plutonio 239 e l'uranio 233: solo il primo esiste in natura nella percentuale dello 0,7% nei minerali d'uranio. Oggi tuttavia vi sono centrali che funzionano anche con uranio naturale, costituito dagli isotopi 234, 235, 238 dell'uranio, in diversa percentuale.
Nel reattore nucleare, il moderatore regola il flusso dei neutroni, artefici della fissione, e il riflettore ne impedisce la fuga verso l'esterno: in tal modo la reazione si mantiene ad un livello prestabilito e controllabile. Il calore liberato dalla fissione viene estratto dal nocciolo del reattore da un refrigerante (liquido o gas) che generalmente, per mezzo di scambiatori di calore, lo cede all'acqua che vaporizza e quindi agisce nella turbina (ciclo indiretto). In alcuni tipi di reattori si utilizza direttamente il fluido primario in una turbina a gas (ciclo diretto). Una tonnellata di uranio può fornire fino a 108 kWh. Il costo iniziale di installazione e avviamento di un impianto nucleare è notevolmente superiore a quello di una centrale tradizionale, però i costi di esercizio sono minori.

I problemi e le preoccupazioni per un impianto di questo tipo derivano sostanzialmente dal pericolo di radioattività connesso al loro esercizio. Le possibilità d'emissioni di gas radioattivi non sono tanto legate a condizioni d'esercizio normali, quanto alla possibilità che si verifichino incidenti o disfunzioni. Alcuni incidenti di diversa gravità hanno notevolmente preoccupato l'opinione pubblica. I più gravi sono quelli verificatisi a Three Miles Island in Pennsylvania e a Pipetta Cernobyl in Ucraina. Comunque, al di là dei possibili incidenti, rimane la necessità di smaltire le scorie radioattive rappresentate dai residui non più utilizzabili di combustibile nucleare.
Per farsi un'idea della pericolosità delle scorie radioattive basta pensare che una massa di prodotti di fissione, corrispondente a 10¹º curie, dovrebbe essere diluita in circa 100 milioni di km³ d'acqua di mare per ottenere una radioattività appena inferiore a quella tollerabile nell'acqua potabile. Le scorie e i rifiuti radioattivi non possono dunque venire immessi nell'ambiente ordinario se non dopo aver subito trattamenti adeguati che n'eliminino la pericolosità di contaminazione.
I metodi di trattamento variano a seconda della forma e del potenziale livello di contaminazione. L'elemento estremamente importante che caratterizza ciascun metodo di trattamento è il cosiddetto fattore di decontaminazione, vale a dire il rapporto fra le attività radioattive specifiche dei rifiuti prima e dopo il trattamento. Infatti un elevato fattore di decontaminazione significa poter ottenere effluenti innocui all'uomo e all'ambiente, anche con un singolo o pochi stadi di trattamento.
Per le centrali nucleari, dopo un periodo in cui si è pensato a una rapida diffusione, la loro installazione ha subito un grande rallentamento negli ultimi anni. A fronte di una sempre crescente richiesta di energia, acuita dalla crisi petrolifera, sono aumentate le preoccupazioni relative alle centrali nucleari e hanno preso forza i movimenti antinucleari.
Questi motivi hanno fatto aprire un dibattito a livello mondiale, che ha quasi sempre assunto l'aspetto di un'accesa polemica e ha bloccato l'installazione di nuove centrali, in Italia, dopo l'esito del referendum del 1987 contro il loro sviluppo.

L'incidente di Chernobyl

La centrale ucraina di Chernobyl ha quattro reattori. La direzione decide di effettuare un particolare esperimento(molto rischioso anche su la carta) con il reattore dell'unità 4, il più recente dell'impianto.
Essendo in funzione dal 1983, gli elementi di combustibile nel 1986 contengono una grande quantità di atomi radioattivi di lunga durata. Per eseguire la prova la direzione ha chiesto le necessarie autorizzazioni agli organi centrali competenti che però non inviano alcuna risposta. Il 26 aprile 1986, la direzione decide di passare all'esecuzione dell'esperimento all'unità 4.
Secondo i piani, viene disinserito l'impianto di raffreddamento di emergenza. Questo é il primo e più fatale degli errori. Mentre il reattore viene portato ad uno stato instabile, come nel programma, avviene un improvviso e fortissimo riscaldamento. Ora i tecnici sono di fronte ad una alternativa: possono intervenire e riportare il reattore ad uno stato stabile oppure possono ridurre il margine di sicurezza del reattore, sollevando le barre di sicurezza, per poter proseguire nel loro esperimento. Purtroppo, spinti anche da indicazioni errate della strumentazione di controllo, scelgono la seconda strada. L'intervento non ottiene l'effetto desiderato e la temperatura, ormai altissima fa evaporare velocemente l'acqua dell'impianto di raffreddamento principale. Quando l'acqua raggiunge circa 800°C il vapore acqueo reagisce con lo zirconio delle barre di combustibile liberando idrogeno. La bolla di idrogeno, entrando in contatto con l'ossigeno dell'aria esterna, provoca una serie di devastanti esplosioni. Infine, la grafite carica di elementi radioattivi, a 1100°C inizia a bruciare diffondendo rapidamente i suoi pericolosi fumi all'aria aperta, trasportata dai venti.
Solo il coraggioso sacrificio dei pompieri e degli operatori presenti nella centrale ha consentito che l'incendio non coinvolgesse altri reattori.
Il bilancio é disastroso: 31 morti, 299 persone gravemente contaminate, 1000 gravidanze interrotte, 135.000 persone costrette a controlli sanitari a vita e 500.000 evacuazioni dalla zona attorno a Chernobyl.
Non sarà mai possibile, però, valutare le conseguenze della nuvola radioattiva che ha investito le popolazioni europee nelle settimane seguenti. Basti pensare che la bomba di Hiroshima ha rilasciato nell'atmosfera 4.5 tonnellate di sostanze radioattive, mentre l'esplosione del reattore di Chernobyl ne ha rilasciate 50 tonnellate.

A metà degli anni Novanta il contributo delle centrali nucleari al fabbisogno energetico mondiale è pari al 7%. Nonostante la pericolosità legata al rischio d'incidenti, l'interesse verso lo sfruttamento dell'energia nucleare si è rinnovato, anche in considerazione del fatto che non interferisce nel ciclo del carbonio e perciò non contribuisce all'effetto serra. Alcuni paesi, come Francia e Giappone, hanno intensificato gli sforzi: il Giappone ha puntato molto sulle centrali a reattori veloci, detti, autofertilizzanti, che permettono un maggior rendimento pur presentando più grandi rischi (il sistema di raffreddamento è basato sul sodio, esplosivo a contatto con l'acqua). In Europa invece si è preferito lavorare soprattutto sulla sicurezza, con lo scopo di realizzare reattori "intrinsecamente sicuri": le garanzie di sicurezza devono essere fornite non da dispositivi meccanici ma da leggi fisiche, che non possono essere eluse in quanto tali (ad esempio la gravità). Le ricerche più interessanti però sono nel campo dalla fusione nucleare, anche se la realizzazione di vere e proprie centrali sfruttabili commercialmente è prevista in tempi piuttosto lunghi.
I principali progetti in fase di sperimentazione e sviluppo sono due, basati entrambi sulla tecnica tokamak a confinamento magnetico: il JET (Joint European Torus), macchina per la fusione dal 1983 e che nel 1991 ha realizzato la fusione per un tempo di due secondi, producendo due megawatt; l'ITER. (International Thermonuclear Experimental Reactor) è il progetto più ambizioso, promosso da Europa, Stati Uniti, Russia e Giappone, in grado di produrre più di mille megawatt, il modello pilota delle future centrali a fusione (l'entrata in funzione è prevista nel 2010).

La radioattività

Il fenomeno della radioattività spontanea o naturale fu scoperto nel 1896 da H. Becquerel che ebbe occasione di osservare che un sale d'uranio, pur avvolto in una carta opaca, emette radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica posta nelle sue vicinanze. Più tardi si scoprì che anche il torio è radioattivo ma il progresso più importante in questo campo è legato alle indagini dei coniugi Curie che nel 1898 trovarono che la pechblenda, un particolare minerale dell'uranio, presenta un'attività sensibilmente più intensa, a parità di massa, di un sale puro di uranio. Gli elementi radioattivi vengono classificati in quattro famiglie:
1. Famiglia dell'uranio o del radio: inizia con l'uranio 238 e, attraverso processi successivi di decadimento, dà luogo ad una successione d'elementi radioattivi che finisce al piombo 206, stabile.
2. Famiglia dell'attinio: inizia con l'uranio 235 e si conclude con il piombo 207.
3. Famiglia del torio: inizia con il torio 232 e si conclude con il piombo 208.
4. Famiglia del nettunio: risultato di reazioni prodotte artificialmente, inizia con il nettunio 237 e termina con il bismuto 209.
In queste famiglie avvengono processi di decadimento con caratteristiche diverse:
a) La radioattività alfa (a) consiste nell'emissione di nuclei di elio (particelle a) costituiti da due neutroni e due protoni
(ad es.: ²³892 U D ²³490 Th + a).
Questo processo riduce di due unità la carica positiva del nucleo e origina quindi un nuovo elemento che precede di due caselle, nella tavola periodica, quello di partenza.
b) La radioattività beta (b) consiste nell'emissione di un elettrone positivo o negativo
(Ad es.: ²³490 Th D ²³491 Pa + b­).
Questo processo altera di un'unità la carica del nucleo e produce quindi un nuovo elemento che precede o segue quello di partenza di una casella nella tavola periodica.
c) La radioattività gamma (g) consiste nell'emissione di un quanto di radiazione elettromagnetica. Questo processo fa passare un nucleo, che inizialmente si trova in uno stato eccitato, in un nuovo stato meno eccitato o stabile.
In un dato elemento campione i singoli processi radioattivi si susseguono con una frequenza statistica che può essere più o meno elevata e che dipende esclusivamente dalla natura del materiale e non dalle condizioni fisiche e chimiche in cui si trova. Si chiama periodo o tempo di dimezzamento l'intervallo necessario affinché la metà dei nuclei presenti nel campione si sia disintegrata; si tratta di una grandezza che può assumere valori molto diversi al variare dell'elemento: si sono misurati periodi che vanno da un millesimo di miliardesimo di secondo (10­12) fino a 10¹7 anni.
Il fenomeno della radioattività artificiale è stato scoperto nel 1934 dai coniugi Joliot-Curie bombardando mediante raggi a nuclei di
¹º5 B, ²412 Mg, ²713 Al.
Usando come bersaglio i nuclei d'alluminio riuscirono a realizzare la seguente reazione nucleare
²713 Al + a D ³º15 P + n
in cui si produce un neutrone n e l'atomo³º15 P che è un isotopo radioattivo del fosforonon esistente in natura e che decade spontaneamente secondo una reazione in cui si forma il silicio e viene emesso un elettrone positivo:
³º15 P D ³º14 Si + b+.
Il radiofosforo ³º15 P offre un primo esempiodi sostanza radioattiva che emette un positone anziché particelle a o b come sempre si era osservato nei processi di decadimento dei materiali radioattivi naturali. Numerosi sono i procedimenti che consentono di produrre radioisotopi artificiali: tra i più importanti occorre citare quello scoperto e studiato da E. Fermi e dai suoi collaboratori, fondato sull'interazione tra nuclei e neutroni.