L'ENERGIA NUCLEARE

(e le sue applicazioni in campo bellico ed energetico)

INDICE:

L'energia nucleare

La fissione nucleare

Le centrali nucleari

La fusione nucleare

L'ENERGIA NUCLEARE

La protagonista indiscussa della seconda metà del nostro secolo è l'energia nucleare, una costante minaccia per la tranquillità della terra e dell'uomo

ENERGIA NUCLEARE

L'atomo che costituisce la materia è un insieme complesso di protoni e neutroni, che formano il nucleo, e di elettroni, che gravitano intorno a quest'ultimo. La materia, a livello infinitamente piccolo, non si lascia manipolare facilmente poiché le forze che tengono insieme i differenti componenti dell'atomo sono molto tenaci. Vi sono però alcuni elementi, come l'uranio fissile, che si trasformano spontaneamente liberando una considerevole energia sotto forma di calore.

La fissione nucleare

La fissione o scissione nucleare consiste nella disintegrazione del nucleo di un atomo mediante il bombardamento per mezzo di piccolissime particelle (neutroni) che lo colpiscono e lo spezzano in due nuclei più leggeri. La somma dei prodotti della scissione ha una massa più piccola di quella del nucleo originale: ciò significa che durante il processo una parte della materia si è trasformata in energia secondo la celeberrima equazione E=mc².

Se la quantità di materiale fissile è sufficiente, durante la fissione si liberano altri neutroni capaci, a loro volta, di colpire nuovi nuclei e così via; si innesta una reazione a catena che può essere tenuta sotto controllo mediante determinati accorgimenti. Infatti un atomo di uranio-235 colpito da queste particelle crea un nucleo di uranio-236 eccitato, soggetto a violente vibrazioni che lo deformano  come la goccia di un liquido, così da far aumentare la distanza tra i protoni e, di conseguenza, la forza di repulsione elettrica (ricordo che gli effetti dell'interazione nucleare forte, che tiene uniti i protoni, cessano per distanze superiori a 10^-15 metri). Per far aumentare la probabilità che un isotopo fissile sia colpito dalle particelle(sezione d'urto),i neutroni devono avere energia cinetica minore a 1 eV. A causa dell'aumento dell'energia di legame per nucleone(in quanto gli atomi sono più stabili), che segue la scissione in 2 atomi più leggeri, da 7.8 MeV da 8.8,si libera una quantità di energia pari a 234 MeV(poco più di 3*10^-11J).Per far sì, perciò, che la fissione sia economicamente vantaggiosa, è necessario far reagire un enorme numero di nuclei(possibile con la reazione a catena)e, per far ciò, è necessaria una massa minima(massa critica)di materiale fissile.

Gli elementi fissili usati per la produzione di energia sono gli isotopi ²³⁸U e ²³⁵U.L'uranio naturale presenta una concentrazione di ²³⁵U dello 0.7%.Il restante 99.3% è costituito da ²³⁸U, che può assorbire neutroni, impedendo una fissione incontrollata. Per produrre energia elettrica, perciò, esso va arricchito  di ²³⁵U fino al 3-5%, mentre, per fabbricare bombe atomiche fino al 99%

L'uranio 235 costituisce il combustibile che, introdotto nei reattori, svilupperà, mediante la fissione nucleare, una notevole quantità di energia.

Nei reattori auto-fertilizzanti, ancora di limitata diffusione, non solo viene prodotta energia, ma anche nuovo combustibile nucleare.

Esso però risulta altamente reattivo e, se inalato, provoca il cancro: perciò rimuovere le barre di combustibile per trasferirle in altri reattori è piuttosto complicato e pericoloso.

2. Le centrali nucleari

Principio di funzionamento Il principio di funzionamento di una centrale nucleare è abbastanza semplice: nel reattore o core, dove si trova il combustibile nucleare, avviene la fissione controllata e da questo processo si sviluppa una grande quantità di energia sotto la forma di calore, che viene sottratto al reattore dall'acqua che circola attorno alle barre di combustibile. Essa è mantenuta allo stato liquido da una pressione di 100-200 atmosfere(con temperature di 300°C).A questo punto l'acqua è pompata in uno scambiatore di calore, dove l'energia termica da essa trasportata è trasferita all'acqua di un generatore di calore. Si noti che l'acqua che raffredda il reattore e quella che fa funzionare la turbina sono contenuti in 2 sistemi chiusi e separati. Il calore generato viene utilizzato per la produzione di vapore che, espandendosi in una turbina, fa ruotare un alternatore ad essa collegato ottenendo quindi energia elettrica.

L'emissione di energia, poi, è regolata dalle barre di controllo di borio o cadmio che rimuovono i  neutroni in eccesso. L'acqua, poi, oltre che fungere da liquido di raffreddamento è anche un moderatore: i neutroni emessi durante la reazione, infatti, hanno un'energia media di 2 MeV, che viene dissipata(in parte) dagli atomi d'idrogeno dell'acqua. Altri moderatori, poi, possono essere l'acqua pesante(che permette l'uso di uranio non arricchito) o la grafite.

sicurezza nelle centrali nucleari Attualmente nel mondo ci sono più di 400 centrali nucleari. Uno dei pericoli legati  a queste industrie è la fusione del nocciolo: se il liquido moderatore fuoriesce, il reattore si spegne per la mancanza di neutroni lenti, ma le reazioni nucleari residue possono far aumentare di temperatura il nocciolo. Surriscaldandosi le barre di combustibile, la materia fuoriuscita può entrare in contatto con l'acqua di raffreddamento, immettendo nell'aria gas radioattivo. La massa fusa può inoltre aprirsi un varco attraverso il pavimento e penetrare nell'ambiente(la cosiddetta sindrome cinese)

L'installazione delle centrali nucleari provoca forti opposizioni da parte di larghi strati dell'opinione pubblica di numerosi Paesi temendone la pericolosità sia durante il funzionamento sia per lo smaltimento delle scorie radioattive.

E proprio il problema delle scorie risulta essere il più scottante specialmente dopo l'entrata in funzione dei reattori auto-fertilizzanti. Le soluzioni finora adottate finora, come il seppellimento dei materiali radioattivi racchiusi in contenitori di piombo in fosse marine o in miniere di sale abbandonate, non sono certo soddisfacenti.

disastri nucleari I gravi incidenti nelle centrali nucleari di Three Mile Island (USA 1979 con fusione parziale del nocciolo del reattore) e Chernobyl (ex URSS 1986 con fusione totale del nocciolo per un errore umano), hanno indotto ad una riflessione molto critica anche coloro i quali, pur essendo contrari in linea di principio alle centrali nucleari, erano disposti ad accettarle come un male necessario (mancanza di emissioni atmosferiche inquinanti).

In Italia, fortunatamente, grazie a un referendum, la popolazione si  è pronunciata contro l'energia nucleare, nonostante i numerosi vantaggi che questo tipo di industrie avrebbe portato al nostro paese

3. La fusione nucleare

La fusione nucleare consiste nell'unione di nuclei di atomi leggeri per formare nuclei più pesanti; in un certo senso è il processo inverso di quello precedentemente descritto della scissione nucleare. Quando due nuclei leggeri (ad esempio l'idrogeno) sono spinti con forza l'uno contro l'altro, possono saldarsi o fondersi insieme e formare un solo nucleo il quale però risulta un po' meno pesante della somma degli altri due. La quantità di materia mancante risulta trasformata in energia, come illustrato dalla seguente reazione:

H+H D+e⁺+

Questa reazione avviene con continuità sul Sole e sulle altre stelle ad una temperatura di alcuni milioni di gradi; la luce ed calore che giungono a noi ne sono gli effetti visibili. Il vantaggio di questa reazione sta nell'enorme quantità di energia liberata: la completa fusione nucleare di una data massa d'idrogeno libera quasi il triplo dell'energia che viene liberata a seguito della completa fissione nucleare della stessa quantità d'uranio.

Gli scienziati sono finora riusciti a realizzare la fusione nucleare lenta e controllata solamente in laboratori sperimentali (esempi di fusione nucleare non controllata sono le bombe ad idrogeno).

La causa principale sta nell'identificazione di un materiale solido capace di resistere alle altissime temperature (alcuni milioni di °C) occorrenti alla reazione.

Il problema continua ad essere oggetto di appassionata ricerca da parte di scienziati di tutto il mondo: se e quando verrà risolto si potrà disporre di enormi quantità di energia derivante da materiali, come l'idrogeno, abbondanti in natura e, quel che più conta, senza il pericolo di scarichi e scorie inquinanti.

L'alternativa al processo di fusione nucleare sopra descritta è la fusione a freddo che alcuni ricercatori affermato di aver sperimentato ma siamo ancora lontani dal poterne parlare come applicazione sperimentale (in Italia è stato dichiarato di aver ottenuto la fusione a freddo nel laboratorio del Gran Sasso)