Tesina terza media sull'energia nucleare

Introduzione

Ho scelto come argomento principale lʼenergia nucleare utilizzata nei reattori nucleari e nelle bombe atomiche, facendo collegamenti alle diverse materie scolastiche attraverso i seguenti argomenti: a scienze tratterò lʼatomo, soprattutto la differenza tra fusione e fissione nucleare; a tecnologia tratterò il funzionamento delle centrali nucleari; a geografia parlerò del Giappone; come argomento di storia porterò lʼutilizzo della bomba atomica durante la Seconda guerra mondiale; a letteratura porterò Primo Levi e reciterò la poesia introduttiva al romanzo “Se questo è un uomo”; a tedesco parlerò di Anne Frank, una ragazzina che ha vissuto la drammatica esperienza del campo di concentramento; a musica suonerò “Gam Gam”, una canzone scritta da Elie Botbol e che fa parte della colonna sonora del film “Jona che visse nella balena”; ad arte parlerò del dipinto di Gabriele Mucchi “Le Maschere”; a inglese parlerò di Annie Moore e, per finire, a educazione fisica parlerò del baseball.

Fissione nucleare e centrali nucleari

Lʼenergia nucleare è una forma di energia primaria, ovvero è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia, ed è considerata una valida energia alternativa ai tradizionali combustibili fossili.

Durante la storia lʼenergia nucleare non è stata utilizzata solo a fin di bene. Grazie allʼenorme quantità di energia che può essere prodotta dallʼatomo è infatti possibile costruire armi di potenza devastante. La più famosa di esse è la bomba atomica, utilizzata per la prima volta durante la Seconda guerra mondiale sulla città di Hiroshima e Nagasaki.

Lʼenergia della bomba atomica è prodotta dalla fissione nucleare, che è un processo che si può ottenere tramite il bombardamento dellʼuranio 235 e produce un atomo di Bario e uno di Kripton e altri due neutroni che possono continuare la reazione a catena, che consente di produrre molta energia in modo quasi incessante.

La fissione nucleare è utilizzata anche nei reattori nucleari.

Questo processo deve essere costantemente controllato in modo da evitare che la reazione diventi incontrollabile. Se ciò accadesse, il reattore non sarebbe in grado di sostenere il calore prodotto e si fonderebbe.

Nelle centrali nucleari lʼenergia non proviene da olio combustibile o carbone, come nelle centrali termiche tradizionali, ma è fornita appunto dalla fissione dei nuclei di uranio.

Il calore prodotto dagli elementi di combustibile è asportato dal liquido refrigerante, che cede il suo calore allʼacqua di un circuito secondario, trasformandola in vapore; questo, espandendosi nella turbina, fa ruotare il gruppo turbina-alternatore, che genera lʼenergia elettrica.

Il reattore della centrale dispone anche di alcune barre metalliche che vengono inserite nel nocciolo e sono in grado di tenere sotto controllo la reazione a catena, eventualmente arrestandola. Questa funzione è molto importante perché evita che la reazione diventi incontrollabile, portando alla fusione del nocciolo, con conseguente cedimento del reattore a causa delle elevate temperature.

Lʼenergia nucleare è una fonte di energia utilizzabile a costi molto competitivi e permette di ridurre lʼimpiego di combustibile fossile come il petrolio. Può essere prodotta in grandi impianti con capacità produttiva dellʼordine di migliaia di megawatt.

LʼAIEA, Agenzia Internazionale dellʼenergia atomica, a giugno 2008 ha elencato 439 reattori nucleari attivi per la produzione di energia in 30 nazioni, di cui 166 in Europa.

Le centrali nucleari sono classificate in quattro generazioni in base alle caratteristiche e al periodo di costruzione:

• Le centrali di prima generazione sono state costruite prima degli anni Settanta con lo scopo di produrre energia elettrica o plutonio per le armi nucleari.

In Italia sono presenti tre centrali nucleari di prima generazione inattive dal 1986: Latina, Garigliano e Torino.

Queste centrali producono potenze elettriche da 5 a 300 megawatt.

• Le centrali di seconda generazione sono state costruite a partire dagli anni Settanta e Ottanta e sono la maggioranza di quelle in funzione. Producono potenze elettriche tra i 300 e i 1000 megawatt. In Italia la centrale nucleare di Caorso è di seconda generazione.
• Le centrali di terza generazione derivano da quelle di seconda generazione con miglioramenti in termini di potenza, economia e sicurezza. Possono produrre più di 1000 megawatt e il reattore dovrebbe funzionare senza guasti per tantissimi anni. Alcune centrali di terza generazione sono già attive in Giappone e presto saranno costruite anche in Francia e in Finlandia.
• Le centrali di quarta generazione invece ancora non esistono; per ora sono stati fatti solamente alcuni progetti.

Purtroppo la fissione nucleare produce delle scorie altamente radioattive che impiegano milioni di anni per smaltire la loro radioattività, ovvero lʼemissione spontanea di energia da parte di certi elementi.

Fusione nucleare

Infatti, dopo gli incidenti avvenuti nel passato nella centrale nucleare di Chernobyl e recentemente alla centrale di Fukushima, gli scienziati stanno studiando la possibilità di produrre energia nucleare con la fusione nucleare, che è un processo che avviene continuamente allʼinterno delle stelle e consiste nella fusione dei nuclei di due isotopi di idrogeno: il trizio e il deuterio. Per avvenire, la fusione richiede temperature altissime, superiori a 100 milioni di gradi, perché i due nuclei devono muoversi a una velocità raggiungibile solamente a certe temperature.

La grande velocità dei due nuclei è necessaria per superare la forza provocata dalle due cariche, entrambe positive, dei protoni del nucleo, che tende ad allontanare i due elementi.

Lʼenergia prodotta viene generata per difetto di massa: allʼinterno di ogni atomo, se sommiamo le masse dei protoni e dei neutroni, la massa effettiva è minore. La “differenza” si è trasformata in energia.

Il maggior problema consiste nella temperatura: nessun materiale finora scoperto è in grado di resistere a centinaia di milioni di gradi.

La fusione nucleare presenta ovviamente molti vantaggi. I principali sono:

• I residui della fusione smaltiscono la propria radioattività in soli 100 anni. Il gas di scarico prodotto, lʼelio, non è radioattivo.
• La pericolosità di eventuali incidenti viene ridotta, in quanto il reattore a fusione provvederà a raffreddarsi in caso di perdita di controllo, arrestando spontaneamente il processo di fusione. Ciò non può avvenire durante la fissione, in quanto la reazione a catena produce calore in modo incontrollato.

Molti scienziati al mondo si stanno dedicando a questo grande obiettivo. A pochi chilometri da Oxford, nella campagna inglese, esiste una struttura allʼavanguardia che ospita la più grande macchina al mondo capace di ricreare le condizioni ideali per i processi di fusione a freddo.

Atomo

Alla base di tutti i fenomeni chimici sta la struttura dellʼatomo. Lʼatomo è la parte più piccola in cui è divisibile un elemento chimico. A differenza della molecola, che presenta ancora tutte le caratteristiche della sostanza originaria, lʼatomo è solamente una parte elementare: ossigeno, idrogeno… Lʼatomo è costituito da un nucleo formato da protoni, con carica positiva, neutroni, senza carica, ed elettroni, con carica negativa.

Lʼidentità di un elemento chimico è data dal suo numero atomico, uguale al numero di protoni, che è scritto in basso a sinistra del simbolo dellʼatomo; mentre, se cambia il numero di neutroni, si ottengono degli isotopi dello stesso elemento e si riporta il numero di massa, cioè il numero di protoni più il numero di neutroni, in alto a sinistra del simbolo dellʼatomo.

Due atomi aventi numero atomico uguale ma diverso numero di massa sono detti isotopi e hanno le stesse proprietà chimiche.

Nelle reazioni chimiche la sostanza di partenza, detta reagente, si trasforma in una sostanza differente, detta prodotto. Ad esempio, nella combustione del legno i reagenti sono il legno e lʼossigeno, mentre i prodotti sono lʼanidride carbonica, il vapore acqueo e la cenere.

Nel caso di reazioni chimiche ci sono due leggi importanti:

• Massa dei reagenti uguale alla massa dei prodotti.
• Non si ha un cambiamento nellʼidentità degli atomi; cambia solo il modo in cui sono legati fra loro.

Invece, nel caso di reazioni nucleari cambiano le regole delle reazioni chimiche:

• Non cʼè conservazione della massa.
• Lʼidentità degli atomi dei prodotti è diversa da quella degli atomi dei reagenti.

Nascita della bomba atomica

Mentre nelle centrali nucleari la reazione a catena è tenuta sotto controllo, allʼinterno della bomba atomica avviene in modo completamente incontrollato e genera enormi quantità di calore e in seguito unʼesplosione.

Lo sviluppo della bomba atomica è dovuto alle scoperte e agli esperimenti fatti da una serie di scienziati che spesso lavoravano inconsapevoli di ciò con cui avevano a che fare.

Molti scienziati tedeschi fuggirono negli Stati Uniti; questo accadde anche in Italia, patria di Enrico Fermi, che fuggì in America con la moglie. Tra i rifugiati in America cʼera anche Albert Einstein che, con la famosissima formula E=mc², rese possibile la costruzione della bomba atomica.

Questa formula esprime lʼequivalenza fra massa ed energia e suggerisce che è possibile trasformare la massa in energia e viceversa.