Energia nucleare e il suo ruolo nella storia

L’energia nucleare 1

Indice

Introduzione...........................................................................................4

Scienze

L’atomo.......................................................................................................6

La fusione nucleare............................................................................8

Bibliografia...........................................................................................10

Tecnologia

La fissione nucleare..........................................................................11

La centrale nucleare.......................................................................11

Bibliografia...........................................................................................14

Geografia

Lo smaltimento delle scorie..........................................................15

Il nucleare nel mondo......................................................................16

Bibliografia...........................................................................................17

Educazione civica

Il nucleare in Italia............................................................................19

Bibliografia...........................................................................................20

Storia

La nascita della bomba atomica.....................................................21

La seconda guerra mondiale e l’impiego della bomba

atomica su Hiroshyma........................................................................22

Bibliografia...........................................................................................26

Letteratura

Marinetti e il futurismo...................................................................27

Bombardamento...................................................................................29

L’energia nucleare 2

Bibliografia...........................................................................................31

Arte

Salvador Dalì........................................................................................32

Idilio atomico.........................................................................................34

Bibliografia...........................................................................................36

Bibliografia...........................................................................................37

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Introduzione

Ho scelto questo argomento perché trovo che sia di grande importanza e attualità. Infatti nei paesi industrializzati il fabbisogno energetico è in continua crescita, e mai come oggi si rende necessario individuare un insieme di fonti energetiche che siano alternative ai combustibili fossili che, come tutti sappiamo, hanno i giorni contati.

Il recente disastro nucleare avvenuto alla centrale atomica di Fukushima a seguito del violento terremoto scatenatosi in Giappone nel mese di marzo ha scosso le coscienze di tutto il mondo. Ci si domanda, sia in Italia che nel mondo, se sia giusto continuare a costruire centrali nucleari, anche se di ultima generazione e quindi potenzialmente sicure. Anche queste ultime, infatti, presentano dei margini di rischio e in queste ultime settimane alcuni paesi europei (Germania, Svizzera...) hanno annunciato l’abbandono definitivo al nucleare.

È intenzione di molti paesi cominciare ad investire molto nell’energia rinnovabile in modo da abbattere l’inquinamento derivante dalla produzione di elettricità mediante combustibili fossili, ma non sappiamo se l’energia così prodotta potrà coprire l’intero fabbisogno.

Produrre energia nucleare pulita, economica, con combustibili potenzialmente illimitati, passare, in poche parole, dalla fissione alla fusione nucleare: questa è la grande sfida del terzo millennio.

Molti scienziati al mondo si stanno dedicando a questo grande obiettivo. A pochi chilometri da Oxford, nella campagna inglese, esiste una struttura all’avanguardia che ospita la più grande macchina al mondo capace di ricreare le condizioni ideali per i processi di fusione a freddo. Per dare un’idea, al suo interno si riescono a raggiungere i 200 milioni di gradi centigradi, 20 volte quelli presenti nel nucleo del Sole.

La grossa difficoltà consiste però nel passare dalla teoria alla pratica. L’italiano Francesco Romanelli, a capo di questa struttura dal 2006, in una recente intervista ha spiegato che se l’Europa continuerà a destinare delle risorse adeguate sarà possibile costruire un reattore dimostrativo entro il 2030.

Mi affascina pensare che uno strumento che ha portato e potrebbe portare ad episodi devastanti per l’umanità (basti pensare al rilascio della bomba atomica sulla città di Hiroshima durante la seconda guerra mondiale e agli incidenti nelle centrali nucleari di Chernobyl e di Fukushima), potrà anche condurci, se le ricerche andranno nella giusta direzione, alla risoluzione definitiva di uno dei problemi più importanti per l’umanità. E allora le guerre e i conflitti che hanno caratterizzato la storia mondiale degli ultimi decenni, molti dei quali motivati solamente da interessi economici legati all’approvvigionamento del petrolio non avrebbero più ragioni di essere, e i popoli troverebbero finalmente un po’ di pace.

Ho ritenuto di collegare l’argomento “energia nucleare” alle diverse materie scolastiche attraverso lo sviluppo dei seguenti argomenti:

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In scienze tratterò l’atomo, con l’aggiunta di un approfondimento sulla fusione nucleare che, quotidianamente, avviene all’interno delle stelle.

In tecnologia tratterò la fissione nucleare, utilizzata tuttora all’interno delle centrali atomiche, ed il funzionamento delle centrali nucleari stesse.

In geografia parlerò del problema ambientale delle scorie, che consiste uno dei maggiori svantaggi dell’energia nucleare, e la distribuzione delle centrali nucleari nel mondo.

In educazione civica ho scelto di parlare del nucleare in Italia, uno degli argomenti più sentiti in questo periodo.

Come argomento di storia porterò l’utilizzo della bomba atomica nella seconda guerra mondiale.

In letteratura parlerò del futurismo, un movimento letterario di inizio novecento che loda tutto ciò che ha a che fare con la violenza, la velocità, la forza e l’energia.

In arte analizzerò un quadro di Salvador Dalì, pittore profondamente influenzato dallo scoppio della bomba atomica sulla città di Hiroshima.

Infine, in Francese, ho riportato un articolo sull’incidente di Fukushima preso da “Le Monde”, un giornale molto diffuso in Francia.

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L’atomo

L’atomo è la parte più piccola in cui è divisibile un elemento chimico che abbia ancora le caratteristiche fisico-chimiche dell’elemento stesso. A differenza della molecola, che presenta ancora tutte le caratteristiche della sostanza originaria, l’atomo è solamente una parte elementare (ossigeno, idrogeno …). Ad esempio, se prendiamo in considerazione l’acqua, la sua molecola (H²O) presenta ancora la sua formazione originaria. Se dividiamo la molecola in atomi, non rimane più nulla di essa, ma solamente due atomi d’idrogeno (H²) e uno di ossigeno (O). Finora sono conosciuti 118 elementi chimici e, quindi, 118 atomi.

L’atomo è a sua volta formato da particelle più piccole: neutroni, protoni ed elettroni.

In generale gli atomi possono essere divisi, ma il numero di neutroni emesso non è sufficiente per generare una reazione a catena abbastanza prolungata da produrre molta energia. Proprio per questo nelle centrali nucleari viene usato l’uranio 235, l’unico materiale esistente in grado di liberare abbastanza neutroni che, andando a colpire a loro volta altri atomi, genereranno una reazione a catena che potrà essere mantenuta. In genere nel normale uranio 238 è presente solo lo 0,7% di uranio 235. La sua quantità può essere aumentata attraverso dei processi, detti di “arricchimento dell’uranio”.

Già dal IV secolo a.C. alcuni filosofi greci e romani ipotizzarono che la materia non fosse continua, ma costituita da particelle microscopiche e indivisibili diverse tra loro, la cui unione dà origine a

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tutte le sostanze conosciute. Queste particelle vennero chiamate atomi, dal greco “ τωμος ”, cioè “indivisibile”. Questa teoria, elaborata da Democrito, prese il nome di “teoria atomica”.

In seguito John Dalton la ripropose fondando la “teoria atomica moderna”, secondo la quale ogni sostanza è formata da numeri e tipi ben precisi di atomi. La teoria di Dalton si basa su cinque pilastri fondamentali:

• La materia è formata da piccolissime particelle elementari, chiamate atomi, che sono indivisibili e indistruttibili.
• Gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali fra loro.
• Gli atomi di elementi diversi si combinano fra loro in rapporti di numeri interi generalmente piccoli, dando così origine a composti.
• Gli atomi non possono essere né creati né distrutti.
• Gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.

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Successivamente, con la scoperta della radioattività, si intuì che gli atomi non erano indivisibili, bensì composti da particelle più piccole.

Nel 1902 Joseph John Thomson, dopo aver provato l’esistenza degli elettroni, propose il primo modello fisico dell’atomo: egli immaginò che esso fosse costituito da una sfera fluida di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano ancora stati scoperti) nella quale erano immersi gli elettroni che, contrastando la carica positiva con la loro negativa, rendevano l’atomo neutro nel complesso.

Il modello di Thomson fu superato quando Ernest Rutherford scoprì i protoni, dotati di carica elettrica positiva. Secondo la sua teoria, quasi tutta la massa dell’atomo era concentrata nel nucleo (formato da protoni) e gli elettroni giravano intorno ad esso un po’ come i pianeti girano intorno al sole. Nel modello atomico di Rutherford non compaiono i neutroni, che furono scoperti successivamente. Egli aveva comunque intuito che i protoni da soli non bastavano per giustificare la massa del nucleo. La teoria di Rutherford non concordava però con quella dell’elettromagnetismo, secondo la quale l’elettrone, durante la sua orbita intorno al nucleo, avrebbe dovuto perdere continuamente energia fino a collassare sul nucleo dell’atomo.

Questo problema fu risolto nel 1912 da Niels Bohr, che dichiarò la mancanza di emissione di energia da parte dell’elettrone a causa della sua orbita stazionaria. Bohr dedusse inoltre che, se gli elettroni avevano orbite ben precise e non casuali, lo stesso doveva essere per la loro quantità di energia, detta energia quantizzata.

Bohr sostiene inoltre che normalmente un elettrone rimane nella propria orbita, senza perdere né acquisire carica elettrica. Se un elettrone acquista energia mediante un riscaldamento o con una scarica elettrica, esso passa su un’orbita più esterna, ma ritorna immediatamente nella sua restituendo l’energia che aveva accumulato.

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La teoria formulata da Bohr è la base della fisica quantistica, cioè l’insieme di teorie che descrivono il comportamento della materia a livello microscopico, andando a spiegare i fenomeni che la fisica classica non riusciva a comprendere.

Nel 1927 il fisico tedesco Heinsberg, osservando il modello atomico di Bohr, ne mostrò i limiti per quanto riguarda il concetto di orbita. Secondo Heinsberg, infatti, dire che un elettrone si muove secondo un’orbita precisa significa sostenere di conoscerne ogni istante la velocità e la posizione. Questo è però impossibile poiché le ridotte dimensioni degli elettroni impediscono la loro osservazione e quindi la loro misurazione precisa. Fu così che venne abbandonato il concetto di orbita e venne introdotto quello di orbitale, vale a dire una porzione di spazio intorno al nucleo in cui un elettrone poteva muoversi.

La teoria moderna sulla composizione dell’atomo si basa sulle ricerche degli scienziati che nel passato hanno contribuito, un po’ alla volta, a perfezionare quello che oggi è ritenuto il modello che più si avvicina alla vera composizione dell’atomo.

Secondo il modello atomico moderno, l’atomo è composto da tre particelle dette subatomiche: neutroni (neutri), protoni (+) ed elettroni (-). I protoni e neutroni che formano il nucleo, detti anche nucleoni, lo rendono di carica positiva nel complesso. Gli elettroni ruotano intorno al nucleo senza eseguire orbite precise, ma rimanendo confinati all’interno degli orbitali. I criteri per identificare un atomo sono il numero di massa, vale a dire la somma di neutroni e protoni nel suo nucleo, e numero atomico, cioè il numero di protoni nel nucleo. Poiché elettroni e protoni sono presenti nello stesso numero, l’atomo è elettricamente neutro. Due atomi aventi numero atomico uguale ma diverso numero di massa sono detti isotopi, e hanno le stesse proprietà chimiche.

La fusione nucleare

All’interno delle stelle, a partire dalla loro nascita, avviene incessantemente un processo che consente loro di produrre calore e luce: la fusione nucleare. Essa consiste nella fusione dei nuclei di due isotopi di idrogeno: il trizio e il deuterio. Per avvenire la fusione nucleare richiede temperature altissime, superiori ai 100 milioni di gradi. Questo perché i due nuclei devono muoversi ad una velocità raggiungibile solamente a temperature del genere. La grande velocità dei due nuclei è necessaria per superare la barriera elettrostatica, ovvero la

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forza provocata dalle due cariche, entrambe positive, dei protoni nel nucleo che tende ad allontanare i due elementi.

Prima della fusione nucleare i due isotopi sono posti sotto vuoto e riscaldati fino a formare il plasma, ovvero i nuclei separati dagli elettroni. Il plasma viene a sua volta riscaldato per far sì che i due nuclei si fondano fino a formare un altro atomo di elio. L’energia prodotta viene generata per difetto di massa: dopo la fusione la massa del ricavato è sempre minore rispetto a quella dei due nuclei precedenti. 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! Una delle possibili risoluzioni del problema consiste nel creare alcuni campi magnetici così da distanziare i nuclei dalle pareti del reattore. Un’altra sfida consiste nel metodo con il quale avviare la fusione: durante tutti gli esperimenti eseguiti finora, la quantità di energia prodotta dalla fusione non ha mai compensato quella utilizzata per avviarla.

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

• I residui della fusione smaltiscono la propria radioattività in soli 100 anni. In questo modo si elimina quindi il problema dello smaltimento.
• Il gas di scarico prodotto (elio) non è radioattivo.
• Non vengono prodotti gas ad effetto serra che influiscono sul riscaldamento globale.

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.

Finora l’uomo ha ottenuto la fusione nucleare solamente in modo incontrollato, mediante la bomba H, un’arma dal potenziale devastante che, fortunatamente, non è mai stata impiegata a scopo bellico. Si può comunque dire che, se verrà trovato un metodo per realizzare una fusione controllata, l’umanità avrà risolto per sempre il problema energetico.

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Bibliografia

L’atomo

• Wikipedia: “L’atomo”.
• www.scienzaoggi.it: “Storia dell’atomo”.

La fusione nucleare

• Wikipedia: “La fusione nucleare”.
• www.ecoage.it: “La fusione nucleare”.
• Giampietro Paci: “130 schede di tecnologia”.

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La fissione nucleare

La fissione nucleare è una reazione nella quale il nucleo di un elemento pesante (come l’uranio 235) decade in frammenti di minori dimensioni. Essa può avvenire tramite un bombardamento di neutroni.

La fissione nucleare è utilizzata nei reattori nucleari e nelle bombe atomiche.

La prima fissione nucleare venne realizzata nel 1934 da un gruppo di scienziati italiani guidati da Enrico Fermi. Egli però non si rese completamente conto della reazione avvenuta. Nel 1938 Otto Hahn dimostrò che un nucleo di urano 235, quando assorbe un neutrone, può dividersi in frammenti dando così origine alla fissione del nucleo. Iniziò così a diffondersi, fra chimici e fisici, l’idea che la fissione nucleare potesse essere usata per produrre energia (come nelle centrali nucleari) o a scopo bellico (come la bomba atomica che, durante la seconda guerra mondiale, esplose sulla città di Hiroshima).

Durante la fissione nucleare un neutrone colpisce il nucleo di uranio 235, che si “spezza” lasciando liberi altri neutroni, che a loro volta vanno a colpire altri nuclei. Si ha così una reazione a catena