Energia nucleare tesina (2)

L’energia che divide

L’energia nucleare

Raul Tudosa | 3G | 1

Introduzione

Ho scelto questo argomento perché l’origine dell’universo e della materia mi ha da sempre incuriosito e affascinato. Fin da piccolo mi sono chiesto perché esistiamo e da cosa siamo formati, oggi abbiamo una parziale risposta: gli atomi, cioè protoni elettroni e neutroni.

Neanche ai giorni nostri abbiamo una risposta più precisa ma nel frattempo queste particelle atomiche vengono usate per produrre l’energia che usiamo giornalmente, nonostante i due grandi incidenti nucleari di Chernobyl e Fukushima. Il bombardamento di uranio con neutroni non produce CO₂, questo è l’aspetto positivo di questa tecnica, forse l’unico. Esso però crea delle scorie radioattive, in quanto quei oggetti sono stati sottoposti ai raggi gamma.

Gli italiani nel ’87 e nel 2007 hanno detto no al nucleare, ma questo non basterà a fermare i raggi gamma delle centrali nucleari francesi in caso di incidente. Nel 2012 si è stimato che il 13,5% del fabbisogno mondiale di energia elettrica è di origine nucleare, ottenuta tramite fissione.

Per fissione si intende divisione, ma si può ottenere energia anche fondendo gli atomi, fino adesso usata solo per scopi bellici, come la bomba H. La sfida adesso è riuscire a produrre energia pulita, magari nucleare ed economica, visto che tra 50 anni massimo petrolio e carbone saranno esauriti.

Il tema dell’energia nucleare l’ho collegato alle materie scolastiche sviluppando i seguenti argomenti.

In scienze parlerò dell’atomo e della fusione nucleare, che avviene tutti i giorni nelle stelle.

In tecnologia tratterò della fissione nucleare, cioè il processo che avviene nelle centrali nucleari, e del funzionamento del loro reattore.

In storia invece porterò la storia della bomba atomica e il suo utilizzo durante la Seconda guerra mondiale.

In geografia esporrò il Giappone, famoso per le sue due città rase al suolo dalle bombe atomiche.

In italiano parlerò di Nazim Hikmet, e di una sua opera riguardante Hiroshima.

Per musica ho portato il brano ‘il Pilota di Hiroshima’ e la sua storia.

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L’atomo

L’atomo, chiamato così perché i greci lo consideravano l’unità più piccola ed indivisibile della materia, è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimiche. La più piccola quantità di una sostanza si chiama molecola ed è costituita da atomi che possono essere identici tra loro oppure diversi. Le sostanze con molecole formate da atomi uguali si chiamano elementi, se invece sono diversi si chiamano composti.

L’atomo, a sua volta, è formato da 3 particelle più piccole: gli elettroni, con carica elettrica negativa, che orbitano attorno al nucleo formato da protoni e neutroni, rispettivamente con carica elettrica positiva e neutra.

Il numero dei protoni in un atomo è anche il numero atomico, mentre la somma tra il numero dei protoni e quello dei neutroni corrisponde al numero di massa.

Il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni.

L’idrogeno è una miscela di tre isotopi: prozio, deuterio, trizio. I tre isotopi hanno un protone ciascuno ma sono diversi per il numero di neutroni. Il deuterio ha un neutrone e il trizio ne ha due. Questi ultimi vengono coinvolti in un processo chimico nelle stelle sin da quando sono nate, cioè la fusione nucleare.

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Isotopi dell’idrogeno

La fusione termonucleare

La fusione termonucleare è quella reazione nucleare che avviene quotidianamente all’interno delle stelle e del nostro sole, dove due atomi con numero atomico basso, ad esempio deuterio e trizio, si fondono per formarne uno pesante, elio, generando energia e liberando un neutrone.

Perché avvenga ciò i due nuclei devono avvicinarsi fra loro vincendo la forza di repulsione elettrostatica dovuta alla loro carica positiva: di solito questo è possibile solo in gas a temperature di milioni o decine di milioni di gradi, in cui i nuclei si muovono ad altissima velocità a causa del violento moto di agitazione termica. In queste condizioni le particelle sono ionizzate, cioè elettricamente cariche perché gli atomi hanno perso completamente o in parte gli elettroni, e il gas viene detto plasma.

Finora, l’uomo è riuscito a innescare la reazione in modo incontrollato e quindi esplosivo, bombe H, oppure per brevissimi istanti in reattori ancora

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sperimentali. In futuro la fusione nucleare controllata potrebbe generare energia in grande quantità.

Le difficoltà per realizzare un reattore a fusione al giorno d’oggi consistono nell’operare a temperature enormi e di dover mantenere confinato il plasma a queste temperature per un tempo abbastanza lungo. Una soluzione al confinamento magnetico potrebbe consistere nel contenere il plasma dentro campi magnetici molto intensi.

Un altro problema è trovare materiali in grado di sopportare gli effetti corrosivi dovuti all’intenso irraggiamento dei neutroni prodotti dalla fusione nucleare.

La fissione nucleare

La fissione nucleare è la divisione di un nucleo atomico in due nuclei più leggeri.

Questo può avvenire spontaneamente o in seguito a bombardamento con neutroni prendendo il nome di fissione indotta. Questo processo genera un’enorme quantità di energia; nelle centrali nucleari avviene in modo controllato e il calore prodotto dalla reazione viene trasformato in energia elettrica: da 1 g di uranio −235, si ottengono circa 80 miliardi di joule di energia, circa 20 milioni di chilocalorie, equivalenti alla combustione di circa 3 t di antracite.

Il neutrone che incide sul nucleo di uranio −235 e ne viene assorbito gli cede energia; nel giro di una frazione di secondo il nucleo si divide in due frammenti emettendo due o tre neutroni e liberando energia. I neutroni che iniziano la reazione di fissione possiedono una velocità troppo elevata. Questi vanno rallentati in modo che si trovino nelle migliori condizioni per penetrare nei

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nuclei atomici causandone la disintegrazione. Per questo si usano particolari sostanze dette moderatori, che rallentano i neutroni più veloci.

La centrale nucleare

Una centrale nucleare è un impianto dove viene prodotta energia elettrica usando come “combustibili” i nuclei degli atomi.

Le centrali utilizzano l’energia liberata dalla fissione di elementi pesanti, come uranio 235, torio, plutonio, per alimentare un generatore di corrente elettrica. Nel mondo, attualmente, sono in funzione oltre 430 reattori a fissione che forniscono circa il 17% dell’energia utilizzata ogni anno.

Nel reattore avviene, per fissione indotta, la rottura di un nucleo atomico accompagnata dall’emissione di energia, raggi gamma e altri neutroni che innescano nuove reazioni.

Funzionamento del nocciolo

La parte centrale di un reattore è il cosiddetto nocciolo: qui avviene la fissione del combustibile nucleare sagomato in barre. Le barre sono immerse in una sostanza che agisce da moderatore e rallenta i neutroni responsabili della reazione: i neutroni lenti sono molto più efficaci di quelli veloci nell’innescare la fissione. I moderatori di velocità più utilizzati sono la grafite e l’acqua, meglio se acqua pesante, cioè non formata da idrogeno e ossigeno ma da deuterio, isotopo dell’idrogeno con massa atomica doppia, e ossigeno.

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Tutto intorno al nocciolo del reattore ci sono tubi dove scorre acqua. Il liquido, riscaldato dal calore prodotto durante la fissione, viene trasformato in vapore ad alta temperatura. Il vapore poi è sfruttato per far ruotare le turbine del generatore di corrente della centrale.

2. Funzionamento di una centrale termonucleare

Per evitare che la reazione diventi incontrollata e l’impianto si trasformi in una vera e propria bomba hanno creato dei sistemi di regolazione che tengono sotto controllo il numero di neutroni presenti, istante per istante, nel nocciolo.

Di solito si usano barre di cadmio che al momento adatto vengono abbassate all’interno del nocciolo; queste barre servono per assorbire i neutroni e rallentare la reazione quando ce n’è bisogno.

Il Progetto Manhattan

Durante la storia l’energia nucleare non è sempre stata utilizzata per scopi benefici.