Energia nucleare tesina (2)

L’ENERGIA NUCLEARE

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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 Hikmeit, e di una sua opera riguardante

Hiroshima.

Per musica ho portato il brano ‘ il Pilota di Hiroshima’ e la sua storia. 2

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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 piú piccola quantitá di

una sostanza si chiama molecola ed é 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. 3

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1. 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 4

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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 abbbastanza 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 5

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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. 6

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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. Grazie all’enorme quantità di energia sprigionata dentro un atomo, è

possibile costruire armi di potenza devastante.

L’energia della bomba atomica è prodotta dalla fissione nucleare e mentre

nelle centrali nucleari la reazione viene tenuta sotto controllo, all’interno della

bomba atomica avviene in modo spontaneo in modo da generare calore per

poi generare un’esplosione. Lo sviluppo della bomba atomica è avvenuto 7

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grazie a scoperte ed esperimenti fatti da scienziati che lavoravano

inconsapevolmente di ciò con cui avevano a che fare.

Per evitare le persecuzioni naziste, molti scienziati fuggirono negli USA.

Questo accadde anche in Italia, patria di Enrico Fermi. Anche Albert Einstein si

era rifugiato negli States e con la famosissima formula E=mc2, rese possibile

la costruzione della bomba atomica.

Questa formula spiega l’equivalenza fra massa ed energia, e ci dice che è

possibile trasformare la massa in energia e viceversa e dopo la scoperta del

neutrone, alla quale Enrico Fermi contribuì attivamente, pensò di poter

generare una reazione nucleare.

Einstein e Fermi, si preoccuparono insieme ad altri scienziati di un possibile

sviluppo militare della scoperta. Il 2 Agosto allora Einstein insieme ad un

gruppo di scienziati, temendo che se Hitler fosse riuscito a costruire per primo

la bomba atomica l'avrebbe usata per porre il mondo ai suoi piedi, scrisse una

lettera indirizzata al Presidente degli Stati Uniti, Roosvelt, chiedendo

l'interessamento del governo americano alle ricerche nucleari.

Nel 1942 gli Stati Uniti diedero vita al Progetto Manhattan per costruire un

ordigno atomico. Furono chiamati a contribuire a questo progetto molti

scienziati importanti, che vennero riuniti a Los Alanos, nel Nuovo Messico .

3. Laboratorio in Los Alamos

Pearl Harbor e la guerra ‘’mondiale’’

Ma ritorniamo indietro: nel 1941 la Seconda guerra mondiale era ancora in

corso e la Germania era ancora sulla cresta dell’onda, grazie ai territori che

aveva conquistato e dal ritiro della Francia, non poteva essere sconfitta

solamente dall’ Inghilterra. Hitler, sicuro di sé e