L'energia e il compromesso che comporta

Vital Picardi Hladkou

Liceo Scientifico Galilei Galilei - Civitavecchia

Classe VB, anno scolastico 2007/2008

L'energia e il compromesso che comporta

L'energia e il compromesso che comporta

L'energia è l'attitudine a compiere un lavoro, esiste sotto innumerevoli forme: cinetica, chimica, termica, nucleare, elettrica, ecc. Ogni attività umana richiede dell'energia per essere svolta, sia che si tratti di attività biologiche, che di attività legate al progresso tecnologico.

L'uomo, man mano che si creava il bisogno di maggior quantità di energia, ha trovato un modo per sfruttarla sotto le varie forme con cui si presenta sempre di più.

Con il progresso inarrestabile dell'ultimo secolo il fabbisogno energetico è cresciuto esponenzialmente e continua a crescere di anno in anno.

Nella società moderna l'energia elettrica ha un ruolo predominante, senza di essa quasi nessuna costruzione umana funzionerebbe, attualmente questa forma di energia viene distribuita quasi esclusivamente sotto forma di corrente alternata.

Altro ruolo fondamentale è quello del petrolio: spinge i nostri veicoli e viene bruciato per produrre elettricità nelle centrali termoelettriche.

La crisi petrolifera del '73 ha indotto l'uomo a cercare di differenziare le proprie fonti energetiche, così al petrolio si sono aggiunti il gas, il nucleare, il fotovoltaico, il geotermico, le biomasse e si è rivalutato l'idroelettrico e il carbone.

Ormai è chiaro che la produzione di energia richiede all'uomo dei forti compromessi che principalmente sono di due tipi: uno riguarda il costo economico di produzione, l'altro l'inquinamento.

Nel passato l'uomo ha scelto il compromesso ecologico preferendo salvaguardare i guadagni, ora la nostra mentalità sembra lentamente cambiare.

Le fonti di energia rinnovabile non producono inquinamento significativo ma hanno un costo molto elevato e fino a poco tempo fa non erano in grado di garantire il fabbisogno energetico.

Ora ci sono progetti riguardanti il fotovoltaico, realizzabili e supportati da importanti personalità scientifiche, che, se non risolverebbero definitivamente il problema energetico, comunque annullerebbero la dipendenza dai combustibili fossili; ma i costi di realizzazione, che comunque a lungo termine frutterebbero forti guadagni, sono enormi.

Al contrario le fonti tradizionali hanno un costo minore, le tecnologie e infrastrutture per sfruttarle sono già esistenti.

Si parla molto di differenziazione delle fonti, ma ciò in realtà viene fatto poco.

Non si può eliminare improvvisamente i combustibili fossili, ma si potrebbe diminuire la fetta del loro utilizzo con fonti rinnovabili.

L'Italia subisce una forte insolazione, ma non presenta ampi spazi per grandi concentrazioni del fotovoltaico; potrebbe però sfruttare meglio il geotermico: in Toscana 4 centrali geotermiche forniscono il 25% del fabbisogno della regione, eppure ci sono aree in Italia molto più “calde”.

Recentemente è tornata l'accesa discussione sul nucleare; è importante che si parli del problema energetico, ma è anche importante che vengano fatti interventi concreti.

Recentemente anche nel comprensorio di Civitavecchia si è accesa una discussione aspra e polemica dovuta alla riconversione da parte dell'Enel della vecchia centrale ad olio a carbone.

I favorevoli al carbone sottolineano il minor costo di questo, sostengono che la nuova centrale ridurrà notevolmente l'emissione di inquinanti grazie all'elevato livello di innovazione tecnologica e che questa crea occupazione.

I contrari, sostengono invece la dannosità delle emissioni per la salute, soprattutto delle nanoparticelle, la cui creazione sarebbe dovuta proprio alla nuova tecnologia del carbone in polvere.

Va anche sottolineata l'alta emissione del gas serra CO₂, sì inferiore alla vecchia centrale ma ciò perché questa è molto obsoleta.

Sarebbe necessario un compromesso da entrambe le parti, la centrale andrebbe terminata, ma con una potenza inferiore, in modo da produrre meno polveri, visto che anche l'Unione Europea invita a costruire centrali di potenza media.

Tabella comparativa sulle emissioni della vecchia centrale e di quella a carbone.

Scienze, fisica, storia

Energia dell'atomo: dalle reazioni nucleari

Crisi petrolifere del '73 e '79 come conseguenza di instabilità geopolitica

Dalle esperienze di Faraday alla corrente alternata

Energia

Fondamento dell'attività umana

Ma la sua produzione richiede due compromessi:

• Inquinamento
• Costi di produzione

E le relative conseguenze.

Letteratura italiana, storia dell'arte, filosofia

Contaminazione umanità moderna di I. Svevo e percorso di purificazione dell'anima di Dante

Futurismo: abitudine all'energia e il dinamismo in Bergson

Nozione di energia in Nietzsche

Letteratura inglese

“The Waste Land”: l'aridità dell'uomo moderno

Letteratura latina

Satira di Giovenale contro corruzione della società romana

Scienze

Fisica

Produzione di energia

Uno dei modi assai diffusi di ricavare l'energia, nonostante polemiche di vario genere, è quello di sfruttare le reazioni nucleari.

Alcuni isotopi, detti radioisotopi, possiedono un nucleo instabile, ossia il numero di neutroni nel nucleo è superiore o inferiore al numero di protoni, per questo il nucleo tende a raggiungere la stabilità emettendo energia sotto forma di radiazioni.

Questo processo chiamato decadimento radioattivo porta alla formazione di un altro elemento (trasmutazione).

Nel corso del decadimento possono essere emessi diversi tipi di radiazioni: raggi α, raggi β e raggi γ.

I raggi α sono costituiti da particelle α, a loro volta costituite da un nucleo di elio (He) formato da due protoni e da due neutroni con una doppia carica positiva.

Le particelle α a causa della loro massa e carica non possono percorrere un cammino molto lungo e hanno un basso potere penetrante, infatti non riescono a superare né un foglio di carta né la pelle, tuttavia possono danneggiare gli organi interni se un oggetto emittente tali particelle viene ingerito.

Un esempio di tale decadimento è quello dell'Uranio-238 da cui si forma il Torio-234, con un numero di massa diminuito di 4 unità.

β-

I raggi β sono costituiti da particelle β.

Nel decadimento la particella β è un elettrone veloce emesso quando un neutrone del nucleo si trasforma in un protone.

Questo avviene perché ogni nucleone è formato a sua volta da dei quark, i fondamentali sono Up (carica +2/3) e Down (carica -1/3).

Il neutrone è formato da 2 Down e 1 Up, quando 1 Down perde un elettrone, diventa un Up e il neutrone diventa protone (formato da 2 Up e 1 Down).

β+

Nel decadimento (osservabile nei nuclei ricchi di protoni), un protone interagendo con un antineutrino elettronico origina un neutrone e un positrone.

Date le minori dimensioni e carica, le particelle β hanno un discreto potere penetrante, possono provocare ustioni sulla pelle e sono particolarmente pericolose se ingerite, possono essere bloccate da un foglio di alluminio o da una tavoletta di legno.

Un esempio di questo decadimento è quello del Carbonio-14 che si trasmuta in Azoto-14, in questo caso il numero di massa rimane invariato, mentre il numero atomico risulta aumentato di un'unità.

I raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche con una elevata energia.

Durante il decadimento radioattivo i nuclei atomici vengono eccitati, quando tornano al proprio stato energetico, emettono un fotone ad altissima energia che costituisce appunto i raggi γ, quindi questi accompagnano l'emissione delle altre particelle.

Una natura simile ai raggi γ possiedono i raggi X, ma hanno un'origine diversa, infatti si ottengono quando l'elettrone eccitato di un atomo saltato ad un livello energetico superiore torna al suo stato energetico e cede energia in eccesso sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.

Sia i raggi X che γ hanno un'elevata energia e quindi un elevato potere penetrante, attraversano facilmente il corpo umano e possono essere schermati in parte da lastre di cemento e piombo.

Ogni radioisotopo possiede una determinata velocità di decadimento chiamata periodo di dimezzamento.

Il periodo di dimezzamento è il tempo necessario perché la metà degli atomi di un radioisotopo subisca il decadimento e quindi la trasmutazione in un altro elemento con l'emissione di particelle α, β e γ.

Questa velocità rimane sempre costante per un dato elemento e non dipende da condizioni di pressione e temperatura.

I periodi di dimezzamento variano da pochi giorni (Radon-222 decade in 4 giorni) a miliardi di anni (Uranio-238 4,5 miliardi).

Le reazioni nucleari comportano una perdita estremamente piccola di materia che viene trasformata in energia radiante:

E = mc²

Secondo la formula espressa da A. Einstein, dove c è la velocità della luce; è evidente che anche da una quantità estremamente insignificante di materia si origina una quantità enorme di energia.

Proprio ciò viene sfruttato per la produzione di grandi quantità di energia, sia per scopi civili che, purtroppo, per scopi bellici.

Attualmente per la produzione di energia si usa la fissione nucleare.

In questo processo un atomo di materiale fissile (che produce fissione se colpito da un neutrone con qualunque energia cinetica) o fissionabile (che produce fissione se colpito da neutroni veloci) dopo essere stato colpito da un neutrone si scinde in due nuclei più piccoli, libera fino a tre neutroni e molta energia.

I materiali fissili utilizzati sono l'Uranio-235 e Plutonio-239.

In natura l'uranio è presente con due isotopi, U-238 (predominante) e U-235 presente solo per 0,7%, ma solo quest'ultimo è fissile.

Per questo si ricorre al processo di arricchimento che aumenta la quantità di U-235 fino al 5% a danno dell'U-238 (questo per scopi civili, mentre nelle bombe nucleari si arriva anche al 90%).

I nuclei prodotti dalla fissione hanno un eccesso di neutroni e perciò coi decadimenti β tendono ad arrivare ad una configurazione stabile.

Schema di una fissione

Per fare un paragone, la combustione di un atomo di carbone libera la 50 milionesima parte di quella liberata dalla fissione di un atomo.

Dalla fissione si liberano fino a 3 neutroni che vanno ad impattare altri nuclei presenti producendo nuove fissioni.

Se il numero di neutroni che danno luogo a fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena (sfruttata per scopi bellici), se invece è pari ad 1 si è raggiunta la massa critica, ossia la reazione è stabile, proprio questo avviene nei reattori nucleari.

Ci sono diverse tipologie di reattore che si distinguono in base ai combustibili che utilizzano, in base al sistema di raffreddamento o in base al moderatore; ma il loro principio di funzionamento è lo stesso.

Nel nocciolo avviene la fissione e viene liberata gran quantità di energia sotto forma di calore che viene trasferito ad un fluido liquido o gassoso che, sotto forma di vapore, aziona una turbina collegata con un alternatore.

Il fluido serve anche a raffreddare il reattore.

Il moderatore, formato solitamente da grafite o acqua, rallenta i neutroni che arrivano gradualmente e in questo modo possono essere catturati dal materiale fissile senza che si interrompa la fissione.

Infine le barre di controllo, ossia barre metalliche (principalmente in lega di argento o in cadmio) sono utilizzate per controllare ed eventualmente arrestare la fissione.

Infatti sono in grado di assorbire neutroni senza emetterne e in caso di necessità vengono calate nel reattore.

Schema generico di un reattore

Lo svantaggio più grande della fissione nucleare è sicuramente la produzione delle scorie, infatti dalla fissione dell'uranio si originano diversi elementi coi tempi di decadimento dai pochi millisecondi a decine d'anni.

Tuttavia il maggior problema è dovuto al fatto che parte dell'U-238 assorbe i neutroni trasmutando in U-239 altamente instabile che decade in fretta in Plutonio-239.

Questo ha un periodo di dimezzamento di 24000 anni, un tempo enorme per l'uomo.

Si è lavorato alla realizzazione di reattori autofertilizzanti che possano utilizzare come combustibile anche il plutonio-239, tuttavia questi progetti presentano costi eccessivamente elevati e diverse problematiche tecnologiche.

In India si sta lavorando alla realizzazione di un reattore al torio, molto più abbondante in natura rispetto all'uranio.

Ora si utilizzano i reattori di II generazione, ma quelli di III e IV sono vicini alla loro realizzazione.

Attualmente, comprendendo i costi di smaltimento delle scorie, il costo di un megawattora è di circa 40€, ossia quasi la metà di quanto costi lo stesso per una centrale termoelettrica; proprio per questo la maggioranza dei nuovi reattori attualmente viene costruita nei paesi in via di sviluppo.

Un'altra reazione nucleare che produce energia è la fusione.

Nel sole questa reazione avviene in continuazione: due nuclei di idrogeno H (protoni) si uniscono a formare il deuterio.

Un nucleo di deuterio si unisce ad un idrogeno formando trizio.

Un deuterio e un trizio unendosi fra loro con un processo fortemente esotermico formano l'elio He, questo ha una massa minore degli atomi che lo hanno formato, parte della materia si è convertita in energia.

Ogni secondo nel sole 564,5 milioni di tonnellate di H vengono trasformate in 560 milioni di tonnellate di He, mentre il resto della massa si trasforma in energia secondo la formula di Einstein.

Affinché si realizzi la fusione è necessaria una temperatura superiore ai 5000 C° e pressioni elevatissime, che fanno in modo che la forza nucleare forte prevalga sulla repulsione coulombiana dei nuclei.

Le quantità di energia prodotte dalla fusione sono enormi, con un grammo di deuterio e trizio si potrebbe produrre la stessa quantità che con 11 tonnellate di carbone, il processo è fattibile con materiali non radioattivi, la contaminazione interesserebbe solo parti di un eventuale reattore e sarebbe smaltibile nel giro di qualche decina d'anni, tuttavia non siamo ancora in grado di sfruttare la fusione per produrre energia.

Non ci sono infatti ancora tecnologie che potrebbero trattenere il plasma che si formerebbe con la fusione; attualmente la via più percorribile sembra quella che prevede un confinamento magnetico del plasma secondo il progetto ITER, frutto di una collaborazione internazionale.

Molto più facile l'utilizzo della fusione nei processi bellici, infatti nella bomba all'idrogeno, l'energia sviluppata da una testata nucleare a fissione viene utilizzata per comprimere un miscuglio di deuterio e trizio fino alla temperatura di fusione che avviene in maniera incontrollata.

Una reazione deuterio-trizio

Fisica

Nella stragrande maggioranza dei casi, sia che si parli di centrali termoelettriche, idroelettriche, nucleari o eoliche, con l'eccezione del fotovoltaico, le varie fonti di energia vengono convertite in energia elettrica sotto forma di corrente alternata.

Prima di parlare di corrente alternata, bisogna accennare alle scoperte di Faraday nei primi decenni dell'Ottocento.

Faraday osservò e poi formulò la legge secondo cui quando c'è una variazione nel tempo del campo magnetico B o del flusso Φ concatenato ad un circuito chiuso, questo diventa sede di corrente indotta proporzionalmente alla variazione del flusso secondo il fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Parlando di corrente indotta si introduce la forza elettromotrice indotta, la f.e.m. che è uguale alla forza elettromotrice che dovremmo inserire nel circuito per produrre, in mancanza di induzione elettromagnetica, una corrente di intensità uguale a quella della corrente indotta.

Dunque in un qualunque circuito immesso in un campo magnetico si genera una f.e.m. indotta se il flusso concatenato con il circuito varia nel tempo.

Quindi la legge di Faraday-Neumann afferma che la f.e.m. indotta che si genera in un circuito in un intervallo di tempo Δt è f = −ΔΦ/Δt, dove ΔΦ è la variazione del flusso nell'unità di tempo considerato.

Questo tuttavia è un valore medio, mentre se si vuole conoscere la f istantanea, si deve eseguire la derivata della funzione Φ.

Per calcolare la corrente indotta, si ricorre alla prima legge di Ohm dividendo f per la resistenza R del circuito:

i = −ΔΦ/(R Δt)

Il segno meno è dovuto alla legge di Lenz, in base alla quale il verso nel quale la corrente indotta scorre in un circuito è tale da opporsi, tramite il flusso del campo magnetico generato, alla variazione del flusso che ha dato origine alla corrente, questo per il principio di conservazione dell'energia.

Attualmente si impiegano quasi esclusivamente le correnti alternate.

I generatori di correnti alternate, gli alternatori, sono macchine relativamente semplici che producono corrente elettrica ruotando e sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Per spiegarne il funzionamento consideriamo una spira piana che ruota con una velocità angolare ω costante all'interno di un campo di induzione magnetica costante; agli estremi della spira sono collegati due collettori ad anello che ruotano insieme alla spira e strisciano su delle spazzole di carbone.

All'interno della spira, a causa della continua variazione di flusso si stabilisce una f.e.m. indotta che coincide con la differenza di potenziale agli estremi della spira.

Un alternatore