L'energia e il compromesso che comporta

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 costituiti da un nucleo di elio (He)

formato da due protoni e da due neutroni con una doppia carica positiva. Le particelle

α a causa delle loro massa e carica non possono percorrere un cammino molto lungo

e hanno un basso potere penetrante, infatti non riescono a superare ne un foglio di

carta ne la pelle, tuttavia possono danneggiare gli organi interni se un oggetto

emittente tali particelle viene ingerito. Un esempio di tale decadimento è quello del

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

β+

protone (formato da 2 Up e 1 Down). Nel decadimento

(osservabile nei nuclei ricchi di protoni), un protone interagen-

do 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 Schema di una fissione

stabile.

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 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 Schema generico di un reattore

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.

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 del 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 quanti 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

−ΔΦ

f.e.m. indotta che si genera in un circuito in un intervallo di tempo Δt è f = 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

1

di Omh dividendo f per la resistenza R del circuito Il segno meno è dovuto

−ΔΦ

i= R Δt

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 impiega 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