Tesina multidisciplinare sull'acqua

Oggi sono

conosciuti vari

tipi di reattore

nucleare,

generalmente

classificati in

base al tipo di

combustibile

utilizzato ed al

sistema di

raffreddamento/g

enerazione

11

vapore.

d'acciaio, in cui vi sono aperture per l'ingresso e l'uscita del

refrigerante. Intorno al recipiente e alle parti attive del reattore

sono predisposti degli schermi per assorbire le radiazioni

nucleari: lo schermo termico, in metallo, assorbe

prevalentemente le radiazioni gamma,

quello biologico, in calcestruzzo, i neutroni.

I reattori ad acqua pesante, invece, impiegano come

combustibile l'uranio naturale, non arricchito.

Il reattore a fusione funziona secondo il principio esattamente

inverso a quello del reattore a fissione. Il reattore a fissione

divide nuclei di atomi pesanti e il calore così liberato è utilizzato

per scaldare acqua e azionare, con il vapore acqueo, una turbina

che produce elettricità. Nel reattore a fusione, invece, atomi

leggeri (gli isotopi dell'idrogeno deuterio e trizio) sono uniti in

un atomo di elio (fusione). Nella fusione solo se due nuclei

vengono posti a una distanza sufficientemente piccola interviene

la forza di attrazione nucleare che li fa unire. Il problema è che

questa forza agisce solo a cortissimo raggio, dell’ordine di mille

miliardesimi di millimetro, e poiché i nuclei che si vogliono far Reattori a fusione

fondere sono entrambi carichi positivamente, quando si mettono e fissione.

uno vicino all'altro tendono a respingersi a causa di un'altra

forza, la repulsione elettrostatica, che si fa sentire su distanze

maggiori e ostacola il processo. Per infrangere tale barriera, i

nuclei devono essere in uno stato d'eccitazione raggiungibile

solo a temperature di oltre cento milioni di gradi, condizione in

cui gli atomi vengono letteralmente spogliati della propria

“corteccia” di elettroni: è a queste condizioni che la fusione tra

atomi leggeri avviene naturalmente.

L'enorme temperatura necessaria per il plasma di fusione ha

impedito finora la realizzazione industriale di un reattore a 11 Cfr. Walker.

fusione. Fisica, Bologna,

Zanichelli, 2004 17

• Un nucleo in uno

stato eccitato può

emettere un

fotone di alta

energia, un raggio

sono in atto due forze contrapposte:

Dentro il nucleo atomico γ e passare ad un

l'interazione

e la

che lega tra di loro i nucleoni, repulsione elettrostatica,

nucleare forte, livello energetico

a respingersi reciprocamente, essendo tutti positivi.

che costringe i protoni più basso. I raggi

γ possono

attraversare vari

centimetri di

12

piombo.

Il decadimento

radioattivo può

essere di tipo

alfa, beta o

gamma, a

seconda delle

particelle che

vengono emesse

durante il

processo. Questi

differiscono per

2.2 Decadimento radioattivo e tempo di modalità di

attuazione,

dimezzamento energia e forze

coinvolte, ma

Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili. Tuttavia, seguono tutti la

alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, stessa legge di

presentano nuclei instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o decadimento. Si

di neutroni. Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea tratta di una

in altri isotopi, e questa trasformazione si accompagna con funzione

l'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti isotopi esponenziale, che

radioattivi, o anche radioisotopi, o anche radionuclidi. permette di

La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione calcolare, dato un

di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure campione con un

stabile. Essa è chiamata disintegrazione o decadimento numero iniziale

radioattivo. Durante i processi di decadimento sono emessi tre di nuclei instabili

tipi di particelle: N , il numero di

• Particelle alfa: ogni particella alfa è formata da due neutroni e 0

nuclei decaduti

due protoni. Quando un nucleo decade emettendo particelle alfa N(t) al tempo t:

diciamo che emette raggi alfa, i quali possono a malapena

attraversare un foglio di carta. -λt

N(t) = N e

• Particelle beta:sono gli elettroni emessi da un nucleo e sono 0

chiamati raggi β¯ (per ricordare che la carica dell’elettrone è Il parametro λ,

negativa), i quali possono penetrare per qualche millimetro chiamato costante

nell’alluminio. di decadimento, è

• Positroni: hanno la stessa massa dell’elettrone ma carica positiva

pertanto i raggi emessi vengono definiti β+. 12 Cfr. Walker.

Infine, la radioattività può assumere la forma di un fotone Fisica,pag. 84,

anziché particella con una massa: Bologna, Zanichelli,

2004 18

radioattiva.

specifico per ogni nuclide e determina la velocità del processo di Definito come il

trasformazione. tempo necessario

Dalla legge del decadimento radioattivo deriva la definizione del perché il numero

tempo di dimezzamento, un parametro comunemente utilizzato di nuclidi

per valutare la velocità di decadimento di una specie instabili di un

campione si

dimezzi, è dato

da:

Decadimento radioattivo T = (ln 2)/λ,

1/2

dove ln

rappresenta il

logaritmo

naturale, o

logaritmo in base

e. Il tempo di

dimezzamento

può variare molto

da nuclide a

Particelle α, β, γ nuclide. Ad

esempio, lo iodio

131 ha un tempo

di dimezzamento

di circa 8 giorni,

il cobalto 60 di

5,3 anni e

l’uranio 238 di

4,5 miliardi di

anni.

Spesso, in luogo

del tempo di

dimezzamento, si

indica la “vita

media” di un

radionuclide, che

Legge del decadimento radioattivo equivale al

periodo di tempo

necessario

affinché il

numero di nuclei

instabili si riduca

a circa il 37% del

suo valore

13

iniziale.

Tempo di dimezzamento. 13 Cfr. Brandi-

Salvadori,

Matematica&Realtà,

19

vol. 3, Università degli studi di Perugia, 2006. 20

3.1 Storia di una nuova energia I primi passi

Il primo periodo dello sviluppo della fisica nucleare comincia tra della fisica

il 1895 e il 1905, con la scoperta dei raggi X da parte del nucleare

Tedesco Wilhelm Röntgen. Nel 1896, investigando sulla natura

dei raggi X, il fisico francese Henri Becquerel ritenne che

potessero essere una sorta di fluorescenza. Espose perciò

numerose sostanze fluorescenti alla luce solare, cercando di

catturare l'eventuale radiazione emessa su una lastra fotografica.

Dopo molti tentativi, tutti vani, Becquerel osservò che sali di

uranio impressionavano la lastra fotografica e constatò con

sorpresa che ciò avveniva indipendentemente dalla presenza

della luce solare. Ben presto ci si accorse che i «raggi uranici»,

come inizialmente vennero chiamati, nulla avevano a che fare

coi raggi X, né con la fluorescenza, ma costituivano un nuovo

tipo di radiazione: era la scoperta della radioattività. Nel 1897

l'inglese Joseph John Thomson misurò il rapporto tra carica e

massa delle particelle costituenti i cosiddetti «raggi catodici» e

si cominciò a menzionare l'esistenza di una particella più leggera

di un atomo di idrogeno, che sarà denominata «elettrone». Nel

1898 i coniugi Marie e Pierre Curie identificarono altri tre

elementi radioattivi: il torio, il polonio e il radio.

Purtroppo, il lavoro di ricerca condotto dai Curie con passione

«eroica», ma senza avere la più pallida idea del fatto che la

radioattività danneggiasse i tessuti biologici (e quindi senza

avere laboratori attrezzati per limitare i danni), devastò la loro

salute. Solo verso la metà degli anni venti se ne cominciò a

conoscere la pericolosità, ma a quel punto molti dei pionieri

della radioattività avevano compromesso la loro salute,

dormendo con i sali di uranio sul comodino, deliziati dalla luce

che emettevano, o ustionandosi volontariamente con il radio per

verificare che le lesioni richiedessero mesi per guarire. Di fatto,

nel 1934 Marie Curie morì di leucemia, indubbiamente

provocata dalla sovraesposizione alle radiazioni. In ogni caso, lo

studio della radioattività divenne immediatamente un'area di

ricerca che polarizzò l'interesse di tutta la comunità dei fisici e

ben presto Ernest Rutherford, dell'Università di Manchester,

osservò che le sostanze radioattive emettevano due tipi diversi di

radiazioni, che Rutherford chiamò radiazione (o raggi) alfa e

beta. La prima era costituita dalle cosiddette «particelle alfa»,

nuclei di elio con doppia carica positiva, mentre la seconda era

costituita dagli elettroni. Successivamente si scoprì che le

sostanze radioattive potevano emettere anche un altro tipo di

radiazione, a cui fu dato il nome di raggi gamma, associando

così i tre tipi di emissione alle prime tre lettere dell'alfabeto

greco. Ma la sorpresa forse più sconvolgente fu il fatto che gli 21

elementi radioattivi, nell'emettere la radiazione, si

trasformavano in altri elementi chimici, realizzando così,

almeno in parte, il sogno degli alchimisti di trasmutare i metalli.

Un elemento radioattivo, per emissione di una particella alfa, si

trasformava nella sostanza che lo precede di due posti nella

tavola periodica, mentre per emissione di una particella beta si

trasformava nella sostanza che lo segue di un posto.

Nel 1907 Rutherford usò le particelle alfa per bombardare delle

sottili lamine d'oro, allo scopo di studiarne gli atomi. A quel

tempo dell'atomo si sapeva ben poco, a parte il fatto che era

elettricamente neutro e che non era indivisibile, poiché

conteneva almeno una particella subatomica avente carica

negativa: l'elettrone. Un modo per immaginarlo era vederlo

costituito, in qualche modo non meglio precisato, da un corpo

principale dotato di carica positiva, in cui erano immersi tanti

elettroni quanti servivano a controbilanciare la carica positiva

del corpo principale. Bombardando una lamina costituita da

atomi di questo tipo con particelle alfa, queste avrebbero dovuto

attraversarla pressoché indisturbate, come una pallottola che

attraversi un fazzoletto di carta. E di fatto così faceva la maggior

parte delle particelle. Tuttavia, una su ottomila rimbalzava

indietro: un fenomeno piuttosto sconcertante, proprio perché era

come veder rimbalzare una pallottola sparata contro un

fazzoletto di carta.

Da quell'esperimento Rutherford concluse che le particelle che

rimbalzavano dovevano aver colpito qualcosa di compatto, una

sorta di nocciolo duro che si trovava all'interno dell'atomo e che

probabilmente ne occupava solo una piccola parte, visto che un

gran numero di particelle attraversava la lamina senza subire

deviazioni e quindi riuscendo a evitarlo. Prendendo in prestito

un termine dalla biologia, quello di nucleo della cellula, il

nocciolo compatto dell'atomo venne chiamato nucleo. E con la

scoperta del nucleo atomico, si entrò in pieno nell’era nucleare.

Le sorprese, però, non erano finite. Utilizzando ancora una volta

lo stesso esperimento, nel 1932 James Chadwick scoprì che gli

atomi di alcuni elementi chimici emettevano una radiazione

eccezionalmente penetrante e costituita da particelle prive di

carica elettrica, che il fisico inglese chiamò neutroni; l'anno

seguente i fisici francesi Frédéric e lrène Joliot-Curie - figlia di

Marie Curie - scoprirono che sostanze non radioattive, una volta

bombardate, diventavano tali. Quello scoperto dai Joliot-Curie

era il fenomeno della radioattività artificiale e, grazie alle

ricerche dei due scienziati francesi, fu possibile capire che la

radioattività non era una proprietà tipica di pochi elementi

chimici, come l'uranio o il torio: tutti gli elementi potevano

essere resi radioattivi attraverso un opportuno bombardamento e

la relativa trasmutazione. Agli inizi del 1934 Fermi, con il suo

celebre gruppo romano dei «ragazzi di via Panisperna»

(costituito dai fisici Rasetti, Amaldi, Segrè e Pontecorvo) ebbe

l'idea di usare i neutroni, anziché le particelle alfa, come

proiettili per bombardare gli elementi chimici. Il vantaggio di 22

questa scelta stava nel fatto che il neutrone, essendo

elettricamente neutro, poteva penetrare nel nucleo atomico senza

subire la repulsione da parte delle cariche presenti in esso. Fermi

scoprì che anche i neutroni, oltre alle particelle alfa, potevano

produrre la radioattività artificiale; così iniziò a bombardare

sistematicamente un elemento della tavola periodica dopo l'altro.

E poiché il bombardamento era un facile metodo per rendere un

elemento radioattivo e trasmutarlo in quello che lo precedeva di

due posti o lo seguiva di uno nella tavola periodica, arrivato