Concetti Chiave
- L'energia nucleare si ottiene dalla trasformazione della materia in energia, seguendo la formula di Einstein E=mc².
- Due processi principali generano energia nucleare: la fissione, che divide nuclei atomici, e la fusione, che unisce nuclei leggeri.
- La fissione nucleare sfrutta l'uranio 235, il quale deve essere arricchito dall'uranio naturale per essere utilizzato nei reattori.
- La fusione nucleare, che avviene naturalmente nel Sole, richiede temperature di milioni di gradi e finora è stata realizzata solo in modo incontrollato per scopi bellici.
- Le materie prime per la fusione, come deuterio e trizio, sono abbondanti e potrebbero ridurre la produzione di scorie radioattive rispetto alla fissione.
L’energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modificazioni della struttura della materia. La materia può trasformarsi in energia secondo a legge fisica, scoperta da Einstein:
• La fissione o la scissione nucleare
• La fusione nucleare
La fissione o scissione nucleare consiste nella disintegrazione del nucleo dell’atomo di alcuni elementi, detti fossili, per mezzo di piccolissime particelle (neutroni)che lo colpiscono e lo spezzano in due nuclei più leggeri.
I prodotti della scissione hanno una massa più piccola del nucleo originale:ciò vuol dire che una parte della materia si è trasformato in energia. L’elemento fissile usato nelle centrali è l’uranio 235, che è presente però solo in una piccola percentuale, il 7 per mille, nell’uranio naturale. Quest’ultimo deve essere arricchito con complesse operazioni, in modo che la percentuale di uranio 235 arrivi intorno al 3 per cento. Questo vuol dire che per preparare una tonnellata di uranio arricchito bisogna estrarne almeno quattro: di esse ne rimarranno circa tre che costituiscono pur sempre materiale radioattivo che attualmente non si trova alcun impiego e viene accantonato. Nei reattori dell’ultima generazione, detti autofertilizzanti, oltre a produrre energia si riesce a produrre un nuovo combustibile nucleare. Durante la fissione si ottiene un materiale fissile non presente in natura: il Plutonio. Un altro metallo abbastanza diffuso è il Torio, introdotto in un reattore nucleare, si trasforma in un materiale che può subire la fissione e quindi produrre energia. La fusione nucleare consiste nell’unione di nuclei per formarne di più pesanti: in un certo senso è il processo inverso di quello precedente. Quando due nuclei leggeri (deuterio e trizio) sono spinti con forza l’uno contro l’altro, possono saldarsi, fondersi insieme e formare un solo nucleo (elio) il quale, però, risulta meno pesante dalla somma degli altri due. La quantità di materiale mancante si è trasformata in energia. Questa reazione avviene continuamente sul sole e le altre stelle, ad una temperatura di alcuni milioni di gradi: la luce ed il calore che giungono sino a noi ne sono l’effetto visibile. Il sole emette grandi quantità di energia trasformando una parte della sua materia e diventando sempre più leggere in un processo che dura da molti milioni di anni. Sulla terra gli scienziati sono riusciti a realizzare la fusione nucleare soltanto in forma non controllata, in micidiali ordigni distruttivi come la bomba all’idrogeno. Non sono, invece, riusciti a sprigionare questa energia in modo lento e controllata. La causa principale sta nelle altissime temperature occorrenti alla reazione: alcuni milioni di gradi. Non esiste al mondo alcun materiale solido capace di resistere a tali temperature. Recenti esperimenti di fusione a freddo hanno fatto sperare in una prossima soluzione del problema. Le materie prime per il processo di fusione, il deuterio e trizio, sono disponibili in grandi quantità e a bassi prezzi: il deuterio si ricava dall’acqua del mare, il trizio si ricava dal litio. L’energia di fusione, se riuscita ad utilizzare sarà molto utile per non produrre scorie radioattive, che, sono un gravissimo problema nella produzione di energia per fissione.
Domande da interrogazione
- Qual è la legge fisica che descrive la trasformazione della materia in energia?
- Quali sono i due principali processi che producono energia nucleare?
- Qual è l'elemento fissile utilizzato nelle centrali nucleari e qual è la sua percentuale nell'uranio naturale?
- Come avviene la fusione nucleare e dove si verifica naturalmente?
- Qual è il principale ostacolo alla realizzazione della fusione nucleare controllata sulla Terra?
La legge fisica che descrive questa trasformazione è la celebre formula di Einstein, E=mC², dove E è l'energia prodotta, m è la massa di materia trasformata e C è la velocità della luce al quadrato.
I due processi principali sono la fissione nucleare, che consiste nella scissione del nucleo di atomi pesanti, e la fusione nucleare, che implica l'unione di nuclei leggeri per formarne di più pesanti.
L'elemento fissile utilizzato è l'uranio 235, che si trova in una percentuale molto bassa, pari a 7 per mille, nell'uranio naturale, il quale deve essere arricchito per raggiungere circa il 3%.
La fusione nucleare avviene quando nuclei leggeri, come deuterio e trizio, si uniscono per formare un nucleo più pesante, come l'elio, liberando energia. Questo processo avviene naturalmente nel sole e nelle stelle a temperature di milioni di gradi.
Il principale ostacolo è la necessità di temperature estremamente elevate, di alcuni milioni di gradi, per attivare la reazione di fusione, poiché non esistono materiali solidi in grado di resistere a tali condizioni.
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