Atomo: fonte di energia e di distruzione

Giorgio Tozzi: l’atomo: fonte di energia e fonte di distruzione

Indice

• 1. Introduzione......................................................................................................................................... 3
• 2. Funzionamento di una centrale termonucleare .................................................................................... 4
• 2.1 La fissione nucleare ...................................................................................................................... 4
• 2.2 Generatore elettrico ..................................................................................................................... 5
• 2.2.1 La derivata ............................................................................................................................ 6
• 2.3 Vantaggi e svantaggi delle centrali nucleari ................................................................................... 6
• 3. La bomba atomica ................................................................................................................................ 8
• 3.1 Progetto Manhattan ..................................................................................................................... 8
• 3.2 L’utilizzo bellico .......................................................................................................................... 10
• 3.3 Discorso del presidente Henry Truman ....................................................................................... 12
• 3.4 La Guerra Fredda e la corsa agli armamenti ................................................................................ 13
• 3.5 “Russians” .................................................................................................................................. 15
• 4. La guerra in arte ................................................................................................................................. 16
• 4.1 Guerra come tragedia e massacro ............................................................................................... 16
• 4.2 Guerra come rivoluzione e libertà ............................................................................................... 19
• 5. Gli intellettuali e la bomba atomica .................................................................................................... 21
• 5.1 Salvatore Quasimodo .................................................................................................................. 21
• 5.1.1 Uomo del mio tempo .......................................................................................................... 21
• 5.2 Italo Svevo .................................................................................................................................. 22
• 5.2.1 La profezia di un’apocalisse cosmica ................................................................................... 23
• 6. L’etica dello scienziato ........................................................................................................................ 24
• 6.1 Cicerone e la ragione naturale .................................................................................................... 24
• 6.2 Immanuel Kant e la Critica della ragion pratica ........................................................................... 25
• 6.3 La scomparsa di Majorana .......................................................................................................... 27
• 6.4 Il manifesto Russel-Einstein ........................................................................................................ 28
• 7. Il futuro energetico ............................................................................................................................ 30
• 7.1 La fusione nucleare ..................................................................................................................... 30
• 7.1.1 Progetto ITER ...................................................................................................................... 32
• 7.2 La fornace nucleare del Sole ....................................................................................................... 32
• 7.2.1 L’evoluzione del Sole ........................................................................................................... 33
• 7.3 Le fonti di energia rinnovabili ...................................................................................................... 34
• 8. Bibliografia, sitografia e filmografia .................................................................................................... 35

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Giorgio Tozzi L’atomo: fonte di energia e fonte di distruzione

1. Introduzione

L’atomo (dal greco àtomos, indivisibile, così chiamato perché inizialmente considerato l’unità più piccola e indivisibile della materia, risalente alla dottrina dei filosofi greci Democrito ed Epicuro, detta teoria dell’atomismo) è la più piccola parte di ogni elemento esistente in natura che ne conserva le caratteristiche chimico-fisiche. Verso la fine dell’Ottocento, con la scoperta dell’elettrone, fu dimostrato che l’atomo era divisibile, essendo a sua volta composto da particelle più piccole, alle quali ci si riferisce con il termine “subatomiche”. L’atomo risulta infatti costituito da neutroni, elettroni e protoni. È proprio questa scoperta che ci ha permesso in seguito di pensare di poter estrarre energia dall’atomo.

La mia trattazione inizia quindi da un’analisi dei due modi di utilizzare l’energia prodotta dall’atomo tramite la tecnica della fissione nucleare: l’ambito energetico, con il funzionamento di una centrale termonucleare, e l’ambito bellico, con ciò che avvenne il 6 agosto 1945, data dello sgancio della prima bomba atomica sulla città giapponese di Hiroshima.

Durante la descrizione del funzionamento della centrale termonucleare, mi soffermerò sul generatore elettrico, elemento fondamentale dell’era moderna, con una connessione alla legge di Faraday-Neumann, e quindi alla derivata in ambito matematico.

Per quanto riguarda invece l’aspetto bellico, analizzerò prima i vari passaggi del Progetto Manhattan, il progetto che ha portato alla costruzione della prima bomba atomica, per passare poi al vero e proprio utilizzo bellico di quest’ultima, al discorso del presidente Truman, e alle conseguenze che ha generato lo sgancio della bomba: la guerra fredda e la corsa agli armamenti.

Le guerre che hanno segnato il ventesimo secolo mi permetteranno di fare un approfondimento sui vari modi in cui è vista la guerra dagli artisti: per questo mi soffermerò sulla guerra come tragedia e massacro e la guerra come rivoluzione e libertà.

Approfondirò il rapporto della guerra con gli intellettuali italiani: ecco che abbiamo Salvatore Quasimodo e la relazione con il secondo dopoguerra e Italo Svevo e la sua profezia di un’apocalisse cosmica.

Da quest’ultimo brano poi mi soffermerò su un altro argomento fondamentale della scienza moderna: l’etica dello scienziato, trattandola tramite le riflessioni di Cicerone e Kant. Tramite l’etica giungerò ad analizzare il comportamento di Einstein ed Ettore Majorana a riguardo delle pericolose scoperte atomiche.

Infine terminerò il mio percorso con un’analisi di quella che può essere la vera possibilità di produrre energia senza alcun rischio: la fusione nucleare, la stessa che avviene nel Sole, con una connessione alle altre fonti di energia rinnovabili.

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2. Funzionamento di una centrale termonucleare

Una centrale termonucleare genera energia elettrica convertendola dall’energia cinetica del vapore, ottenuto portando l’acqua a elevate temperature ed elevata pressione. Il vapore genera il movimento di una spira inserita in un campo magnetico, che, come c’è suggerito dalla legge di Faraday, crea corrente elettrica alternata. (Figura 2-1)

Per portare l’acqua a elevata temperatura si utilizza l’energia sprigionata dalla fissione degli atomi di Uranio. Questo avviene nel nocciolo, l’elemento più importante di una centrale nucleare.

Cos’è la fissione nucleare? Figura 2-1 – Schema di una centrale termonucleare

2.1 La fissione nucleare

Nel 1934 un gruppo di fisici guidati da Enrico Fermi (i ragazzi di via Panisperna) realizzò la prima fissione nucleare artificiale, bombardando con dei neutroni gli atomi dell’uranio. Il gruppo di fisici non si accorse però di quello che era avvenuto, credendo di aver scoperto nuovi elementi. La fissione fu scoperta cinque anni dopo, nel 1939 da Otto Hahn e Fritz Strassman, durante uno dei loro esperimenti. Questi notarono che un nucleo di uranio può essere scisso in due nuclei più piccoli, generando un’enorme quantità di energia.

Una reazione di fissione ha inizio quando un neutrone lento è assorbito da un nucleo di uranio-235.

L’evento fa aumentare di uno il numero di massa del nucleo e lo lascia in uno stato eccitato:

*

+ →

Il nucleo eccitato oscilla violentemente e si deforma, fino a dividersi in pezzi più piccoli, cioè fino a subire una fissione. Oltre alla formazione di nuclei più piccoli, sono emessi 2 o 3 (in media 2,47) neutroni (ciò perché se l’atomo fosse semplicemente diviso in due atomi di massa dimezzata, questi ultimi avrebbero troppi neutroni per essere stabili).

Il fatto che una reazione di fissione emetta in media più di un neutrone, genera una reazione a catena. Infatti, i neutroni emessi dalla prima reazione, generano altre reazioni di fissioni in altri atomi. Queste, a loro volta genereranno altri neutroni che produrranno altre reazioni di fissione. Una reazione come quella appena descritta è definita incontrollata, e genera una quantità di energia enorme che si scatena in maniera esplosiva (quanto avviene nella bomba atomica). (Figura 2-2) Figura 2-2 – Fissione nucleare

Una reazione a catena controllata, come quelle utilizzate negli impianti nucleari, genera in media un solo neutrone. La prima reazione a catena controllata fu ottenuta dallo stesso Fermi nel 1942 in un laboratorio improvvisato allestito in un campo da tennis dell’Università di Chicago.

Un reattore è generalmente formato da tre elementi: il combustibile (di solito l’uranio), il moderatore e le barre di controllo. Il moderatore rallenta i neutroni emessi durante la fissione rendendo più probabile la loro cattura da parte di altri nuclei di uranio per ottenere nuove fissioni. Le barre di controllo regolano invece la velocità di reazione e sono fatte di un materiale capace di assorbire i neutroni, come il cadmio.

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Quando le barre di controllo sono completamente inserite nella “pila” di blocchi di uranio, ogni nuova reazione termina rapidamente, perché i neutroni emessi sono assorbiti prima che possano innescare nuove reazioni. Se le barre vengono parzialmente estratte, alcuni neutroni diventano disponibili per generare nuove reazioni. Si dice che il reattore è critico quando, in media, per ogni neutrone emesso da una reazione di fissione, si ha un’altra fissione. I reattori nucleari che producono energia per applicazioni pratiche sono tenuti vicino alla condizione critica tramite una continua regolazione delle barre di controllo. (Figura 2-3) Figura 2-3 – Reattore nucleare 2

L’energia prodotta dalla fissione degli atomi di uranio, data dalla legge di Einstein E=mc (si noti che essendo la velocità della luce elevata al quadrato, anche un valore di m molto basso, genera una grande quantità di energia), viene utilizzata per portare a ebollizione l’acqua, ed il vapore acqueo generato fa muovere grandi turbine nella parte termoelettrica della centrale. Tramite un generatore elettrico si produce corrente alternata.

2.2 Generatore elettrico

Un generatore elettrico è un dispositivo progettato per trasformare in modo efficiente energia meccanica in energia elettrica. L’energia meccanica è utilizzata per muovere un conduttore all’interno di un campo magnetico e produrre così una fem indotta. Consideriamo una spira di superficie S che può ruotare con una velocità angolare ω in un campo magnetico: la rotazione della spira genera una variazione del flusso del campo magnetico pari a ( )=

Ma considerando che il flusso sarà quindi

= ωt,

( )= (ωt)

( ) , basta derivare l’equazione prima trovata

Essendo: = −

per ricavare la fem indotta: = ω (ωt) Figura 2-4 – Generatore elettrico

Osserviamo che la fem indotta nella spira cambia segno in maniera ricorrente, il che significa che la corrente nella spira circola in verso alternato. Per questo motivo questo tipo di generatore è detto generatore di corrente alternata o, più semplicemente, alternatore. (Figura 2-5)

Figura 2-5 – Fem nel grafico differenza di potenziale, tempo

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2.2.1 La derivata

Abbiamo visto come la forza elettromotrice indotta è la derivata del flusso rispetto al tempo

( )

= −

Cos’è precisamente una derivata?

Partiamo dalla funzione continua nell’intervallo

= ( )

[a,b]. Presi i punti x e x +h interni all’intervallo [a,b], si

0 0

definisce rapporto incrementale

( )

∆ + ℎ − ( )

=

ℎ ℎ ( )

il rapporto tra l’incremento della funzione + ℎ − ( ) e lo stesso incremento h. Geometricamente il rapporto incrementale rappresenta il coefficiente angolare della retta secante alla funzione nei punti P e P . (Figura 2-6)

0

Si definisce invece derivata prima di f(x) il limite per h che tende a 0 del rapporto incrementale

( )

+ ℎ − ( )

( ) = lim ℎ

→

Graficamente, la derivata rappresenta il coefficiente angolare della retta tangente alla funzione f(x) nel punto P di ascissa x . Basta osservare che, quando h tende a 0, il punto P si avvicina al punto P , quindi la retta secante tende alla retta tangente, ovvero il coefficiente angolare della retta secante tende al coefficiente angolare della retta tangente. ( ) , osserviamo che la fem rappresenta

Tornando quindi alla nostra equazione di partenza = −

quindi la rapidità con cui il flusso del campo magnetico varia nell’intervallo di tempo Δt.

2.3 Vantaggi e svantaggi delle centrali nucleari

Spesso il nucleare viene presentato come un male da combattere o come miracolosa pozione per risollevare l’economia nazionale. Il nucleare rappresenta, invece, un’opzione energetica come le altre con i suoi “pro” ed i suoi “contro”.

Questa tipologia di centrali produce un’elevatissima potenza per metro quadro occupato dall’impianto, a costi circa uguali a quelli del carbone, che è attualmente la tecnologia economicamente più conveniente, rappresentando però una soluzione che permette di non dipendere più dai combustibili fossili. Le centrali nucleari non hanno emissioni inquinanti di alcun tipo, l’impatto ambientale di una centrale nucleare è estremamente più ridotto di quello di una centrale termoelettrica per via della completa assenza di emissioni di combustione e la radioattività emessa dalle strutture è inferiore di centinaia di volte al fondo naturale di radiazioni che comunque vengono percepite per effetto dei raggi cosmici e della naturale radiazione della terra.

Renderebbe quindi il paese meno dipendente da importazioni di petrolio e carbone, potrebbe far scendere il prezzo dell’elettricità e, se le centrali nucleari fossero gestite in maniera corretta, sarebbero meno inquinanti delle termoelettriche tradizionali e meno pericolose delle grandi dighe.

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Il primo svantaggio invece è sicuramente l’elevato grado di pericolosità in caso d’incidente. Una rottura dei sistemi di contenimento e di refrigerazione della centrale potrebbe portare alla dispersione nell’ambiente di materiale radioattivo, con effetti a lungo termine. Il ricordo di Chernobyl (Figura 2-7) e la memoria delle conseguenze derivate dall’esplosione di uno dei reattori della centrale sono ancora vivi nella memoria di tutti e, oggi, il fantasma di una nuova contaminazione riaffiora a seguito del terribile sisma che ha scosso il Giappone, paese in cui sono presenti e in funzione molte centrali nucleari.

I tempi e i costi di costruzione di una centrale nucleare sono molto elevati. Per mettere in funzione una centrale ci vogliono più di dieci anni e circa tre miliardi di euro. Inoltre, dopo il ciclo di vita di circa trenta anni, i tempi per la dismissione e lo smaltimento della centrale sono molto lunghi. Anche la scelta del sito ove installare una centrale nucleare è difficile: la zona non dovrebbe essere esposta a rischio sismico, cosa che esclude la maggior parte dei territori italiani.

Gli elevati capitali che dovrebbero essere investiti nel nucleare andrebbero a diminuire quelli stanziati per la ricerca nel campo delle energie alternative.

Il problema principale delle centrali nucleari è lo smaltimento delle scorie nucleari. Infatti, dopo che è avvenuta la reazione di fissione, l’atomo di uranio si è diviso in due isotopi radioattivi. Questi impiegano un certo tempo, chiamato tempo di dimezzamento, affinché metà dei loro nuclei decada nell’isotopo stabile

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che è, in questo caso, il piombo. L’uranio impiega 7,04 · 10 anni per dimezzare il proprio numero di nuclei instabili. Si parla quindi di milioni di anni. Le scorie non possono essere distrutte e l’unico modo per smaltirle è lo stoccaggio in luoghi deputati ad accoglierli per milioni di anni, senza che entrino in contatto con l’attività umana.

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3. La bomba atomica