Energia nucleare tesina

LA NASCITA DELLA FISICA NUCLEARE

Il primo periodo dello sviluppo della fisica nucleare coincide con il decennio 1895-1905,

che si aprì con la scoperta dei raggi X. 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. Dopo molti tentativi, Becquerel osservò che sali di uranio

impressionavano la lastra fotografica indipendentemente dalla presenza della luce solare:

era la scoperta della radioattività naturale. Ben presto gli scienziati scoprirono che tutti

gli elementi con peso atomico superiore al bismuto sono radioattivi e che, quindi, emettono

tre tipi di raggi: alfa, beta e gamma. I raggi alfa sono costituiti da nuclei di elio carichi

positivamente, i raggi beta da elettroni in rapido movimento mentre i raggi gamma sono

onde elettromagnetiche.

Un’ importante conseguenza dell’emissione di questi raggi è che gli elementi radioattivi,

con l’emissione, si trasformano in elementi diversi, a seconda del tipo di radiazione, in un

processo denominato decadimento. Questo processo spontaneo porta necessariamente

alla diminuzione nel tempo della quantità di sostanza radioattiva: essa infatti si dimezza in

un intervallo di tempo che cambia a seconda dell’elemento e varia dai 3,8 giorni per il

radon ai 4,47 miliardi di anni per l’uranio; inoltre questo periodo di dimezzamento 1

non varia qualunque sia la pressione, la temperatura

o lo stato di aggregazione.

Per questo motivo il decadimento radioattivo, in

particolare quello del carbonio-14, è utilizzato per

stabilire a che età risalgono alcuni resti di organismi.

Ma la radioattività naturale non è l’unica esistente;

infatti, già negli anni ’30 del ‘900 fu scoperta quella

artificiale, ottenuta mediante il bombardamento degli

atomi di alcuni elementi non radioattivi con delle

particelle alfa emesse per radioattività naturale dal

polonio.

Si osservò, infatti, che questi elementi continuavano ad emettere radiazioni anche quando

la sorgente di polonio veniva allontanata. La conclusione di questo esperimento fu, quindi,

che la radioattività poteva essere indotta artificialmente in tutti gli elementi.

Nel 1934 Enrico Fermi ebbe l’idea di colpire gli elementi non più con particelle alfa ma con

dei neutroni poiché essi, essendo elettricamente neutri, potevano penetrare nel nucleo

atomico senza subire la repulsione da parte delle cariche presenti in esso; anche in questo

caso si produceva radioattività artificiale. In seguito lo stesso Fermi osservò che si

otteneva una radioattività indotta molto maggiore sfruttando elettroni lenti, ovvero fatti

passare precedentemente attraverso un moderatore; questo perché i neutroni rallentati

rimanevano più tempo dentro il nucleo e interagivano maggiormente con esso. Applicando

questo metodo all’uranio un team di scienziati tedeschi ottenne del bario, che dista 36

posti dall’uranio sulla tavola periodica quando, invece, fino a quel momento, si erano

ottenuti solo elementi abbastanza vicini a quello originario. La spiegazione di questo fatto

fu trovata nella fissione del nucleo. 2

LA FISSIONE NUCLEARE

La fissione nucleare è una reazione in cui il nucleo di uranio 235 o di altri elementi

pesanti adatti vengono divisi tramite il bombardamento con neutroni o altre particelle

elementari in frammenti, in un processo che libera energia.

Questa reazione, in genere, avviene a causa della cattura di un neutrone da parte del

nucleo di un elemento pesante o, più facilmente, di un isotopo di un elemento stabile.

Infatti, negli elementi chimici, il rapporto tra protoni e neutroni cresce con l'aumentare del

numero atomico; questo causa instabilità negli elementi pesanti e, in maniera maggiore,

nei loro isotopi.

Quando il neutrone colpisce il nucleo, esso acquista

un'anomala forma allungata e, nel giro di qualche

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frazione di secondo (meno di 10 s), il nucleo si

divide in due nuclei instabili a numero atomico

notevolmente più basso, emettendo, inoltre, alcuni

neutroni (in media 2 o 3) ed energia sotto forma di

radiazioni elettromagnetiche. L'energia

complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo

235

di U è di 211 MeV, una quantità elevatissima data

dalla formula 235

dove la prima massa è la massa del nucleo di U e del neutrone incidente mentre la

seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti, mentre c è la

costante che rappresenta la velocità della luce nel vuoto.

Il rilascio di neutroni veloci, uguali a quelli che hanno innescato la fissione del nucleo di

uranio consente l'inizio della cosiddetta reazione a catena, che consiste in una serie

autoalimentata di fissioni nucleari: i neutroni che vengono emessi nel processo di fissione 3

possono a loro volta innescare il medesimo processo, con continuo sviluppo di energia.

Per sostenere la reazione a catena è necessario un neutrone per ogni generazione di

fissioni nucleari; i neutroni eccedenti possono sfuggire dalla massa del materiale oppure

possono essere assorbiti da impurità o dall'isotopo pesante uranio 238, nel caso in cui

questo sia presente. Una sostanza capace di sostenere una reazione di fissione a catena

è detta fissile. Su questi concetti fu progettato e costruito nel 1942 il primo reattore

nucleare.

Il primo problema era quello di impedire all’uranio 238 di assorbire i neutroni emessi con la

fissione: questo inconveniente fu risolto collocando le sbarre di uranio nelle cavità di una

grande pila di grafite, che aveva il compito di rallentare i neutroni, impedendo all’uranio

238, che assorbe solo i neutroni a grande velocità, di interrompere la catena. Un altro

inconveniente era dato dal fatto che i neutroni che si liberavano vicino alla superficie del

reattore potevano sfuggire e rimanere esclusi dalla reazione. Per questo motivo esiste una

dimensione minima di un reattore nucleare, che è di circa 8,5 m di diametro; se il reattore

fosse di dimensioni minori, si perderebbero troppi neutroni e la reazione si

interromperebbe. Infine furono inserite delle sbarre di materiale in grado di assorbire

facilmente i neutroni (come il boro) a profondità calcolate accuratamente affinché fosse

assorbita l’esatta eccedenza di neutroni evitando così il surriscaldamento del reattore.

Questo reattore poteva essere utilizzato sia per produrre energia sia per fabbricare un

elemento artificiale fissile, più economico dell’uranio 235 e quindi più facilmente sfruttabile

nella costruzione di un ordigno a fissione: il plutonio. 4

LA CENTRALE NUCLEARE A FISSIONE

Le centrali nucleari a fissione o, più precisamente centrali nucleotermoelettriche, sono

quelle centrali che forniscono energia attraverso la fissione di materiali fissili, in particolare

dell’uranio 235 o del plutonio 239. Come nelle centrali termoelettriche convenzionali,

alimentate a combustibili fossili (carbone, olio combustibile, metano), c'è una turbina a

vapore che trascina un alternatore, il quale ha il compito di trasformare l’energia

meccanica in energia elettrica. La differenza, in questo caso, è nel modo in cui si ottiene il

vapore ad alta temperatura e pressione da inviare in turbina.

I reattori nucleari usati oggi sono molto diversi dal primo, costruito nel 1942 e producono

molta più potenza elettrica (0,5 W rispetto a 1 GW). Il cuore del reattore, detto nocciolo, in

acciaio, è composto da un moderatore, ovvero da acqua, in cui è immerso il materiale che

contiene uranio, racchiuso in tubi cilindrici di leghe metalliche. Sopra a questi tubi sono

presenti le barre di controllo, in genere di cadmio, che hanno il compito di assorbire i

neutroni in eccedenza ed evitare il surriscaldamento. Per effetto delle reazioni di fissione

la temperatura dei tubi aumenta, scaldando l'acqua e producendo, quindi, il vapore che

viene inviato alla turbina, che viene condensato nuovamente all'uscita della turbina stessa

e rinviato nel contenitore. Limitandoci a considerare le centrali con reattori ad acqua

normale, che sono le più diffuse in Occidente, è necessario dividerle in base ai due diversi

sistemi di vaporizzazione. Negli impianti indicati con la sigla BWR, ossia reattori ad

acqua bollente, il vapore si forma direttamente nel contenitore del reattore e va subito

nella turbina. 5

Invece negli impianti indicati con la

sigla PWR, ossia reattori ad acqua

pressurizzata, che sono la

maggioranza, l'acqua non bolle

direttamente nel contenitore del

reattore perché mantenuta a

pressione più alta; il calore viene,

infatti, portato da un flusso di gas

alle caldaie, dove incontra altra

acqua a pressione minore e la

trasforma in vapore; questo viene,

infine, raffreddato con altra acqua presente in un terzo circuito, raffreddato a sua volta ad

aria nelle apposite torri di raffreddamento. Questa configurazione ha il vantaggio di

assicurare che il vapore che arriva in turbina non è mai stato direttamente a contatto con i

tubi che contengono il combustibile nucleare, e quindi non può contenere prodotti di

fissione (radioattivi) sfuggiti dai tubi stessi.

Vantaggi

Questa tipologia di centrali produce un'elevatissima potenza per metro quadro occupato

dall'impianto, a costi più o meno 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. 6

Svantaggi

Queste centrali sono potenzialmente pericolose, in

particolare se mal costruite, mal gestite o lasciate in

mano a paesi interessati alla proliferazione militare,

giacché le centrali miste civili-militari (come quella di

Chernobyl) sono molto più pericolose di quelle civili.

Una rottura dei sistemi di contenimento e di

refrigerazione della centrale, potrebbe portare alla

dispersione nell'ambiente di materiale radioattivo

e quindi alla contaminazione di vaste aree: tale

rischio,

abbastanza basso per le centrali più recenti ed attualmente operative, è viceversa

presente per alcune delle centrali più vecchie operative in tutto il mondo.

Altri problemi non completamente risolti sono lo smaltimento delle scorie radioattive e

lo smantellamento della centrale stessa al termine del suo ciclo vitale (circa 25-30 anni).

Il primo è dovuto al fatto che il procedimento di fissione nucleare produce materiali residui

ad elevata radioattività che rimangono estremamente pericolosi per periodi lunghissimi,

fino ad un milione di anni. Il secondo, invece, è causato dai tempi necessari allo

smantellamento, estremamente più lunghi di quelli di costruzione e funzionamento. Alcuni

paesi, per esempio, hanno individuato siti sicuri per lo smaltimento delle scorie e per lo

smantellamento nei rispettivi territori, grazie alla presenza di zone sismicamente stabili e

disabitate. In Italia invece, con un territorio molto più densamente popolato e quasi tutto a

rischio sismico, lo smaltimento resta un problema difficile. 7

LE ARMI NUCLEARI

Sono armi nucleari o armi atomiche tutte le armi, nella gran maggioranza bombe e

testate esplosive per missili, che sfruttano reazioni di fusione nucleare o di fissione

nucleare. Esistono diversi tipi di armi nucleari, tutti decisamente più devastanti di qualsiasi

arma chimica, ma i più famosi sono la bomba A, la prima ad essere costruita e sganciata

su Hiroshima e Nagasaki, e la bomba H, ovvero a idrogeno, l’ordigno più potente mai

costruito.

La Bomba A

La bomba atomica o bomba A è il nome comune della bomba a fissione nucleare. È un

ordigno esplosivo, la cui energia è prodotta dal fenomeno della fissione nucleare. La