Tecnologia dei cicli produttivi - energia nucleare

L'energia nucleare

Introduzione: Le fonti dell'energia nucleare

Con il termine energia nucleare s'intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici. L'energia nucleare, insieme alle altre forme di energia, rientra in quella categoria detta "fonte primaria", in quanto è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia.

L'energia nucleare è data dalla fissione o dalla fusione del nucleo di un atomo. La prima persona che intuì la possibilità di ricavare energia dal nucleo di un atomo fu lo scienziato Albert Einstein nel 1905. Per ricavare energia dal nucleo dell'atomo esistono 2 tipi di procedimenti opposti:

• La fissione (rottura) di un nucleo pesante;
• La fusione (unione) di nuclei leggeri.

La produzione di questo tipo di energia avviene in centrali dette, appunto "nucleari". Hanno un funzionamento simile ad una centrale termoelettrica con la differenza che l'acqua viene riscaldata da un reattore nucleare dove l'uranio viene fissionato.

La fissione nucleare

La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui atomi di Uranio 235, Plutonio 239 o altri elementi pesanti, vengono divisi in frammenti in un processo che libera energia. È la reazione nucleare più facile da ottenere, ed è comunemente utilizzata nei reattori nucleari e nei tipi più semplici di bombe atomiche, quali le bombe all'uranio.

Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile o fissionabile assorbe un neutrone, si fissiona producendo due o più nuclei più piccoli. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto posseggono un eccesso di neutroni e decadono beta in una catena di decadimenti fino a che arrivano ad una configurazione stabile. Inoltre, nella fissione vengono prodotti normalmente 2 o 3 neutroni veloci liberi.

L'energia complessivamente liberata dalla fissione di 1 nucleo di ²³⁵U è di 211 MeV (mega-eV, cioè un milione di elettronvolt: energia acquistata da un elettrone libero). In questo fenomeno parte della massa iniziale scompare e si trasforma in energia sotto forme diverse, la maggior parte (circa 167 MeV), in energia cinetica dei frammenti pesanti prodotti della reazione. Circa 11 MeV sono trasportati via dai neutrini emessi al momento della fissione e quindi l'energia effettivamente sfruttabile come energia termica è di circa 200 MeV per ogni fissione.

I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di ²³⁵U vicini, se ciò accade possono produrre una nuova fissione del nucleo.

Concludendo, possiamo affermare che la fissione nucleare è formata da 3 fasi:

• Un atomo di uranio ²³⁵ assorbe un neutrone e avviene la fissione che spezza l'atomo in due frammenti e libera tre neutroni e dell'energia;
• Uno di questi neutroni è assorbito da un atomo di uranio ²³⁸ e si ferma. Un altro atomo si perde o si scontra con un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un atomo di uranio ²³⁵ che si spezza in due frammenti liberando due neutroni e dell'energia;
• I due neutroni si scontrano con due atomi di uranio ²³⁵ e ogni atomo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

Se:
K = neutroni presenti in una generazione/neutroni della generazione precedente

• K > 1, si ha una reazione a catena in cui il numero di fissioni cresce esponenzialmente;
• K = 1, si ha una reazione stabile e in tal caso si parla di massa critica. La massa critica è quella concentrazione di atomi con nuclei fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile e il numero di neutroni presente nel sistema non varia;
• K < 1, la reazione si spegne.

L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi: ²³⁸U e ²³⁵U, in rapporto di 150 a 1, dunque l'uranio ²³⁵ è solo lo 0,7% del totale uranio, e solo questo è fissile. Il processo di arricchimento consiste nell'aumentare la percentuale in massa di uranio ²³⁵U a scapito del ²³⁸U in modo da riuscire ad avere un numero di nuclei fissili sufficiente per far funzionare il reattore.

La fusione nucleare

La fusione nucleare è il processo nucleare che alimenta il sole e le stelle consistente nell'unione di due atomi leggeri, isotopi dell'Idrogeno: Deuterio e Trizio in uno più pesante. In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito ha massa totale minore della somma delle masse reagenti con conseguente liberazione di alta quantità di energia che conferisce al processo caratteristiche fortemente esotermiche.

Affinché avvenga la fusione tra due nuclei, questi devono essere sufficientemente vicini in modo da lasciare che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana. L'energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita alle particelle portandole in condizioni di altissima pressione.

La fusione nucleare, nei processi terrestri, è usata in forma incontrollata per le bombe ad Idrogeno, ed in forma controllata nei reattori a fusione termonucleare, ancora sperimentali. Le tipologie di atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura ed in ingegneria, sono gli isotopi dell'atomo di idrogeno, caratterizzati dal minimo numero atomico a cui corrisponde la minima energia di innesco. Tuttavia, all'interno delle stelle più grandi è possibile anche la fusione di elementi più pesanti, si ritiene fino all'ossigeno.

La fusione nucleare, se controllata, potrebbe risolvere la maggior parte dei problemi energetici sulla Terra, perché potrebbe produrre quantità pressoché illimitate di energia senza emissioni di gas nocivi o gas serra, e senza la produzione di scorie radioattive.

Reazioni di fusione

Prima di iniziare a trattare le reazioni di fusione utilizziamo convenzionalmente il simbolo D per il Deuterio (²H), e il simbolo T per il Trizio (³H).

La fusione è la fonte di energia del sole e delle altre stelle, in cui il combustibile è confinato dalla forza della sua stessa gravità. Nelle stelle di massa inferiore o uguale a quelle del sole, prevale la reazione a catena protone-protone, in stelle di massa maggiore è invece predominante il ciclo CNO (Ciclo del Carbonio-Azoto-Ossigeno: una serie di reazioni nucleari che avvengono all'interno delle stelle). Entrambe queste reazioni possiedono, rispetto a quelle in studio sulla Terra, temperature e velocità maggiori.

Per la realizzazione di reattori a fusione, il primo problema è quello di individuare reazioni aventi una bassa energia di soglia. Questo significa un criterio di Lawson inferiore e quindi un minor sforzo iniziale. Il secondo problema è rappresentato dalla produzione di neutroni, difficili da gestire e controllare.

La reazione più studiata per uno sfruttamento pacifico è la reazione Deuterio-Trizio (D-T), che ha quell'energia di attivazione più bassa: ciò permette di utilizzare dei reagenti a temperature nettamente più basse che nelle altre reazioni. Lo svantaggio è la produzione di neutroni ad alte energie che per esempio non possono essere confinati da un campo magnetico, necessitano di schermature apposite, e tendono ad attivare i materiali metallici nelle vicinanze.

Ci sono studi che esplorano le possibilità di sfruttamento pacifico della reazione Deuterio-Deuterio (D-D), che al 50% dei casi produce neutroni con un'energia nettamente più bassa. L'energia di attivazione è però molto più elevata che nel caso D-T, per cui allo stato attuale delle ricerche la possibilità di usare praticamente questo tipo di reazione è abbastanza remota.

La centrale nucleare

Per centrale nucleare s'intende normalmente una centrale nucleare a fissione, ovvero una centrale elettrica che utilizza uno o più reattori nucleari a fissione. Il termine potrà essere applicato alle future centrali nucleari a fusione che utilizzeranno un reattore a fusione nucleare.

La storia del nucleare e la sua origine

La fissione nucleare fu ottenuta sperimentalmente per la prima volta da Enrico Fermi nel 1934 bombardando l'uranio con neutroni. Nel 1938 i chimici tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann condussero esperimenti con i prodotti della reazione di bombardamento dell'uranio. Determinarono che il neutrone, relativamente piccolo, è in grado di scindere il nucleo dei pesanti atomi di uranio in due parti uguali. Numerosi scienziati compresero che le reazioni di fissione rilasciavano ulteriori neutroni, con il risultato di poter originare una reazione nucleare a catena in grado di alimentarsi da sola. Gli scienziati di molte nazioni furono spronati dai risultati sperimentali a chiedere ai loro rispettivi governi un supporto alla ricerca sulla fissione nucleare. Negli USA, dove emigrarono sia E. Fermi che Szilard, fu costruito il primo reattore, conosciuto come Chicago Pile-1.