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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 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 tipologia di atomi interessati dal processo di fusione nucleare, in natura ed in ingegneria, sono

gli isotopi (è una delle forme possibili dell'atomo di un elemento chimico), dell’atomo di idrogeno,

caratterizzati dal minimo numero atomico a cui corrisponde la minima energia di innesco. Tuttavia

all’interno delle stella 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

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Deuterio ( H), e il simbolo T per il Trizio ( H).

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. 4

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 è

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 remoto.

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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.

Dopo la seconda guerra mondiale, il timore che la ricerca sui reattori potesse incoraggiare il rapido

sviluppo di armi nucleari anche in funzione delle conoscenze accumulate, insieme all’opinione di

molti scienziati che ritenevano occorresse un lungo periodo di sviluppo, crearono una situazione in

cui la ricerca in questo settore fu tenuta sotto stretto controllo dai governi. Effettivamente, la

maggioranza delle ricerche sui reattori era incentrata ai fini puramente militari.

L’elettricità venne prodotta per la prima volta da un reattore nucleare il 20 Dicembre 1951, alla

stazione sperimentale EBR-I (Experimental Breeder Reactor – I), vicino ad Arco, che inizialmente

produceva circa 100 KW. Nel 1953 un discorso del presidente Dwight Eisenhower, “Atomi per la

pace”, enfatizzò l’utilizzo dell’atomo per scopi civili e sostenne un piano politico per porre in primo

piano gli USA in un’ottica di sviluppo internazionale del nucleare. Nel 1954 Lewis Strauss,

presidente della Atomic Energy Commission statunitense, in un convegno di scrittori scientifici

sostenne: “…non è troppo aspettarsi che i nostri figli usufruiranno nelle loro case di energia

elettrica troppo economica per poter essere misurata”.

Primi anni

Il discorso pronunciato da Strauss nel 1954 contribuì ad alimentare il dibattito pubblico. Il 27

Giugno 1954, la centrale nucleare di Obninsk divenne il primo impianto al mondo a generare

elettricità per una rete di trasmissione e produceva circa 5 MW di potenza.

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Nel 1955 la “Prima Conferenza di Ginevra” delle Nazioni Unite, si riunì per studiare la tecnologia.

Nel 1957 venne lanciata l’EURATOM accanto alla Comunità Economica Europea (CEE).

La prima centrale nucleare commerciale al mondo fu quella di Calder Hall, in Inghilterra, e iniziò a

lavorare nel 1956 con una potenza iniziale di 50 MW. Il primo reattore nucleare operativo negli

USA fu invece il reattore di Shippingport.

Sviluppo

La potenza delle centrali nucleari aumentò velocemente, passando da meno di 1 GW nel 1960 a

100 GW nei tardi anni ’70 e 300 GW nei tardi anni ’80. Dagli anni ’80 la potenza è andata

crescendo molto più lentamente, raggiungendo i 366 GW nel 2005, con la maggiore espansione

avutasi in Cina. Tra il 1970 e il 1990 furono in costruzione centrali per più di 50 GW di potenza, con

un picco a oltre 150 GW. Più dei 2/3 di tutti gli impianti nucleari programmati dopo il Gennaio 1970

furono alla fine cancellati.

Durante gli anni ’70 e ’80 il crescere dei costi economici (legati ai tempi di costruzione delle

centrali), e la diminuzione dei prezzi dei combustibili fossili resero

gli impianti nucleari allora in costruzione meno attrattivi.

La crisi del petrolio del 1973 ebbe un forte effetto sulle politiche

energetiche: la Francia e il Giappone che usavano soprattutto

petrolio per produrre energia elettrica investirono sul nucleare.

L’opinione pubblica, in seguito ad incidenti quali quello di Three

Mile Island (USA), nel 1979 e il disastro di Chernobyl del 1986, ha

dato vita negli ultimi 20 anni ad alcuni movimenti che hanno

influenzato la costruzione di nuovi impianti in molte nazioni.

In Irlanda, Nuova Zelanda e Polonia

l’opposizione ha impedito lo sviluppo

di programmi nucleari, mentre in

Austria, Svezia e Italia un referendum

ha bloccato l’utilizzo del nucleare.

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Il futuro del nucleare

Al 2007, Watts Bar I, che divenne operativo il 7 Febbraio 1996 è l’ultimo reattore commerciale

entrato in funzione negli USA. L’investimento nella ricerca è continuato ed alcuni esperti,

attualmente, prevedono che la carenza di energia elettrica, l’aumento di costo e l’esaurimento dei

combustibili fossili, il riscaldamento globale e le emissioni legate all’utilizzo di tali combustibili, i

livelli di controllo e di sicurezza raggiunti porteranno ad una nuova domanda di centrali nucleari.

Molte nazioni restano particolarmente attive nello sviluppo dell’energia nucleare, tra le quali il

Giappone, Cina ed India. La Finlandia ha in costruzione uno dei primi reattori nucleari di III

generazione del tipo EPR. Mentre negli USA, tre consorzi risposero nel 2004 alla sollecitazione

dello United States Department of Energy riguardante il “Programma di energia nucleare 2010” e

furono compensati con fondi per la costruzione di nuovi reattori, tra cui un reattore di IV

generazione VHTR, concepito per produrre sia elettricità che idrogeno.

Infine si prevede che in Bulgaria nel 2013 sarà operativo il primo reattore e nel 2014 il secondo.

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Funzionamento della centrale a fissione nucleare

In una centrale nucleare a fissione, come ogni centrale elettrica basata su un ciclo a vapore,

avviene una reazione che libera calore utilizzato per la vaporizzazione dell’acqua e quindi la

generazione di lavoro meccanico. Il principio fisico alla base delle generazione del calore in una

centrale nucleare a fissione è dunque la fissione nucleare.

Il funzionamento di una centrale a fissione a doppio circuito può essere riassunto nelle seguenti

tappe:

1. Nel nucleo del reattore ha luogo una reazione a catena che si autoalimenta. Le barre di

controllo vengono alzate o abbassate per assorbire i neutroni in modo da controllare la

reazione e la quantità di calore prodotta;

2. Il reattore nucleare più diffuso nel mondo è quello ad acqua pressurizzata. È noto come

sistema a doppio loop, in quanto prevede due circuiti d’acqua;

3. Il primo circuito o “circuito primario”, pompa l’acqua riscaldata dal reattore nei tubi di uno

scambiatore di calore;

4. L’acqua diventata vapore nello scambiatore, viene immessa ad alta pressione nel circuito

secondario dove aziona i generatori a turbina. Il vapore viene raffreddato dall’acqua di una

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grossa sorgente naturale come un fiume o il mare, e una volta condensato chiude il circuito

secondario tornando allo scambiatore in forma liquida;

5. I generatori producono energia elettrica che viene trasmessa alla rete di utenza per mezzo

di linee elettriche. 10

Funzionamento della centrale a fusione nucleare

Le future centrali a fusione nucleare si baseranno su un principio differente: affinché scindere

atomi pesanti mediante bombardamento con neutroni come avviene nella fissione, la fusione

implica, invece, l’unione di due atomi leggeri, generalmente Trizio e Deuterio, ottenendo dal

processo una quantità enorme di energia termica, un nuovo nucleo più grande (quale l’Elio), e

nucleoni. È lo stesso processo utilizzato dal sole e nelle bombe termonucleari (bombe

all’idrogeno). Questo tipo di reattori è da anni allo studio di diversi gruppi di scienziati e tecnici, ma

sembra non aver ancora dato risultati apprezzabili in quanto, pur essendo riusciti ad avviare la

reazione di fusione, ad oggi non si è in grado di mantenerla stabile per tempi significativi.

Attualmente si attende la realizzazione del progetto ITER, un impianto che vorrebbe dimostrare la

possibilità di ottenere un bilancio energetico positivo. Un altro progetto è DEMO che prevede la

realizzazione di una vera e propria centrale a fusione nucleare. Le stime attuali non prevedono

l’utilizzo effettivo di energia da fusione nucleare prima del 2050.

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totus88

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in economia aziendale
SSD:
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher totus88 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnologia dei cicli produttivi e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Salento - Unisalento o del prof Leoci Benito.

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