Energia nucleare

Energia potenziale associata alle forze nucleari, che tengono insieme il nucleo atomico. Parte di questa energia può essere liberata in una reazione nucleare, che coinvolge cioè i mattoni costitutivi del nucleo, protoni e neutroni, in una parola i nucleoni. Poiché le forze nucleari sono di gran lunga le più intense che esistano in natura, l’energia ottenibile in una reazione nucleare è di gran lunga maggiore di quella derivante da una reazione chimica. Di conseguenza la produzione di energia per unità di massa di materiale reagente è altissima. L’energia di legame del singolo nucleone nel nucleo è minore per i nuclei molto leggeri o molto pesanti che per quelli di massa intermedia. Ne consegue che, rompendo nuclei molto pesanti o aggregando nuclei molto leggeri, i singoli nucleoni passeranno da una condizione meno legata a una più legata, rendendosi disponibile, la differenza, come energia di reazione.

  • Sono dunque possibili 2 modi principali di liberare energia nucleare:

    • fissione (cioè rottura) di nuclei pesanti;

    • fusione (cioè aggregazione) di nuclei leggeri.

L’ energia può essere liberata istantaneamente, come avviene in una bomba, o fluire in modo regolare e controllato, come avviene in un reattore nucleare.
La scienza non è ancora riuscita a realizzare un reattore a fusione.

 

L'energia nucleare è la fonte di energia che è riuscita a conquistare in soli cinquant'anni una quota superiore al 6% tra le fonti di energia primaria e a coprire oltre il 15% dei consumi mondiali di elettricità. Consideriamo però che la distribuzione di energia nei consumi energetici finali in Europa è del 23% di elettricità e del 77% di combustibili, di conseguenza, anche se tutta l'energia elettrica venisse prodotta per mezzo di centrali nucleari, avremmo coperto appena un quarto dei nostri consumi energetici.
La produzione del combustibile nucleare è un processo lungo, complesso, inquinante ed energeticamente dispendioso. Le principali miniere di uranio al mondo si trovano in luoghi remoti e l'estrazione del minerale richiede molto lavoro: per ottenere 160 tonnellate di uranio necessarie per far funzionare una centrale standard per un anno partendo da roccia granitica ricca di uranio di 1000 parti per milione, occorrono 160.000 tonnellate di materiale e lo sbancamento di quantità di roccia ancora maggiori. Infatti, dopo aver individuato la presenza di uranio nella crosta terrestre, è necessario valutare il giacimento, ovvero individuare quante tonnellate di uranio contiene e se è economicamente sfruttabile. Da vent'anni, il numero delle centrali nucleari nel mondo è sostanzialmente stabile e il numero è di circa 440 unità.

 

La radioattività

La radioattività è un fenomeno fisico per cui nuclei instabili si trasformano in nuclei di altri elementi o in isotopi (nuclei di atomi identici dal punto di vista chimico ma con una massa diversa, dovuta a un diverso numero di neutroni) dei nuclei di partenza, emettendo particelle. I diversi nuclei radioattivi possono decadere verso stati più stabili con tempi che variano da pochi milionesimi di secondo a diversi miliardi di anni. La radioattività, presente naturalmente nell’ambiente terrestre, ha effetti biologici sull’uomo a causa delle sue proprietà ionizzanti. Questi effetti sono sfruttati nella diagnostica medica (radiografie, scintigrafie, Tac, Pet ecc.) e nelle terapie antitumorali (radioterapia, terapia neutronica con cattura di boro, adroterapia) ma possono essere nocivi se non attentamente somministrati. Infatti, oltre un certo limite, le radiazioni possono diventare molto pericolose per la salute umana anche in relazione alla durata dell'esposizione. La radioattività è pericolosa soprattutto se caratterizza elementi con un "tempo di dimezzamento" (trasformazione in altri nuclei) che può durare millenni e in grado di fissarsi stabilmente nel corpo umano o di altre specie viventi.
La radioattività è utilizzata anche per sterilizzare e per indagare le proprietà ed i difetti dei materiali da costruzione.
La produzione di scorie nucleari, generando elementi radiotossici, è estremamente importante e delicata nel ciclo di produzione dell’energia nucleare e grande attenzione deve venire posta affinché nessuna situazione possa mettere in contatto elementi radioattivi con persone umane.

 

La fissione nucleare
Con un neutrone un atomo di uranio viene diviso in due atomi di due elementi più leggeri. I neutroni prodotti in questa fissione provocano poi la divisione di un altro atomo sino a che si raggiunge una situazione di criticità su cui la FISSIONE NUCLEARE A CATENA si sostiene.


Per fissione s'intende la rottura del nucleo in due o più frammenti più piccoli mediante l'azione di neutroni opportunamente rallentati su nuclei molto pesanti detti fissionabili, quali l’uranio 235, torio 232, plutonio 239 ecc. I principali effetti di questo fenomeno sono la liberazione di una grande quantità di energia e l'emissione contemporanea di 2-3 neutroni che possono fungere da veicolo di reazione, provocando nuove fissioni e innescando così una reazione a catena.
L’energia che si libera nel corso di processi di fissione dei nuclei, se tenuta rigorosamente sotto controllo, può essere sfruttata per produrre elettricità. Alcuni di questi elementi pesanti, come l'uranio 235 (92 protoni e 143 neutroni), si trovano in giacimenti e quindi per ottenerli è necessario estrarli dal sottosuolo. Altri, come il plutonio 239 o l'uranio 233, vengono prodotti artificialmente dall'uomo.
L’uranio in natura è presente prevalentemente sotto forma di uranio 238 (non fissile) e solo in piccola parte di uranio 235 (0,71 %).

 

La fusione nucleare

La fusione nucleare è il processo con cui da tempo immemorabile si sprigiona energia nel Sole e nelle stelle per le reazioni di fusione tra nuclei di idrogeno.
Nel caso della reazione di fusione, si parte da nuclei molto leggeri, fino a provocare la loro aggregazione. Fondendosi, i nuclei diventano più pesanti e cedono energia durante il processo di fusione: ad esempio, un miscuglio di nuclei di idrogeno (1 protone), deuterio e trizio (1 protone e rispettivamente 1 e 2 neutroni) può portare all'innesco di una reazione che, attraverso vari passaggi, porta a costruire nuclei di carbonio. Affinché la reazione avvenga, le due particelle reagenti devono essere dotate di energia cinetica sufficiente a superare la barriera repulsiva dovuta alla carica elettrica dei nuclei e ciò significa che si devono raggiungere temperature altissime, alle quali la materia si trova allo stato di plasma. La più studiata fra le reazioni possibili, perché meno difficile, è la “deuterio più trizio” con temperatura di innesco dell’ordine di 100 milioni di gradi centigradi. Il deuterio è un isotopo dell’idrogeno, il cui nucleo è costituito da un protone più un neutrone; esso è presente nell’acqua nella proporzione di 1 su 7.000 atomi di idrogeno normale, quindi praticamente inesauribile. Il trizio è un altro isotopo dell’idrogeno, costituito da un protone più due neutroni; è radioattivo con tempo di dimezzamento di 12 anni e viene prodotto bombardando litio con neutroni. Il litio è dunque indirettamente la materia prima energetica.

 

Le centrali elettronucleari

Una centrale nucleare consente di produrre vapore senza utilizzare combustibili fossili. Il reattore nucleare si comporta come una qualunque caldaia e il vapore così generato può essere utilizzato per azionare una turbina connessa a un generatore di elettricità.
In particolare, il "cuore" del reattore di una centrale nucleare a fissione si dice "nocciolo" e, di solito, ha forma cilindrica. Il nocciolo è immerso in un fluido, per esempio acqua, ed è formato da barre di uranio, anch'esse cilindriche, lunghe circa 3 metri e con un diametro di qualche centimetro. Intervallate ad esse, vi sono delle barre di controllo movimentabili meccanicamente capaci di assorbire neutroni proporzionalmente al loro inserimento nel nocciolo. In questo modo la reazione a catena viene controllata e, se necessario, può essere anche arrestata. Nei reattori di tipo più comune l'acqua contenuta nel nocciolo, riscaldata dalla fissione dell'uranio, viene fatta circolare da una pompa fino a uno scambiatore di calore in cui si raffredda producendo del vapore che, a sua volta, fa girare la turbina della centrale.
Un reattore si caratterizza per tipo di combustibile, di refrigerante e per l'architettura interna del nocciolo. Ad esempio, si parla comunemente di reattori ad acqua leggera e ad acqua pesante.

 

Il reattore a fusione

 

Il reattore a fusione funziona secondo il principio esattamente inverso a quello del reattore a fissione. Il reattore a fissione divide nuclei di atomi pesanti e il calore così liberato è utilizzato per scaldare acqua e azionare, con il vapore acqueo, una turbina che produce elettricità. Nel reattore a fusione, invece, atomi leggeri (gli isotopi dell'idrogeno deuterio e trizio) sono uniti in un atomo di elio (fusione). Nella fusione solo se due nuclei vengono posti a una distanza sufficientemente piccola interviene la forza di attrazione nucleare che li fa unire. Il problema è che questa forza agisce solo a cortissimo raggio, dell’ordine di mille miliardesimi di millimetro, e poiché i nuclei che si vogliono far fondere sono entrambi carichi positivamente, quando si mettono uno vicino all'altro tendono a respingersi a causa di un'altra forza, la repulsione elettrostatica, che si fa sentire su distanze maggiori e ostacola il processo. Per infrangere tale barriera, i nuclei devono essere in uno stato d'eccitazione raggiungibile solo a temperature

di oltre cento milioni di gradi, condizione in cui gli atomi vengono letteralmente spogliati della propria “corteccia” di elettroni: è a queste condizioni che la fusione tra atomi leggeri avviene naturalmente.
L'enorme temperatura necessaria per il plasma (il misto ionizzato e caldo di deuterio e trizio) di fusione ha impedito finora la realizzazione industriale di un reattore a fusione. La ricerca continua tuttavia a fare importanti progressi e l'obiettivo sembra sempre meno lontano.

 

Il potenziale dell'uranio come fonte di energia divenne evidente nel 1954, con il varo del primo sottomarino nucleare, il Nautilus. Gli impianti tradizionali, per produrre 60.000 kW di elettricità, consumano 18 milioni di kg di carbone al mese, mentre un impianto nucleare usa solo 7 kg di uranio. Tuttavia, problemi di scarsità dell'uranio, di sicurezza degli impianti e l'accumulo dei rifiuti radioattivi di uranio e plutonio pongono seri interrogativi, e hanno bloccato la conversione degli impianti tradizionali in impianti nucleari in diversi paesi europei.

 

 

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