L ENERGIA NUCLEARE. L ATOMO

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1 L ENERGIA NUCLEARE. L ATOMO Ogni elemento chimico è costituito da atomi, particelle molto piccole, identiche fra loro, che conservano, in tutte le reazioni chimiche, la massa e le proprietà caratteristiche dell elemento considerato. L atomo a sua volta è diviso in un nucleo centrale, dove è concentrata quasi tutta la massa, ed è composto da particelle dette nucleoni; tali particelle, all esterno del nucleo appaiono sotto due forme distinte, dette protoni(muniti di carica elettrica positiva) ed elettroni(muniti di carica elettrica negativa). Il nucleo di un atomo è invece composto da neutroni, particelle prive di carica elettrica e da protoni. Le caratteristiche del nucleo dell atomo sono il numero atomico dei suoi protoni(z); questo numero indica anche la carica del nucleo ed il numero di elettroni. Il numero totale di particelle A=Z + N( N numero dei neutroni) serve a determinare la massa dell atomo e si chiama appunto numero di massa. È possibile che per un determinato elemento, ci siano nuclei con valori di A differenti; questi elementi sono chiamati isotopi. È importante rilevare che la massa di un nucleo è leggermente inferiore a quella delle particelle che lo costituiscono. Questa perdita di massa corrisponde all energia liberata dalla formazione dell atomo. Le proprietà chimiche degli elementi si deducono dalle caratteristiche degli elettroni dello stato esterno. Si può verificare, infatti, il passaggio di elettroni da un elemento ad un altro, gli atomi che hanno acquisito o perso elettroni si chiamano ioni. L ENERGIA ATOMICA Nel 1905 lo scienziato tedesco Albert Einstein, insieme ad altri colleghi, enunciò una teoria strana ma fantastica: è possibile ottenere enormi quantità d energia facendo sparire una piccola quantità di materia. La prima bomba atomica e la prima bomba H dimostrarono che questa teoria era vera. L URANIO E LA FISSIONE NUCLEARE E l elemento chimico naturale più pesante, si presenta in natura con due isotopi chiamati uranio-238 e uranio-235. Quello che si usa per la fissione nucleare è l uranio-235. Nel 1934 Fermi, insieme ad altri collaboratori bombardando l uranio con neutroni lenti, si accorse che esso manifestava una radioattività di gran lunga superiore a quella di qualsiasi altro elemento ugualmente bombardato con neutroni. Cinque anni più tardi si scopri che il nucleo dell uranio 235, se colpito da un neutrone, si spezzava in due frammenti non molto diversi fra loro. Questo processo prende il nome di FISSIONE NUCLEARE ed è accompagnato da una forte emissione di energia a spese della massa iniziale del nucleo. I neutroni espulsi dai nuclei fissionati, colpendo altri nuclei di uranio 235, ne provocano la scissione, quindi si verifica la scissione a catena. Tale processo si ottiene solo se la quantità di materia fissionabile è inferiore alla massa critica.

2 L utilizzazione dell energia nucleare da fissione per scopi costruttivi si basa sulla possibilità di controllare la reazione a catena, il che si realizza nelle centrali nucleari, dove si usano barre di controllo, di materiali speciali come il Cadmio, in grado di assorbire i neutroni, per regolare il calore sviluppatosi. L utilizzazione dell energia nucleare da fissione per scopi distruttivi si realizza invece con la bomba atomica. LA BOMBA ATOMICA La bomba atomica è un involucro di metallo in cui avviene un fenomeno di fissione nucleare con conseguente emissione incontrollata di energia. La prima bomba atomica venne fatta esplodere in un deserto negli U.S.A. Una settimana dopo un ordigno di uguale potenza distruttiva venne fatta esplodere sulla città di Hiroshima e, due giorni dopo, sulla città di Nagasaki. I REATTORI NUCLEARI LENTI Sono i più diffusi perché si basano sul principio della fissione nucleare; in funzione nelle centrali termonucleari e nelle portaerei, sono costituiti da un grosso cilindro nel quale sono inserite migliaia di pastiglie di combustibile (uranio-235) e si scatena una fissione controllata, con conseguente emissione d energia sotto forma di calore che, facendo evaporare l acqua contenuta nel reattore, mette in movimento una turbina che produce energia elettrica attraverso un alternatore o mette in movimento le eliche delle navi. I REATTORI NUCLEARI VELOCI Come struttura sono molto simili ai precedenti ma vengono chiamati autofertilizzanti, perché permettono di usare quel 99% dell uranio non fissile che veniva scartato dalle precedenti centrali. Questi reattori inoltre possono produrre come scorie un elemento fissile artificiale chiamato plutonio-238 o uranio-238. I primi prototipi sono entrati in funzione nel 1974 in Inghilterra e in Francia. Con i reattori veloci le riserve d uranio potrebbero durare ancora per un migliaio d anni. 1. L IDROGENO E LA FUSIONE NUCLEARE E l elemento più leggero in natura ed è presente in notevoli quantità nell acqua. La fusione nucleare si esegue facendo unire (fondere) due atomi più leggeri (idrogeno) per ottenere atomi più pesanti (elio). In particolare si cerca di ottenere la fusione nucleare da due isotopi dell idrogeno, il deuterio e il trizio per dare un nucleo d elio e un neutrone. La costruzione di reattori a fusione è difficilissima: infatti, gli atomi d idrogeno per fondere devono essere portati ad

3 una temperatura superiore ai 100 milioni di gradi C e nessun materiale può resistere ad una temperatura tanto elevata. LA BOMBA H La bomba h è assai più potente della bomba atomica in quanto si basa sulla reazione di fusione nucleare. Il funzionamento è, a spiegarsi, abbastanza semplice: un primo detonatore fa saltare una piccola bomba atomica disposta accanto ad una massa di idrogeno, dentro un cilindro metallico di un materiale speciale, il cobalto-59, l unico capace di resistere alle altissime temperature sprigionate. L esplosione provoca una fortissima pressione interna e porta la temperatura a circa 100 milioni di C, sufficiente a far fondere i nuclei di idrogeno, con conseguente emissione incontrollata di energia. La prima dimostrazione della potenza di quest ordigno nucleare fu resa nota dagli U.S.A., che polverizzarono l atollo di Bikini, in pieno oceano pacifico. Le unità di misura della potenza distruttiva delle armi nucleari sono: Kilotoni: 1 kilotone ha una forza distruttiva pari a 1000 tonnellate di tritolo Megatoni: 1 megatone ha la potenza distruttiva di 1 milione di tonnellate di tritolo. I REATTORI NUCLEARI A FUSIONE Facendo fondere piccole quantità d idrogeno all interno di un recipiente metallico (il reattore), si potrebbe produrre un flusso regolare e controllato di energia; il calore verrebbe trasferito all acqua di un circuito indipendente, e il vapore potrebbe azionare numerose turbine (a loro volta collegate ai generatori di corrente). Vi sono due tecniche sperimentate in laboratorio: 1. Il confinamento magnetico che si basa sulla reazione deuterio-trizio, che sono isotopi dell idrogeno: ovvero i nuclei allo stato di plasma, vengono racchiusi in un reattore e sono isolati dalle pareti di esso da un fortissimo campo magnetico. Questa reazione non produce scorie radioattive, ma è prodotta radioattività nel reattore a causa della notevole emissione di neutroni. 2. Il confinamento inerziale si basa sulla reazione deuterio-deuterio, che è più pulita: bersagliando con raggi laser delle piccole masse di deuterio si potrebbero delle piccole esplosioni di fusioni in rapida successione, che fornirebbero un lusso continuo d energia. Se e quando si potrà controllare la fusione nucleare, l umanità avrà risolto il problema energetico: il combustibile (l idrogeno) si trova, infatti, in buon abbondanza nell acqua dei mari e degli oceani GLI INCIDENTI NUCLEARI Le società elettriche proprietarie delle centrali e i governi di molti paesi sono spesso reticenti su quest argomento: incidenti grandi o piccoli sono spesso riferiti con vaghe notizie ed a volte molti anni dopo l accaduto. I principali incidenti sono stati:

4 In Gran Bretagna nel Nella centrale di Windscale si arriva alla fusione del nocciolo, e i prodotti della fissione sono liberati nell atmosfera. Numerosi sono stati negli anni a seguire i casi di tumore nei dintorni dell impianto. In Bulgaria nel Nella centrale di Klozodiy, a causa di un terremoto, salta la strumentazione di controllo del reattore. Grazie ai tecnici che sono riusciti a fermare la reazione, l Europa ha evitato conseguenze gravissime. Negli USA nel Nella centrale di Three Miles Island, a causa di una serie d errori e di guasti, si arriva alla parziale fusione del nocciolo. Le dimensioni del pericolo evitato furono enormi. Negli USA nel Nella centrale di Giuna, uno dei tubi del sistema refrigerante sì fessura e scarica acqua bollente radioattiva. Negli USA, dopo l incidente di Giuna si scoprono in altre sette centrali oggetti di metallo dimenticati nelle condotti. Molti impianti sono così fermati perché ritenuti poco sicuri. URSS Accade il più grave incidente in assoluti nella storia del nucleare. Il 26 aprile nella centrale di Cernobyl, per una serie di gravissimi errori dei tecnici si arriva alla fusione del nocciolo. Due grosse esplosioni fanno saltare l edificio che contiene il reattore ed un enorme quantità di sostanze radioattive si libera nell atmosfera. L incendio sarà spento solo dopo 12 giorni d intenso lavoro delle autorità competenti. La nube radioattiva invece vaga fra i cieli dell Europa per molte settimane, terrorizzando la popolazione e le autorità competenti che temono il peggio. CRONACA DELL INCIDENTE IN GIAPPONE NELLA CENTRALE DI TOKAIMURA E nell aprile 1999 che nell impianto nucleare di Tokaimura, in Giappone, si scongiura l inferno nucleare. Vediamo meglio le fasi dell incidente: La mattina di giovedì le autorità rivelano che, a causa di una fuoriuscita d uranio, si è innescata una fissione incontrollata nel nocciolo del reattore. Alle 10:30 scatta l allarme, alcuni operai sono stati contaminati in modo molto grave. Alle 12:41 la polizia crea un cordone intorno alla centrale, si capisce che l incidente sta diventando più grave del previsto. Alle 15:18 alcune famiglie residenti nei pressi della centrale vengono evacuate. Alle 21:00 si tiene una riunione di emergenza e il governo comprende a questo punto la gravità dell incidente; oltre persone invitate a stare in casa. Alle 24:00 la radioattività attorno e dentro all impianto raggiunge livelli tra le 10 e le 20 mila volte superiore alla norma. Alle 2:30 del giorno seguente 18 tecnici operi nell impianto accettano una missione da veri kamikaze, devono entrare nell impianto per fermare la reazione a catena, ben consapevoli che, terminata la missione, non sarebbero più stati gli stessi. Alle 6:00 le autorità affermano che la radioattività è scesa a zero. Dopo si accerterà che è stato un errore umano, i tecnici stavano infatti trasportando, all interno dell edificio dove si tratta l uranio usato come combustibile nella vicina centrale nucleare, due barili di miscela di uranio- acido nitrico(che venivano miscelati a mano, con un rudimentale imbuto, di 30 kg ognuno: questi sono involontariamente caduti

5 terra e, essendosi miscelati, hanno innescato la reazione. I tecnici che hanno fermato la reazione sono all ospedale in gravissime condizioni. LA DISTRIBUZIONE DELLE CENTRALI NUCLEARI NEL MONDO SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DELLA CENTRALE NUCLEARE DI CAORSO(PIACIENZA) Il suo funzionamento è simile ad una centrale termoelettrica, solo che l acqua è fatta bollire in un contenitore a pressione detto reattore. L edificio in sostanza si divide in tre parti fondamentali: Edificio contenente il reattore: è un enorme cilindro in cemento armato, per 1/3 interrato, alto complessivamente 70 metri. Al centro è collocato il reattore, un cilindro d acciaio inossidabile alto 22 metri, avvolto da una schermatura in cemento armato (1,2 metri di spessore) chiusa da un coperchio che può essere rimosso da una gru. All interno del reattore si trova il nocciolo, vale a dire gli elementi di combustibile contenenti l uranio, e le barre di controllo per controllare la reazione a catena. Sala macchine: è simile a quella di una centrale termica convenzionale, con una turbina accoppiata ad un alternatore. Il condensatore è invece raffreddato da un circuito indipendente che di solito prende l acqua dal fiume o bacino idrico più vicino, in questo caso dal Po, dove è scaricata una volta calda. Edifici ausiliari: costituiscono le piscine schermate piene d acqua per la momentanea conservazione delle pastiglie di combustibile esaurito, altamente radioattive. Caratteristiche: il reattore è un cilindro d acciaio inossidabile, lungo circa 22 metri, vuoto all interno fatta eccezione per i due tubi di entrata dell acqua e uscita del vapore, per le due griglie, una inferiore ed una superiore, saldate alle pareti e distanziate fra loro di circa 4 m. In mezzo vi sono gli elementi di combustibile. Funzionamento: è molto semplice: si apre la calotta del reattore con la gru e s inseriscono negli elementi di combustibile, lunghi circa 4 metri, le pastiglie d uranio dalla griglia superiore. Questi si andranno quindi a posizionare sulla griglia inferiore. Dopo di che si chiude la calotta e s infilano dal basso le barre di controllo, tanti quanti sono gli elementi di combustibile, dopo di che si fa affluire l acqua dal tubo inferiore. Messa in funzione: si attivano le sorgenti di neutroni e si sfilano lentamente le barre di controllo; la reazione a catena ha inizio e l acqua contenuta nel reattore, filtrando attraverso gli elementi di combustibile, assorbe il calore emesso dalla fissione dell uranio diventando vapore e, tramite la turbina e l alternatore, si produce corrente elettrica che è poi trasferita alla rete.