L energia nucleare. Tesina di SCIENZE. Studente: Filippo Turchi ESAME DI Classe 3ª Sez. E LICENZA MEDIA Anno scolastico 2008/2009

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1 SCUOLA MEDIA STATALE BUSONI - VANGHETTI EMPOLI L energia nucleare Studente: Filippo Turchi ESAME DI Classe 3ª Sez. E LICENZA MEDIA Anno scolastico 2008/2009 Tesina di SCIENZE

2 L ENERGIA NUCLEARE Massa ed energia L energia e la massa sono legate tra di loro dalla famosa formula E=mc 2 scoperta da Albert Einstein nel Da questa equivalenza si deduce che ogni oggetto racchiude dentro di sé una quantità enorme di energia. Se l uomo fosse capace di trasformare con semplicità la materia in energia avrebbe risolto tutti i problemi di fabbisogno energetico. Purtroppo la tecnologia attuale non ci permette di farlo agevolmente. Tuttavia la conversione di massa in energia in natura è un fenomeno comune, ma avviene in sistemi ultragrandi come nelle stelle o ultrapiccoli come nel mondo subatomico. La reazione nucleare è un tipo di trasformazione della materia che, a differenza di una reazione chimica, riguarda il nucleo di un atomo di uno specifico elemento chimico, che viene convertito in un altro. Quest ultima conversione avviene con grande rilascio o guadagno di energia, quando l atomo perde o acquista alcune particelle del suo nucleo. Esistono due tipi di reazioni nucleari: la fissione nucleare e la fusione nucleare. Figura 1 - Massa ed Energia Cos è l atomo Tutte le sostanze sono costituite da piccole particelle: gli atomi. Gli atomi sono così piccoli che in una capocchia di spillo ve ne sono 60 miliardi. Tali particelle possono aggregarsi in modi diversi, realizzando strutture diverse: per questo esistono molti tipi di materiali. Sono stati i greci i primi a pensare che la materia fosse composta da atomi. A loro volta, gli atomi sono costituiti da particelle ancora più piccole: i protoni, i neutroni e gli elettroni. I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni negativa e i neutroni non hanno carica. 2

3 Struttura dell atomo Figura 2 - Struttura dell'atomo Il cuore di un atomo è costituito da un nucleo molto piccolo rispetto all'atomo, ma ne contiene quasi tutta la massa. Al suo interno si trovano i protoni ed i neutroni. Il numero dei protoni contenuti nel nucleo è il numero atomico di un elemento; quello di protoni e dei neutroni insieme è chiamato numero di massa. Gli elettroni, che sono esterni al nucleo, sono numericamente uguali ai protoni, ma hanno una massa molto più piccola. Gli Isotopi Gli isotopi sono forme diverse dello stesso elemento. Hanno le stesse proprietà chimiche e occupano la stessa posizione nella tavola periodica. Si differenziano invece per le proprietà fisiche, perché i loro atomi hanno masse diverse. Ogni isotopo ha un diverso numero di neutroni nel nucleo dei suoi atomi, per questo ha massa atomica diversa. Figura 3 - Isotopi di Idrogeno Il gas di idrogeno, per esempio, si trova in natura in tre forme isotopiche: idrogeno comune, idrogeno pesante o deuterio e idrogeno radioattivo o trizio. 3

4 Le sostanze radioattive Le sostanze radioattive sono costituite da atomi instabili che decadono e liberano energia sotto forma di radiazione nucleare. Alla fine del decadimento questi atomi formano nuovi elementi. Esistono tre forme di radiazione: particelle alfa, particelle beta e raggi gamma. Figura 4 - Le radiazioni alfa, beta e gamma Le particelle alfa possono essere fermate dalla carta, quelle beta dall'alluminio; i raggi gamma possono essere fermati solo da uno spessore di piombo. Le particelle alfa sono formate da due protoni e due neutroni: sono la forma di radiazione meno penetrante, con carica elettrica positiva. Le particelle beta, più penetranti, sono formate da elettroni, con carica elettrica negativa. I raggi gamma, la forma di radiazione più penetrante, sono onde elettromagnetiche senza carica elettrica. 4

5 LE REAZIONI NUCLEARI La fissione nucleare Figura 5 - La fissione nucleare Nel decennio dal 1930 al 1940 grazie al lavoro di molti scienziati (soprattutto E. Fermi ed i suoi collaboratori), si sono scoperti i meccanismi della fissione nucleare. Se un neutrone colpisce il nucleo di un atomo di uranio-235, il nucleo si spezza producendo due nuclei più piccoli (cripto e bario) e tre neutroni. Queste particelle prodotte iniziano a muoversi ad alta velocità in tutte le direzioni e si libera energia sotto forma di calore. La massa dei prodotti di fissione, cioè i due nuclei più piccoli e i due o tre neutroni, è inferiore a quella dell atomo originale: una parte della massa si è trasformata in energia. Gli studiosi compresero presto che i neutroni liberati potevano colpire altri atomi di uranio-235 che, scindendosi a loro volta, avrebbero liberato altri neutroni e prodotto altro calore. Ad ogni fissione aumenta il numero dei neutroni vaganti e di conseguenza il numero dei nuclei di uranio colpiti, si innesca quindi una reazione a catena. Nell uranio che si trova in natura questo processo, fortunatamente, non può avvenire perché solo un atomo su 140 è di uranio-235. Durante la Seconda Guerra Mondiale si capì che l innesco della reazione a catena avrebbe liberato istantaneamente una grandissima quantità di energia che avrebbe avuto un enorme potere distruttivo. Gli studiosi arrivarono così ad ottenere l uranio arricchito cioè composto quasi esclusivamente da atomi di uranio-235 ed a creare in laboratorio il plutonio-239. Una volta ottenuto il materiale fissile perché si sviluppi la reazione a catena occorre che la sua massa sia uguale o superiore a quella critica. Per massa critica si intende la più piccola quantità di materiale fissile necessaria per innescare e sostenere la reazione a catena. 5

6 La bomba A Durante la sua permanenza negli Usa, Fermi partecipò attivamente al "Progetto Manhattan" e quindi alla creazione della prima bomba atomica a fissione sperimentata il 16 luglio 1945 nel deserto del Nuovo Messico. La prima utilizzazione pratica della reazione di fissione comportò la distruzione delle città di Hiroshima e Nagasaki. Nella bomba atomica la reazione a catena si innesca quando le due o più masse "subcritiche" vengono unite in modo che la massa complessiva superi quella "critica". Figura 6 - Bomba all'uranio-235 Figura 7 - bomba al plutonio-239 Nella bomba atomica lanciata su Hiroshima, (Little Boy), il materiale fissile era costituito da uranio-235, mentre in quella lanciata su Nagasaki (Fat Man) da plutonio-239. Nell'esplosione di una bomba atomica, solo una piccola parte della massa critica subisce la fissione liberando comunque un'enorme quantità di energia. Per misurare la potenza delle bombe atomiche si utilizza come unità di misura il megaton equivalente ad 1 milione di tonnellate di TNT. Figura 8 - Il fungo atomico di Hiroshima Figura 9 - Il fungo atomico di Nagasaki 6

7 La bomba esplode perché le reazioni a catena si moltiplicano e diventano incontrollabili. Negli impieghi pacifici dell energia nucleare, soprattutto per produrre energia elettrica, la reazione a catena deve essere controllata. A questo scopo si impiegano dei materiali particolari detti moderatori o rallentatori che assorbono alcuni dei neutroni prodotti dalle fissioni limitando il numero delle successive e quindi la violenza della reazione. Il reattore a fissione nucleare Fu il fisico italiano Enrico Fermi a innescare la prima reazione nucleare a catena controllata della storia: utilizzò uranio naturale all'interno di un blocco di grafite pura che rallentava i neutroni. Fu questo il primo "reattore nucleare" ("pila atomica" di Fermi) ed era il 2 dicembre Inizia l' era atomica. La pila di Fermi conteneva già tutte le indicazioni per la produzione di energia nucleare era dunque una creatura tecnologica straordinaria. A partire da quel modello abbiamo costruito macchine sempre più grandi, più complesse, più potenti. Nelle centrali nucleari la reazione a catena viene controllata e regolata usando barre di cadmio o grafite o acciaio al boro che hanno la capacità di catturare facilmente i neutroni. Una regolazione del reattore è assicurata anche dall'acqua che, raffreddando il nocciolo, si trasforma di conseguenza in vapore: essa assorbe, rallentandoli, una certa quantità di neutroni. Il vapore acqueo ottenuto viene inviato alla turbina che, associata all'alternatore, è in grado di generare energia elettrica. Figura 10 - Reattore a fissione nucleare Tutte le centrali nucleari hanno tuttavia l'enorme problema delle scorie radioattive. Queste infatti sono molto dannose per l'ambiente e necessitano di essere stoccate in modi particolari. Attualmente vengono principalmente utilizzati due modi per smaltire le scorie: per le scorie a basso livello di radioattività si ricorre al deposito superficiale, ovvero al confinamento in aree 7

8 terrene protette e contenute all'interno di barriere; per le scorie a più alto livello di radioattività si ricorre invece al deposito geologico, ovvero allo stoccaggio in bunker sotterranei profondi e schermati in modo da evitare la fuoriuscita di radioattività nell'ambiente esterno. Le scorie liquide vengono prima raccolte in contenitori di plastica o di vetro. I siti di destinazione ottimali vengono individuati e progettati in base a rigorosi studi di natura geologica. Le scorie rappresentate invece da combustibile non totalmente esausto, ovvero quelle ritenute più pericolose, sono invece stoccate in contenitori colmi d'acqua all'interno delle stesse centrali nucleari che le hanno prodotte. La fusione nucleare Quando due nuclei leggeri si combinano per formare un nucleo più grande, la reazione è detta fusione nucleare. Il nucleo risultante ha una massa minore della somma delle masse dei nuclei leggeri originali. La differenza di massa si trasforma in energia e viene emessa durante la reazione (si ricordi E=mc2). Perché si inneschi una reazione di fusione nucleare occorre che i nuclei originali abbiano una energia cinetica sufficiente per superare la repulsione coulombiana che i due protoni esercitano tra loro. La temperatura necessaria è di circa 200 milioni di gradi, quando questa viene raggiunta si innesca la fusione, ed avviene una reazione termonucleare. Questo processo può essere osservato nelle stelle. Una stella come il sole per esempio fonde l idrogeno in elio. Figura 11 - La fusione nucleare Le reazioni di fusione sono più vantaggiose di quelle a fissione, per questo motivo i ricercatori sono impegnati a trovare una tecnica che consenta di raggiunge temperature vicine ai 200 Milioni di gradi. Infatti a queste temperature si forma un gas di elettroni e nuclei detto plasma. Per innescare la reazione di fusione occorre mantenere il plasma in questo stato abbastanza a lungo. Un suo impiego nella produzione di energia d uso civile sarebbe auspicabile anche perché non lascia residui radioattivi inquinanti. 8

9 La fusione nucleare controllata I nuclei atomici hanno carica positiva e si respingono elettrostaticamente secondo la legge di Coulomb. Esistono soltanto due situazioni nelle quali è possibile farli avvicinare in misura tale da dar luogo alla fusione nucleare. La prima situazione si verifica per esempio nelle zone centrali delle stelle, dove la densità degli ioni è elevatissima a causa dell enorme compressione dovuta alla forza di gravità. Se invece la densità del plasma è minore, è necessario che la sua temperatura sia altissima in modo che la velocità degli ioni che si urtano sia tale da far superare la barriera di repulsione coulombiana e i nuclei possano avvicinarsi fino a fondersi. Questa seconda situazione è quella che si cerca di creare in laboratorio negli esperimenti sulla fusione termonucleare controllata. In questo settore di ricerca esistono approcci basati su diversi tipi di dispositivi, ma quello che finora ha avuto più successo è il metodo del confinamento magnetico di un plasma toroidale, cioè a forma di ciambella. Affinché il plasma possa raggiungere le altissime temperature necessarie alla fusione, esso deve essere tenuto lontano dal contatto con il pareti del contenitore. Ciò si realizza attraverso l uso di intensi campi magnetici. Un approccio completamente diverso alla fusione controllata è quello basato sul cosiddetto confinamento inerziale. In questo schema una pallina di combustibile solido (per esempio deuterio) è il bersaglio su cui si concentrano laser di grande potenza. La pallina implode e la sua parte centrale è portata a uno stato di altissima densità in cui possono avvenire reazioni di fusione, come in una microscopica stella. Con le macchine a confinamento magnetico chiamate tokamak sono stati ottenuti negli anni 90 i risultati a tutt oggi migliori della ricerca sulla fusione controllata. Figura 12 - Il tokamak JET Molti progressi restano ancora da compiere per arrivare a un bilancio energetico positivo, innescando una reazione a catena che si autosostenga. A questo scopo è in corso di progettazione un tokamak internazionale di nuova generazione chiamato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che dovrebbe poter dimostrare la fattibilità di un reattore commerciale a fusione. 9

10 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 gradi Celsius, sufficiente a far fondere i nuclei di idrogeno, con conseguente emissione incontrollata di energia. La prima dimostrazione della potenza di quest ordigno nucleare fu data dagli U.S.A., che polverizzarono l atollo di Bikini, in pieno oceano pacifico. Figura 13 - Esplosione della bomba H sull'isola di Bikini 10