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.
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.
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 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.
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:
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:
·
In Gran
Bretagna nel 1957. 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 1977. 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
1979. 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
1982. 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 1986. 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 300000 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 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.