(S-8A-0) Energia nucleare - Sommario

Nota: Questa è una panoramica sull'energia nucleare, un po' più lunga e dettagliata di quella presentata nella sezione (S-8). Il testo è stato preparato da David P. Stern come parte del Virginia Flexbook on Physics compilato sotto gli auspici della Fondazione CK-12, secondo il protocollo "creare e condividere in comune, citando gli autori". È inteso come testo supplementare per l'insegnamento della fisica nei licei. Include anche domande e problemi.

1.     La materia consiste di atomi e molecole.
   
2.     Gli atomi e le molecole contengono particelle elettricamente cariche - gli elettroni negativi e i nuclei compatti e positivi. La chimica è governata dalle forze elettriche tra queste particelle.
   
3.     Gli elettroni e i componenti positivi degli atomi possono essere separati e accelerati. Buona parte della fisica moderna è basata sugli studi delle collisioni tra tali particelle.
   
4.     I nuclei atomici contengono protoni positivi e neutroni privi di carica elettrica (globalmente chiamati "nucleoni"), leggermente più pesanti. In un nucleo, protoni e neutroni sono presenti circa in numero uguale.
   
5.     I nuclei atomici di ogni elemento chimico contengono sempre lo stesso numero di protoni, ma il numero di neutroni varia leggermente tra differenti isotopi.
   
6.     Quasi tutta la massa di un atomo risiede nel nucleo.
   
7.     Man mano che gli atomi stabili diventano più pesanti, aumenta il rapporto neutroni / protoni.
   
8.     Gli atomi con nuclei instabili (per esempio, quelli con il citato rapporto insolitamente grande o piccolo) si modificano emettendo raggi alfa, beta e gamma, le cosiddette radiazioni nucleari.
   
9.     La radiazione elettromagnetica è un'ampia famiglia di onde elettromagnetiche, che include la luce, le onde radio, le microonde e i raggi X. Anche i raggi gamma sono onde elettromagnetiche, mentre i raggi alfa e beta sono, rispettivamente, veloci nuclei di elio ed elettroni.
   
10.     Quando ci si avvicina o si scende al di sotto delle dimensioni atomiche, le leggi della fisica gradualmente si modificano verso le leggi della fisica quantistica. In particolare, un'onda elettromagnetica è una perturbazione che si propaga come un'onda, però la sua energia viene emessa e assorbita in pacchetti discreti, come fossero particelle, noti come fotoni. La meccanica quantistica interpreta le precise frequenze della luce emessa dagli atomi come transizioni tra onde stazionarie in atomi con differenti energie.

1.     La massa di un nucleo può essere misurata con precisione mediante uno "spettrometro di massa". Questa massa differisce dalla somma delle masse delle particelle costituenti di una quantità che corrisponde all'energia di legame E, cioè l'energia necessaria per separarle. Einstein ha trovato che E = mc², dove m è la differenza ("difetto") di massa.
   
2.     Nei nuclei leggeri, l'energia di legame per nucleone in genere aumenta con l'aumentare della massa del nucleo, poiché maggiore è la massa del nucleo e più energia occorre alla forza nucleare per tenere insieme il nucleo. Tale forza tuttavia si esercita su distanze brevi, e oltre il ferro (56 nucleoni), la forza repulsiva delle cariche positive dei protoni fa sì che l'energia di legame per nucleone diminuisca.
   
3.     La maggior parte degli elementi con più di 200 nucleoni sono instabili a causa della citata forza distruttiva, e decadono per radioattività. Non esiste nulla in natura con più di 238 nucleoni (uranio 238). Nuclei di massa maggiore, prodotti artificialmente, decadono ancora più rapidamente.

1.     Nuclei molto pesanti possono decadere per fissione in due parti disuguali, liberando molta più energia (tipicamente 50-100 volte di più) del decadimento radioattivo.
   
2.     L'uranio con 235 nucleoni (U-235) costituisce lo 0.7% dell'uranio naturale. Se un tale nucleo è colpito da un neutrone (anche un neutrone lento) subisce la fissione. Il plutonio Pu-239, prodotto (con una fase intermedia) quando l'U-238 cattura un neutrone, si comporta similmente, e così pure l'U-233 (il Pu-240 subisce una fissione spontanea).
   
3.     I "frammenti di fissione" sono estremamente instabili, poiché il loro rapporto neutroni/protoni è molto più grande di quello dei nuclei stabili con lo stesso numero di protoni. Essi emettono in media più di 2 neutroni per fissione, nel 98% dei casi "immediatamente". Quello che rimane resta ancora pericolosamente radioattivo per molti anni. Se almeno uno di questi neutroni viene riassorbito dall'U-235 o dal plutonio, si può verificare un'altra fissione, portando a una "reazione a catena".
   
4.     Nell'U-235 o nel Pu-239 relativamente puri, una reazione a catena può provocare una esplosione nucleare. Nei reattori di potenza (usati per produrre industrialmente energia), i neutroni vengono rallentati mediante collisioni con gli atomi di un moderatore come il carbonio puro o l'acqua (in particolare "l'acqua pesante"), e la reazione può essere controllata mediante barre di cadmio, che assorbono i neutroni. In una reazione nucleare controllata, il calore generato dalla fissione viene in genere rimosso da acqua pressurizzata, che diventa vapore e aziona delle turbine, le quali a loro volta, fanno ruotare un generatore di potenza elettrica.
   
5.     Il combustibile nucleare parzialmente usato deve essere riprocessato - per rimuovere il combustibile "non consumato" e anche per rimuovere il plutonio generato quando l'U-238 assorbe dei neutroni, oltre ai frammenti di fissione che assorbono i neutroni e ritardano i processi di fissione. Questi frammenti restano pericolosamente radioattivi per secoli e devono quindi essere immagazzinati lontano dalle persone e dai corsi d'acqua.
   
6.     I reattori funzionano meglio e possono essere più piccoli, se la frazione di U-235 nel combustibile viene prima arricchita, mediante vari passaggi attraverso barriere porose oppure mediante veloci centrifughe, filtrando il gas UF₆.

1.     Il controllo tradizionale delle reazioni nucleari viene effettuato con delle barre di controllo, che assorbono i neutroni, inserite automaticamente nel nocciolo del reattore per smorzare la reazione oppure estratte per accelerarla. Vi è solo un 2% di margine (dovuto ai neutroni emessi con un ritardo di uno o due secondi) per un certo nocciolo del reattore, tra una reazione sfuggita di mano e un fallimento!
   
2.     Anche se un reattore viene spento, l'acqua di raffreddamento deve continuare a circolare, poiché l'energia radioattiva continua ad essere emessa per un po' di tempo, in quantità sufficiente per produrre la "fusione del noccolo". È quello che è accaduto nel marzo del 1978 a Three Mile Island in Pennsylvania. Il fatto che il reattore era racchiuso da uno spesso strato di cemento di un "edificio di contenimento" ha evitato che la radioattività si spargesse nell'ambiente.
   
3.     Il reattore sovietico di potenza a Chernobyl vicino a Kiev (ora in Ukraina) veniva moderato da un nocciolo di carbonio e non aveva un edificio di contenimento. Un pericoloso esperimento nel 1986 avviò una reazione priva di controllo, che fece saltare in aria il tetto e iniziò un incendio che sparse pericolosi detriti radioattivi attraverso l'Europa.
   
4.     Un reattore autofertilizzante usa i neutroni di ogni processo di fissione in modo molto economico - uno per continuare a sostenere la reazione a catena, e almeno uno per essere catturato dall'uranio 238 (o dal torio 232), che viene convertito in combustibile utilizzabile, plutonio 239 o uranio 233. In linea di principio, quindi, un reattore autofertilizzante può estrarre l'energia da tutto il suo uranio o torio.
   
5.     Il primo reattore sperimentale (con una reazione a catena autosostenuta) entrò in funzione il 2 Dicembre 1942 a Chicago, grazie all'italiano Enrico Fermi. A tutt'oggi (2009) l'energia nucleare produce la maggior parte dell'elettricità in Francia, circa il 20% negli Stati Uniti, e comparabili o maggiori quantità in Spagna, Giappone, Germania, Gran Bretagna e Russia.

Questa panoramica sulla "Energia nucleare" continua con:
(S-8A-1)   I Fondamenti: Atomi e Nuclei

"Dagli astronomi alle astronavi" continua con sezioni dedicate all'astronautica e ai veicoli spaziali, iniziando con:
(25) Il principio del razzo

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Autore e Curatore:   Dr. David P. Stern
     Ci si può rivolgere al Dr. Stern per posta elettronica (in inglese, per favore!):
     stargaze("chiocciola")phy6.org

Traduzione in lingua italiana di Giuliano Pinto

Aggiornato al 18 Settembre 2009