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Indice
S-7. L'energia del Sole
S-7A. Un buco nero
al centro della galassia
LS-7A. La scoperta degli atomi
e del loro nucleo
S-8. L'energia nucleare
-------------------------- L'energia nucleare
S-8A-0. Sommario
S-8A-1. Atomi e nuclei
S-8A-2. Energia di legame
S-8A-3. Fissione
S-8A-4. Controllare una reazione
Allen: Usare il torio
S-8A-5. Domande e risposte
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S-9. Le armi nucleari
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4. Controllare una reazione nucleareOccorre una elaborata tecnologia e una buona progettazione per ottenere una reazione nucleare a catena autosostenentesi. Allo stesso tempo, la velocità di fissione non può essere troppo alta. Se più di 1 neutrone per fissione innesca un altro evento di fissione, la temperatura gradualmente crescerà. La liberazione di energia non sarà mai tanto rapida perché il reattore esploda come una bomba (è questo il vantaggio di usare neutroni termici), ma se la reazione sfugge al controllo, può rapidamente distruggere il reattore.
[Figura 5 -- Schema di una centrale nucleare]
Il controllo viene effettuato mediante barre di controllo di un materiale come il cadmio metallico, che ha un'alta "sezione d'urto di assorbimento" per i neutroni. Le barre vengono inserite automaticamente in profondità nel reattore per ridurre la velocità di fissione, oppure estratte per mantenerla o aumentarla. Il fatto che consente il controllo è l'esistenza dei neutroni ritardati. Circa il 98% dei neutroni liberati nella fissione sono neutroni immediati, liberati molto rapidamente, più velocemente del tempo di reazione del sistema automatico di controllo. Tuttavia, il 2% sono neutroni ritardati, che lasciano un margine molto stretto per la reattività del sistema di controllo. I reattori devono lavorare sul 2% di margine tra un fallimento e una fissione sfuggita di mano. È un margine molto stretto, e proprio per questa criticità ogni reattore nucleare di potenza è dotato di dispositivi multipli, indipendenti tra loro, per la sicurezza. |
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In caso di emergenza, l'interruzione automatica della reazione (è anche usato il termine inglese "scram") spinge fino in fondo tutte le barre di controllo, oltre ad altre barre ausiliarie di emergenza, normalmente mantenute estratte dal reattore. La reazione a catena in tal modo si blocca immediatamente, ma non il decadimento radioattivo dei frammenti di fissione. L'energia da loro liberata è molto inferiore a quella del processo di fissione ma, nelle ore successive all'interruzione, viene ancora prodotto tanto calore da provocare la "fusione del nocciolo" o danneggiare parte del reattore, per cui occorre mantenere in funzione il flusso dell'acqua di raffreddamento. Il 28 Marzo 1979 il reattore di potenza a Three Mile Island in Pennsylvania ha avuto un problema ed è stato spento automaticamente ma, poiché gli operatori interpretarono male il comportamento del reattore e spensero i controlli di sicurezza che garantivano il raffreddamento in emergenza, il reattore subì una parziale fusione del nocciolo. Negli Stati Uniti e nella maggior parte delle nazioni, i reattori sono racchiusi in uno spesso edificio di contenimento di cemento, cosicché anche se avviene la fusione del nocciolo e i prodotti di fissione contaminati sfuggono dal reattore (non fu il caso a Three Mile Island), essi non si possono diffondere all'esterno. Un errore degli operatori fu anche la causa dell'incidente a Chernobyl il 25 Aprile 1986. Uno dei reattori della centrale nucleare che forniva l'energia a Kiev, la capitale dell'Ucraina, divenne "pronto critico", con la sua reazione a catena sostenuta soltanto dagli incontrollabili neutroni immediati. Il reattore aveva un nocciolo di grafite e l'improvviso calore liberato provocò un'esplosione che scoperchiò il reattore. Il nocciolo allora prese fuoco, producendo una colonna di fumo piena di prodotti di fissione radioattivi, che contaminarono una vasta zona attorno alla centrale, che fu evacuata (e lo è tutt'ora), diffondendo inoltre una contaminazione radioattiva su buona parte dell'Europa. Reattori autofertilizzantiIl primo reattore di potenza per usi commerciali, uno relativamente piccolo, entrò in attività nel 1957 vicino Shippingport, alla periferia di Pittsburgh, in Pennsylvania. In origine usava un ciclo di combustibile convenzionale basato sull'uranio 235U e neutroni rallentati ("termici"). Nel 1977 fu però ristrutturato con successo per "fertilizzare" il torio trasformandolo in 233U (riferimento n.16). La produzione energetica terminò nel 1982, dopo 25 anni di attività, e il reattore fu messo in disarmo e sotterrato in una lontana località nello Stato di Washington. I reattori autofertilizzanti basati sull'uranio sono difficili da progettare e da gestire, poiché la conversione dell'uranio 238U in plutonio è più efficiente con i neutroni veloci (quelli anche usati nella bomba atomica). Questi reattori non possono venire reffreddati con l'acqua (che rallenta i neutroni) ma lavorano ad alte temperature e vengono raffreddati da un metallo al di sopra della sua temperatura di fusione, per esempio, sodio liquido. Tali reattori "autofertilizzanti a neutroni veloci" furono costruiti e funzionarono bene, ma finora ne sono stati usati pochissimi per produzione di energia commerciale. Curiosità: Le miniere di uranio del Gabon, in Africa, forniscono alle centrali francesi il combustibile nucleare. Nel 1972 fu scoperto che alcuni depositi di uranio a Oklo, nel Gabon, avevano una percentuale di 235U leggermente inferiore al normale, e contenevano una insolita varietà di isotopi che potrebbero provenire da una fissione nucleare (riferimento n.14). Si è pensato che, circa un miliardo e mezzo di anni fa, in alcuni di quei depositi sia avvenuto un processo di fissione, sostenuto in modo naturale, per lungo tempo (n.14). Verosimilmente fu causato dall'acqua che filtrava nel deposito formando un moderatore naturale. Il processo era probabilmente ciclico - il calore generato dalla fissione avrebbe espulso l'acqua interrompendo la reazione, finché non fosse entrata dell'altra acqua. Problemi(soluzioni nella sezione S-8A-5)(1) Perché l'industria del nucleare è interessata a elementi come il deuterio (2H), il carbonio (12C), il cadmio, il torio (232T), l'uranio (238U), (235U) e (233U), e il plutonio (239Pu)? (2) Compilate un glossario definendo brevemente in ordine alfabetico, a parole vostre, i seguenti termini: Barre di controllo, Cadmio, Ciclo del torio, Edificio di contenimento, Fenomeno di Oklo, Fusione del nocciolo, Incidente di Chernobyl, Incidente di Three Mile Island, Neutroni veloci, Reattore autofertilizzante, Reattore nucleare "pronto critico". Nota finale
La prima reazione nucleare controllata fu ottenuta il 2 dicembre 1942. Il reattore era una "pila" quasi sferica di mattoni di grafite pura (carbonio), in cui erano inseriti contenitori di ossido di uranio, a intervalli fissi, ed erano stati lasciati dei vuoti per le barre di controllo. Il sito era uno spazio chiuso sotto i sedili di uno stadio (distrutto dopo di allora) all'Università di Chicago, e il progetto era diretto dal fisico italiano (premio Nobel) Enrico Fermi. Dopo che una reazione a catena era stata ottenuta con successo (mantenuta a basso livello, perché non vi era un sistema di raffreddamento), Arthur Compton, uno dei responsabili del progetto, telefonò a James Conant a Washington, presidente del Comitato per le Ricerche Militari. Il progetto era segreto, così dovette improvvisare. Egli disse (dal rifer. n.15, in sintesi): "Vi interesserà sapere che il navigatore italiano è appena sbarcato nel nuovo mondo..." Conant replicò: "I nativi sono stati amichevoli?" Compton: "Ognuno è approdato sano e salvo"
Riferimenti#1 Panoramica delle scoperte relative agli atomi e al loro nucleo: http://www.phy6.org/stargaze/ILs7adisc.htm #2 Ioni in soluzioni acquose, http://www.phy6.org/Education/whposion.html #3 Elettroni "evaporati" da un filo caldo nel vuoto, http://www.phy6.org/Education/welect.html #4 A proposito di radiazioni elettromagnetiche, http://www.phy6.org/stargaze/Isun5wave.htm #5 Fenomeni quantistici, http://www.phy6.org/stargaze/Iq1.htm e le altre 7 sezioni Iq2, Iq3, Iq4, Iq5, Iq6, Iq7, Iq8 che seguono. #6 "Righe spettrali" di vari elementi, emesse quando gli atomi scendono da un livello energetico più alto a uno più basso, http://www.phy6.org/stargaze/Isun4spec.htm #7 Perché i pianeti hanno energia negativa, http://www.phy6.org/stargaze/Ikepl2nd.htm #8 http://www.phy6.org/stargaze/Isun7enrg.htm (verso la fine) #9 Unità di energia delle particelle, http://www.phy6.org/Education/wenpart1.html #10 (a) Sezione sulla fissione nucleare in "Hyperphysics" di Rod Nava, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/nucene/u235chn.html (b) Inoltre, sulla curva dell'energia di legame, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html #11 Il fotone, http://www.phy6.org/stargaze/Isun5wave.htm, (l'ultima parte). #12 "L'energia nucleare" http://www.phy6.org/stargaze/Inuclear.htm Una sezione sulle armi nucleari, http://www.phy6.org/stargaze/Inucweap.htm Ancora sull'energia del Sole, http://www.phy6.org/stargaze/Isun7enrg.htm #13 L'energia nucleare nello spazio, http://www.eoearth.org/article/Nuclear_reactors_for_space #14 Un reattore naturale a Oklo, http://en.wikipedia.org/wiki/Oklo_phenomenon #15 "La costruzione della bomba atomica" (in inglese) di Richard Rhodes, 886 pp., Simon & Schuster 1988. "Nuclear Renewal" ("Rinnovamento nucleare"), è un breve libretto a proposito di energia nucleare dello stesso autore, recensito su http://www.phy6.org/outreach/books/NuclEnrg.htm #16 "Se l'energia nucleare ha un futuro più promettente ..." di Leslie Allen, "Washington Post Magazine", Supplemento domenicale, 2 Agosto 2009 (si trova qui).
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