(S-8) L'energia nucleare

    I nuclei di uranio in natura sono instabili. Ciascuno dei loro 92 protoni respinge gli altri, e prima o poi (metà di essi entro 4,5 milioni di anni) essi espellono un frammento positivo, una "particella alfa" che è un altro modo di chiamare un nucleo di elio che si muove rapidamente. Quasi tutti gli atomi di elio che si estraggono dal gas naturale e dalle rocce (l'elio usato per riempire i palloncini e per altri usi) hanno avuto origine come particelle alfa.

    Ma esiste un modo per accelerare questa frantumazione, esponendo il materiale ai neutroni liberi.

    I neutroni liberi non esistono in natura (essi decadrebbero subito in protoni ed elettroni), ma possono essere emessi dagli atomi di berillio bombardati con particelle alfa provenienti da materiali radioattivi, o con altri metodi. Poiché solo i neutroni sono attratti da un nucleo (mentre i protoni ne sono respinti finché non siano giunti abbastanza vicini perché le forze nucleari entrino in gioco), essi possono entrare facilmente in un nucleo e attaccarglisi -- un po' come un magnetino si attacca ad un pezzo di ferro.

    Una tale attrazione libera energia. Se il nucleo è pesante e instabile, come quello dell'uranio, l'aggiunta di energia lo destabilizza ancora di più, fino al punto che si frantuma immediatamente. La cosa interessante di questa frantumazione è il modo spettacolare in cui talvolta avviene, come fu scoperto da Hahn e Meitner nel 1939. Invece di cedere un piccolo frammento, per esempio un nucleo di elio contenente meno del 2% della sua massa, l'intero nucleo si spezza in 2 frammenti di massa comparabile, tipicamente contenenti 1/3 e 2/3 della massa totale.

    Questo processo è chiamato fissione nucleare e, oltre alla velocità con cui avviene, ha almeno due altre caratteristiche notevoli:

1.   Esso libera molta più energia rispetto al caso in cui venga ceduto semplicemente un nucleo di elio ("radioattività alfa").
2.   Anche i frammenti stessi sono instabili. Se si scinde un nucleo che abbia, diciamo, 40 protoni e 60 neutroni in frammenti nei quali il rapporto ottimale sia soltanto (diciamo) 45 contro 55, avverrà un certo riaggiustamento.

    In genere un tale riaggiustamento richiede la conversione di alcuni neutroni in protoni (con l'emissione di elettroni, i "raggi beta"), un processo noto come "radioattività beta". Questo riaggiustamento in effetti avviene, rendendo i frammenti fortemente radioattivi, e questo è molto importante per l'industria connessa con lo sfruttamento dell'energia nucleare.

    Tuttavia all'inizio, quando il nucleo si spezza, i frammenti sono troppo instabili perché il processo avvenga in modo graduale. È necessario un aggiustamento più rapido, e i frammenti lo effettuano emettendo ciascuno uno o più neutroni liberi.

La reazione a catena

    In media, per ogni evento di fissione vengono emessi in tal modo circa due neutroni. Ma ne occorre soltanto uno per innescare un'altra fissione! Così se i nuclei di materiale fissionabile sono così vicini tra loro che ogni neutrone libero possa innescare una nuova fissione, il numero degli eventi di fissione si moltiplica rapidamente: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128... Poiché l'energia liberata è proporzionale alla rapidità della fissione, anch'essa cresce -- molto rapidamente!

    È questa reazione a catena che fa funzionare una bomba nucleare (o "bomba atomica"). Il materiale con i nuclei adatti alla fissione -- in genere plutonio, un elemento pesante artificiale con 94 protoni -- deve essere fortemente compresso e, in un opportuno istante, esposto a un rapido flusso di neutroni. Vengono usati vari metodi, tutti segretissimi, per far sì che almeno una frazione apprezzabile degli atomi subiscano la fissione prima che tutto l'insieme esploda violentemente.

    L'energia nucleare per scopi commerciali viene prodotta in modo un po' differente, con un metodo più controllato. Il combustibile fissionabile è l'uranio 235 (U-235), una variante ("isotopo") con 92 protoni ma soltanto 143 neutroni, non 146, un numero dispari che lo rende meno stabile. L'uranio naturale consiste in massima parte di U-238, e può assorbire un neutrone senza subire la fissione (e alla fine si trasforma in plutonio). Quindi l'U-238 non può innescare una reazione a catena. Tuttavia, lo 0,7% dell'uranio naturale è U-235, che può invece subire la fissione quando assorbe un neutrone.

    Mediante un ingegnoso progetto, si può costruire un reattore nucleare alimentato da uranio naturale. Il trucco sta nell'usare il combustibile in forma di cilindri, e nel disporre tra questi cilindri del materiale ("moderatore") che rallenti i neutroni ma non li assorba, per esempio, carbonio puro o "acqua pesante", formata cioè con l'isotopo pesante dell'idrogeno. I neutroni prodotti in un cilindro in genere vanno a finire nel moderatore e, prima che colpiscano un altro cilindro, sono stati molto rallentati: questi neutroni lenti sono inghiottiti molto più avidamente dall'U-235 che dall'U-238, per cui, anche se in un cilindro vi è soltanto lo 0,7% di U-235, gli atomi di U-235 effettuano la maggior parte delle "catture".

La massa critica

    Dobbiamo aggiungere che molti neutroni vengono anche perduti, sfuggendo dai bordi del reattore verso il materiale circostante, oppure venendo assorbiti all'interno da nuclei "sbagliati", quelli cioè che non subiscono la fissione. In effetti, un reattore richiede una progettazione accurata per poter sostenere correttamente una reazione a catena: ma ciò è possibile.

    Fin dagli inizi, furono ideati metodi complessi e molto costosi per separare l'U-235 o quantomeno arricchire la sua percentuale al di sopra dello 0,7%. Al giorno d'oggi i reattori di potenza commerciali usano combustibile arricchito, cosa che rende il progetto dei reattori più facile e più controllabile. Con il combustibile arricchito, si può usare come moderatore l'acqua ordinaria, ed è persino possibile combinare moderatore e combustibile, sciogliendo un composto dell'uranio nell'acqua, la quale agisce sia come moderatore che come distributore del calore.

    Un tale reattore -- o un blocco di plutonio -- non sosterrà una reazione a catena se è troppo piccolo. Se la quantità di materiale fissionabile è minore di una certa massa critica, i processi di fissione avvengono troppo vicini alla superficie. Anche se vengono prodotti, diciamo, 2 neutroni in ogni fissione, in media 1,2 di essi sfuggiranno all'esterno prima di aver colpito un altro nucleo, lasciando soltanto 0,8 neutroni a continuare il processo, mentre ne sarebbero necessari almeno uno o più.

    Quando si lavora con il combustibile nucleare, o si rigenerano le barre di combustibile, è essenziale lavorare soltanto con piccole quantità di materiale, per evitare una reazione a catena accidentale. Il 30 settembre 1999, nello stabilimento di lavorazione del materiale nucleare di Tokaimura, in Giappone, i tecnici pensarono di risparmiare tempo trattando insieme varie porzioni di una soluzione di uranio. Con un lampo di luce azzurra, si innescò una reazione a catena, dando a tre tecnici massicce dosi di radiazioni e durò per 18 ore. Dopo tre mesi uno dei tecnici morì (nonostante le cure estreme praticategli), un altro fu dimesso dall'ospedale e il terzo, alla data del dicembre 1999, era ancora in terapia intensiva.

    Un rapporto dettagliato dell'incidente ("Che cosa accadde a Tokaimura?") fu pubblicato su "Physics Today", Dicembre 1999, pagg. 52-4. Un incidente simile avvenne negli Stati Uniti negli anni '50, quando un tecnico che estraeva plutonio da una soluzione, da un liquido a un altro, volle abbreviare i tempi e combinò varie porzioni. Egli morì dopo due giorni, a causa dell'esposizione alle radiazioni.

    [Una nota storica: Il primo reattore nucleare fu progettato dall'italiano Enrico Fermi e fu costruito sotto le gradinate di un vecchio stadio all'Università di Chicago. Invece di barre, vennero usati dei granuli cilindrici di uranio, immersi in una enorme "pila" di mattoni di carbonio puro, che agivano da moderatori. Fu ottenuta una reazione a catena auto sostenentesi il 2 dicembre 1942, e il nome di "pila atomica", per indicare un reattore nucleare, rimase poi in uso].

Il controllo di un reattore nucleare

    Poiché un reattore nucleare richiede neutroni rallentati, vi è incorporato un meccanismo di ritardo e non può esplodere come una bomba atomica (anche se in molti film apocalittici vengono mostrati episodi di tal genere). Tuttavia la reazione a catena può crescere molto rapidamente e, se non è opportunamente controllata, il reattore potrebbe, in linea di principio, riscaldarsi fino a fondere. Il metodo usuale di controllo è quello di inserire tra il materiale combustibile delle "barre di controllo" che assorbono rapidamente i neutroni -- per esempio, viene impiegato il cadmio, un metallo usato anche in galvanoplastica. Assorbendo i neutroni liberi, queste barre rallentano o interrompono la reazione a catena.

    Per fortuna, la natura ci viene in aiuto in questo caso. Circa l'1% dei neutroni liberati nella fissione non sono emessi rapidamente, ma vengono rallentati di una frazione di secondo. I reattori vengono sempre fatti funzionare in modo da produrre una quantità di neutroni appena sufficiente per sostenere una reazione a catena. Se, per qualche motivo, il calore in uscita comincia a crescere, i neutroni ritardati rallentano questa rapidità di crescita fino a che un meccanismo automatico di inserzione delle barre di controllo sia sufficientemente veloce per interrompere il processo.

    I reattori nucleari di potenza funzionanti negli Stati Uniti usano acqua ordinaria come moderatore, all'interno di un "contenitore pressurizzato" fatto di acciaio spesso, con le barre di elementi combustibili e le barre di controllo inserite attraverso delle aperture nel coperchio superiore. Per iniziare la reazione a catena

• le barre di controllo vengono parzialmente sollevate,
• i frammenti della fissione veloce riscaldano gli elementi di combustibile,
• gli elementi di combustibile riscaldano l'acqua, viene prodotto vapore (in genere vapore "pulito" in condutture separate dall'acqua radioattiva del reattore), il vapore aziona delle turbine,
      e
• generatori collegati alle turbine producono elettricità.

    È questa l'energia del futuro? Alla data del 1999, la Francia ricava il 75% della sua energia da reattori nucleari, e anche molte nazioni industrializzate, non disponendo di molto carbone o petrolio, ricavano un'apprezzabile frazione della loro energia in questo modo -- per esempio, 1/3 dell'energia usata in Giappone e in Spagna. Negli Stati Uniti, dopo un entusiastico inizio, l'uso dell'energia nucleare si è stabilizzato attorno a circa il 20% della potenza prodotta, soprattutto a causa della resistenza del pubblico verso l'energia nucleare.

    Tuttavia gli Stati Uniti sono fortunati ad avere grandi riserve di carbone: il crescente consumo energetico è soddisfatto da questo tipo di combustibile. Dal punto di vista ambientale, la scelta è tra queste due alternative:

•   Bruciare il carbone e i gas naturali, producendo anidride carbonica (CO₂) e altri agenti inquinanti, che quindi possono amplificare "l'effetto serra" e accelerare il riscaldamento globale del pianeta; oppure
•   Usare i reattori nucleari, con la produzione di scorie nucleari.

    Il guaio della fissione è costituito dai "frammenti della fissione", prodotti nella rottura degli atomi di uranio o di plutonio, che sono molto "caldi" (estremamente radioattivi). Questo fatto genera due seri problemi:

1.   Il problema dell'immagazzinamento delle scorie, dovuto alla lunga "vita media" di queste sostanze, cioè il tempo durante il quale persiste la loro radioattività.

       Le scorie nucleari contengono svariate sostanze. Alcune hanno una breve vita media: la loro radioattività è intensa, ma si esaurisce in poche ore, giorni, settimane o mesi (il loro rischio è differente -- ved. più avanti). Tuttavia, alcune scorie rimangono "calde" (radioattive) per decenni e secoli, e la loro radioattività è ancora così intensa che esse devono essere tenute lontano dal contatto umano per migliaia di anni, a volte molte migliaia di anni. Almeno inizialmente, le scorie nucleari devono anche essere raffreddate, poiché la loro radioattività genera calore.

       È stato proposto di incapsulare le scorie nucleari in blocchi vetrosi e isolarli in caverne sotterranee, ma i timori persistono -- nessuna attività umana nel passato ha richiesto un impegno sicuro a così lungo termine (questo varrebbe anche per le sostanze chimiche tossiche, se fossero seppellite anziché distrutte). Per fortuna, la quantità di scorie nucleari è relativamente piccola. Infatti queste scorie del combustibile nucleare hanno circa lo stesso peso del combustibile stesso, e poche tonnellate di esso possono bastare per fornire l'elettricità a una intera città per anni.
       Comunque, le scorie devono essere manipolate con comandi a distanza, e non deve esserci alcun rischio di contaminare le acque sotterranee.

2.   La possibilità di una fusione del reattore. Durante il regolare funzionamento di un reattore nucleare di potenza, nelle barre di combustibile si accumula una quantità apprezzabile di frammenti di fissione. A rotazione, ogni barra viene sostituita con una nuova e il suo contenuto di scorie radioattive viene estratto e immagazzinato. Tuttavia in ogni momento le barre contengono una quantità di scorie tale da generare molto calore -- abbastanza, in effetti, per fondere la barra stessa se, per qualche motivo, il flusso di vapore (o di acqua calda) che porta via il calore venisse a mancare.

Incidenti nucleari

    Supponiamo che qualcosa vada storto nel sistema di raffreddamento. In modo automatico, naturalmente, le barre di controllo verrebbero abbassate interrompendo immediatamente la reazione a catena. Però le scorie radioattive nel nocciolo del reattore continuerebbero a produrre calore, per cui occorrerebbe comunque fornire un meccanismo di raffreddamento ancora per ore, se non per giorni. Il 28 marzo 1979, nell'impianto nucleare di Three Mile Island, alla periferia di Harrisburg, in Pennsylvania, un piccolo guasto ha portato ad una serie di errori, bloccando per un certo tempo sia il sistema di raffreddamento principale che quello di emergenza.

    Il calore residuo delle scorie nucleari fuse una parte del nocciolo e produsse (per reazione chimica) idrogeno libero, che complicò ulteriormente la situazione. Il reattore da miliardi di dollari fu completamente perso, ma il danno maggiore fu probabilmente la perdita di fiducia del pubblico circa la sicurezza degli impianti nucleari. Comunque il contenitore del reattore non fu incrinato e anche la seconda linea di difesa, "l'edificio di contenimento" in cemento armato, entro cui era alloggiato il reattore, rimase intatta.

    Il reattore di potenza di Chernobyl, vicino Kiev, capitale dell'Ucraina, era costruito con un progetto diverso -- come il reattore originale di Fermi usava una pila di blocchetti di carbonio (grafite) per rallentare i neutroni, con delle condutture al suo interno per le barre di combustibile, le barre di controllo e l'acqua di raffreddamento. Era un grosso reattore e non era racchiuso in un edificio di contenimento.

    Il 25 aprile 1986 un imprudente esperimento tecnico a bassa potenza andò fuori controllo. Il livello di potenza salì moltissimo, il contenitore del reattore esplose, e il vapore bollente e la grafite (come pure lo zirconio, il metallo usato nelle barre di combustibile) reagirono con il vapore bollente e con l'ossigeno dell'atmosfera producendo un violento incendio, le cui fiamme arrivarono ad alta quota e sparsero i detriti radioattivi su un'ampia zona. Molti dei vigili del fuoco, chiamati per spegnere l'incendio, morirono in seguito per le radiazioni assorbite. Le città e i villaggi vicino Chernobyl dovettero essere evacuati (e rimasero deserti fino al 1999) e i prodotti agricoli di molta parte dell'Europa furono contaminati. I resti del reattore furono successivamente incapsulati in uno spesso strato di cemento, seppellendo le scorie radioattive rimaste.

    Dopo questi incidenti, lo sviluppo commerciale dell'energia nucleare negli Stati Uniti ha continuato senza grossi inconvenienti. Tuttavia le scorie nucleari vengono ancora conservate in depositi temporanei, poiché la politica nazionale per quanto riguarda il deposito e lo smaltimento delle scorie è ancora in discussione. L'altro reattore a Three Mile Island, e perfino quelli di Chernobyl, sono stati riattivati per fornire di nuovo energia.

    Come suggerisce l'esempio della Francia, l'energia nucleare può essere la principale fonte energetica di una nazione industrializzata, anche se richiede un alto livello di competenza professionale e caratteristiche di sicurezza accuratamente progettate. Al tempo stesso, gli incidenti di Three Mile Island e di Chernobyl costituiscono un avvertimento che questa fonte energetica comporta i suoi rischi.

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