- la scoperta della natura elettrica della materia e della natura dell'elettricità stessa (1900);
- la scoperta che l'atomo è costituito da un nucleo circondato da elettroni (1911);
- la scoperta delle leggi meccaniche che governano il comportamento degli elettroni nell'atomo (1925).
L'energia nucleare è quella forma di energia posseduta dagli atomi che compongono la materia. L'atomo è formato da un nucleo centrale, costituito da protoni, con carica elettrica positiva e neutroni, elettricamente neutri; intorno al nucleo ruotano a velocità vertiginosa gli elettroni, che anno che hanno carica elettrica negativa. Gli atomi di ogni elemento presente in natura hanno un proprio numero di protoni uguale a quello degli elettroni che varia da 1 a 103. Il fisco tedesco di origine ebrea Albert Einstein enunciò nel 1905 la teoria secondo la quale è possibile trasformare in grande quantità di energia piccole quantità di materia secondo la seguente formula: E=mc², in cui E è la quantità di energia ottenuta sotto forma di calore, m la massa della materia impiegata e c una costante pari alla velocità della luce che è pari a circa 300.000 Km/sec. Tale teoria trovò le prime applicazioni pratiche nell'uso della bomba atomica nel 1945 durante il primo conflitto mondiale e della bomba H nel 1952 basate rispettivamente sul fenomeno della fissione del nucleo di uranio e della fusione nel nucleo di idrogeno. L'Uranio, elemento chimico di simbolo U, riveste importanza fondamentale nella produzione di energia; esso infatti viene utilizzato come combustibile nucleare soprattutto sotto forma di ossido. E' un elemento radioattivo, ha cioè le capacità di emettere radiazioni. Nel 1896 il fisico H. Becquerel scoprì che alcuni minerali di uranio emettevano radiazioni in grado di impressionare lastre fotografiche; gli studi sul fenomeno vennero continuati dai Curie che nel 1898 riuscirono ad isolare due elementi radioattivi: il polonio e il radio. Fu dimostrato in seguito che le radiazioni emesse dal nucleo di tali elementi sono di tre tipi: radiazioni alfa, beta e gamma. IL fenomeno della radioattività può essere anche indotto, può cioè essere creato artificialmente bombardando nuclei di atomi con particelle pesanti. F. Joliot e i Curie scoprirono la radioattività artificiale, ma Enrico Fermi, studioso italiano, intuì per primo l'importanza del fenomeno, infatti nel 1942, unitamente ad un'équipe di scienziati americani, pose allo studio e realizzò il progetto di una pila atomica (o reattore nucleare) per l'utilizzo in maniera controllata di questa nuova forma di energia.
CENTRALI ELETTRONUCLEARI
Le centrali elettro-nucleari sono impianti che trasformano il calore prodotto da una particolare reazione detta fissione nucleare, in elettricità. La parte generale dell'impianto è quindi simile a quella di una centrale termoelettrica. Differente è invece la parte dell'impianto che produce calore: il reattore, così chiamato in quanto vi si svolge, appunto, la reazione di fissione di un elemento particolare: l'Uranio. L'Uranio ha la caratteristica di essere instabile, ciò significa che se un neutrone ne colpisce il nucleo, come avviene durante la fissione, questo si scinde in due frammenti di massa complessiva leggermente inferiore a quella del nucleo iniziale e la massa scomparsa si trasforma in energia. Questa quantità di energia è estremamente piccola, tuttavia la scissione del nucleo di uranio produce anche alcuni neutroni in un rapido movimento che, a loro volta, scindono altri nuclei producendo quasi istantaneamente enormi quantità di energia. Una centrale elettro-nucleare è formata sinteticamente da alcuni componenti: Il reattore nucleare nel quale avviene la fissione controllata, un impianto per trasportare il calore prodotto dal reattore all'acqua che deve essere surriscaldata, la caldaia contenente l'acqua, la turbina a vapore, e l'alternatore che è collegato alla turbina. Nel reattore è montato il moderatore, esso è fatto di grafite, berillio o acqua e serve a rallentare la velocità dei neutroni ,liberati dalla fissione. Nei reattori nucleari viene usato un combustibile formato da barre di polvere di ossido di uranio arricchito, lunghe fino a 3,7 metri. La fissione dell'uranio sviluppa grandi quantità di calore all'interno del reattore appositamente racchiuso in una costruzione molto robusta di acciaio e di calcestruzzo. Il calore viene trasportato dal reattore all'esterno per mezzo di un fluido refrigerante (un tempo era usato gas ma oggi è quasi sempre impiegata acqua)che raffredda il reattore e si riscalda. Esso viene costretto a passare in uno scambiatore di calore dove cede calore all'acqua, l'acqua bolle e produce vapore usato per azionare la turbina sul cui asse si trova anche l'alternatore e così si ottiene il prodotto finale: energia elettrica.
LE SCORIE RADIOATTIVE
I rifiuti radioattivi provenienti dai vari usi dell'energia nucleare presentano caratteristiche diverse entro limiti straordinariamente estesi. Ciò ha fatto riconoscere, fin dagli inizi, la necessità di una loro classificazione, in relazione, da una parte, ai danni o agli inconvenienti che i rifiuti possono causare all'uomo e all'ambiente, dall'altra al tipo di provvedimenti da adottare per il loro smaltimento. Da un punto di vista generico, si possono classificare le scorie radioattive in due grandi gruppi: i nuclei risultanti dalle fissioni che hanno periodi di dimezzamento non superiori ai 30 anni e i nuclei che si formano per assorbimento neutronico negli elementi fissili e fertili, il cui tempo di dimezzamento è molto più lungo. L'attuale smaltimento dei rifiuti radioattivi consiste nel seppellire i barili contenenti le scorie a grande profondità, in formazioni geologiche di cui si possa prevedere la stabilità per moltissimi secoli, ma avere la sicurezza totale non è mai possibile.
LA FISSIONE NUCLEARE
Il fenomeno, scoperto nel 1938 da O. Hahn e F. Strassmann e indipendentemente da F. Joliot e da L. Meitner e O. R. Frisch, in seguito a lavori di Fermi, fu rivelato sfruttando l'azione di neutroni lenti sull'uranio. Si constatò che questo elemento, bombardato da neutroni, si rompe e produce due nuovi elementi di massa intermedia, ad es. il bromo e il lantanio. Nel processo singolo di fissione del nucleo di uranio sono emessi più neutroni, in media da 2 a 3 (neutroni pronti o istantanei), e si libera energia, prevalentemente sotto forma di energia cinetica dei frammenti di fissione; successivamente i frammenti, che sono in generale nuclei instabili, decadono emettendo talvolta dei neutroni (neutroni ritardati). Tutti i nuclei di elementi pesanti, a partire dal torio, possono subire la fissione con maggiore o minore facilità, in corrispondenza di energie più o meno elevate dei neutroni incidenti. La fissione può avvenire anche spontaneamente o può essere indotta da fotoni (fotofissione) e particelle cariche veloci (per es. protoni o particelle a). I nuclei degli elementi uranio 233, uranio 235, plutonio 239 possono subire la fissione qualunque sia l'energia del neutrone incidente e la massima probabilità che il processo si realizzi si ha in corrispondenza di neutroni molto lenti (neutroni termici). Viceversa la fissione dell'uranio 238 avviene solo con neutroni molto veloci. L'energia liberata in un singolo processo di fissione nell'uranio 235 è di circa 200 MeV. In questo caso si producono in media 2,4 neutroni per nucleo che ha subito la fissione; questi neutroni possono essere assorbiti oppure possono a loro volta produrre altre fissioni, dando origine a una reazione a catena quando il numero dei neutroni prodotti è maggiore del numero dei neutroni assorbiti o dispersi.
L'URANIO
L'Uranio è un elemento metallico radioattivo, di simbolo U, e numero atomico 92, usato come combustibile nei reattori nucleari. L'uranio appartiene alla serie degli attinidi della tavola periodica. Fu scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, in un campione di pechblenda, e prese nome dal pianeta Urano.
Proprietà:
L'uranio fonde a circa 1132 °C, bolle a 3818 °C, ha densità relativa 19,05 alla temperatura di 25 °C, e peso atomico 238,029. Esiste in tre diverse forme cristalline: in una forma stabile a temperatura ambiente; alla temperatura di 668 °C, in una forma modificata, caratterizzata da densità leggermente minore e da cristalli tetragonali, duri e fragili. A 774 °C raggiunge la forma cubica a corpo centrato, facilmente lavorabile e plastica, resa stabile mediante l'aggiunta di piccole quantità di molibdeno.
Diffusione
In natura l'uranio non si trova allo stato libero, ma solo sotto forma di ossido o sale complesso, in minerali come la pechblenda e la carnotite. L'uranio puro è formato per più del 99% dall'isotopo uranio 238, meno dell'1% dall'isotopo fissile uranio 235 e da tracce di uranio 234.
Estrazione
Il metodo classico di estrazione dell'uranio prevede che la pechblenda venga triturata e mescolata con acido solforico e nitrico. L'uranio si scioglie e forma il solfato di uranile, mentre il radio e gli altri metalli del minerale vengono precipitati come solfati. Aggiungendo idrossido di sodio, si precipita il diuranato di sodio (Na2U2O7 · 6H2O), noto anche come ossido giallo di uranio (yellow cake). Per ottenere l'uranio dalla carnotite, il minerale viene finemente polverizzato e mescolato con soda e potassa calde, che sciolgono l'uranio, il radio e il vanadio. Dopo aver eliminato le sabbie inutili, il composto viene trattato con acido solforico e cloruro di bario. Una soluzione caustica e alcalina aggiunta al liquido precipita l'uranio e il radio in forma concentrata.
I minerali di uranio sono presenti in tutto il mondo; in particolare, depositi di pechblenda, il minerale più ricco di uranio, si trovano principalmente in Canada, Repubblica democratica del Congo e Stati Uniti. La maggior parte dell'uranio degli Stati Uniti deriva dalla carnotite presente in Colorado, Utah, New Mexico, Arizona e Wyoming. Un minerale detto coffinite, scoperto nel 1955 in Colorado, contiene fino al 61% di uranio. Depositi di coffinite si trovano in Wyoming e Arizona.
Usi
Dopo la scoperta della fissione nucleare, l'uranio divenne un metallo di importanza strategica, utilizzato principalmente per la produzione di energia nei reattori nucleari e nelle armi nucleari.
LA FUSIONE NUCLEARE
In una reazione nucleare di fusione i due nuclei dotati di alta energia producono urtandosi un riordinamento dei loro nucleoni, dando luogo a due o più prodotti di reazione con sviluppo di energia. L'interesse di queste reazioni, scoperte negli anni tra il 1920 e il 1930, sta nel fatto che potrebbero essere utilizzate come fonti di energia: infatti l'elemento più importante che interviene nella fusione, il deuterio, si trova in natura e si può ottenere dall'acqua pesante; inoltre le reazioni di fusione non lasciano residui radioattivi. Perché la reazione avvenga, occorre dare alle particelle urtantisi un'energia sufficiente a vincere la loro repulsione coulombiana. Questa avviene solo se nella materia i nuclei atomici si muovono a velocità così elevate che la loro distanza sia nell'ordine di 10-13 cm. L'elevata velocità corrisponde a un'elevata temperatura. Nel caso di una reazione deuterio-trizio la temperatura dovrebbe essere di circa 100 milioni di gradi. Temperature così elevate si possono raggiungere solo confinando il plasma. Il confinamento può essere di due tipi: inerziale o magnetico. Mentre la temperatura del plasma controlla l'energia di collisione tra i nuclei, e quindi la probabilità di fusione tra di essi, la densità del plasma e la durata dell'interazione tra i nuclei debbono raggiungere valori adeguati perché si abbia un bilancio energetico positivo. Il prodotto del tempo in secondi e della densità in ioni per cm³ prende il nome di numero di Lawson e negli esperimenti più avanzati ha raggiunto il valore di 5×10¹³, mentre il valore minimo per raggiungere il mantenimento della "ignizione" è di 3×10¹4. La temperatura raggiunta negli esperimenti, per i quali si è ottenuto un così alto numero di Lawson, non ha fino a oggi superato i 10 milioni di gradi. Nel 1983, al Massachusetts Institute of Technology, il Tokamak Alcator ha raggiunto condizioni approssimativamente uguali a quelle fissate dal criterio di Lawson. Tale risultato è stato ottenuto grazie all'impiego di pastiglie di deuterio solido iniettate ad alta velocità nel plasma. Durante la fase di evaporazione del deuterio, che è molto rapida, si sono ottenute densità di 10¹5 ioni/cm³ per alcune decine di millisecondi. Pur essendo ancora lontani dalle condizioni pratiche affinché il processo si autosostenga, questo risultato è di grande rilievo per gli sviluppi futuri. L'uso di deuterio solido potrà estendersi anche ad altre macchine, in particolare al TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) di Princeton. Sono in corso di realizzazione anche progetti che non usano il Tokamak, come nel caso della MFTR-B, in cui il plasma è confinato mediante specchi magnetici accoppiati. Di rilievo in Europa il progetto NET, ultimo passo prima della realizzazione di un reattore a fusione di prova. A partire dalla metà degli anni Ottanta si è anche incominciato a parlare di fusione fredda. Per la fusione fredda due sono le vie: quella muonica e quella chimica. Nella prima si utilizzano i muoni che innescano la reazione in un plasma che ha "solo" una temperatura di 250 K. Nel secondo caso la reazione avviene a temperatura ambiente in un'apposita cella elettrolitica, in cui uno degli elettrodi è costituito da un reticolo di palladio che agirebbe da catalizzatore. Nel 1989 due scienziati dell'Università dello Utah, M. Fleischmann e S. Pons, hanno annunciato di aver ottenuto sperimentalmente la fusione fredda con questo secondo metodo, ma la ripetizione del loro esperimento non ha dato sempre gli stessi risultati e il metodo attende ancora un'effettiva verifica. Manca peraltro una convincente giustificazione teorica del fenomeno, che anzi sembra contraddire le teorie fisiche attualmente accettate.
I vantaggi dell'energia ricavata dalla fusione, quando si riuscirà a trovare il metodo efficace per produrla e renderla utilizzabile, saranno:
- una fonte inesauribile di combustibile (il deuterio dell'oceano);
- un basso rischio di incidente all'interno del reattore, che conterrebbe quantità minime di combustibile;
- residui molto meno radioattivi di quelli della fissione.
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'L'atomo è la più potente fonte di energia mai sfruttata dall'uomo. Le moderne centrali nucleari ricavano energia dalla fissione dei nuclei dell'uranio. Un nucleo di uranio, bombardato da un neutrone, si divide in due frammenti di fissione e due neutroni, la cui massa complessiva è lievemente inferiore alla massa del nucleo di uranio. Durante la fissione una piccola parte della massa dell'uranio viene trasformata in una grande quantità di energia. I neutroni liberati dalla fissione colpiscono a loro volta altri nuclei di uranio instaurando una reazione a catena ingrado di produrre grandi quantità di energia. La reazione rimane controllata fintanto che il numero di neutroni che reagiscono con l'uranio non supera un certo limite, oltre il quale la reazione dà luogo ad una esplosione atomica. Si spera in futuro di ottenere la fusione controllata di quattro atomidi idrogeno in uno di elio. Tale fusione infatti produce maggiori quantità di energia senza lasciare scorie radioattive.' |
FUNZIONAMENTO DI UNA BOMBA ATOMICA:
La bomba atomica di tipo A (a fissione) si basa sul fatto che se un elettrone colpisce un atomo di un materiale pesante quest'ultimo si fraziona in due parti e in più libera due elettroni che mantengono la reazione a catena e soprattutto libera un'energia enorme. Nel uranio che si trova in natura questa reazione avviene naturalmente ma viene frenata del fatto che, essendo l'uranio non completamente puro, la reazione si ferma immediatamente e solo pochi atomi si trasformano in energia. Poi c'è da considerare il fatto che molti elettroni riescono a sfuggire dalla pezzo di uranio (Questa reazione da la radioattività).
Nelle bombe nucleari si ha uranio purissimo e parzialmente modificato da precedenti reazioni nucleari, c'è anche da contare il fatto che quest'uranio deve avere un volume abbastanza grosso da tamponare la dispersione di elettroni e, anche se dopo ripetuti interventi, l'uranio mantiene sempre un po' di scorie che impedisco la reazione. Quando la massa del nostro materiale radioattivo sale abbastanza da assicurare un equilibrio tra le reazioni avvenute e quelle fallite si dice che la massa è critica, cioè che può provocare una reazione a catena capace di far esplodere l'oggetto. Nelle bombe nucleari i due pezzi dello stesso oggetto si trovano distanti tra loro e solo nel momento in cui viene innescata le due parti si uniscono dando luogo a un'esplosione nucleare.
Ci sono due modi di trasformare una massa subcritica in una critica o anche ipercritica:
Il metodo balistico: le due metà del materiale esplosivo sono ai capi di un cilindro in mezzo a loro c'è il vuoto. Quando la bombo viene innescata esplodono due cariche di esplosivo convenzionale che scagliano le due metà una contro l'altra. Di colpo le due meta compongono una massa ipercritica compressa che automaticamente esplode. Questo metodo si può utilizzare solo se si utilizza uranio-235. Questo tipo di bomba è stata usata nella seconda guerra mondiale Hiroshima e Nagasaki.
Il secondo metodo si basa sul fatto che una massa subcritica, se fortemente compressa, può trasformarsi in una massa critica o ipercritica. Questo tipo di bomba è di forma sferica, nel centro di essa c'è il materiale fissibile (uranio-235 o plutonio), nello strato sotto la corazza c'è invece dell'esplosivo chimico. Quando viene innescata l'esplosivo esplode creando un'onda d'urto verso il centro della bomba che comprime molto rapidamente il materiale fissibile finche non raggiunge una massa ipercritica e quindi esplode.
Un metodo per ridurre la massa e far uso di un riflettore che non è altro che uno strato di un materiale che riflette gli elettroni in modo da limitare le fughe. Una bomba nucleare composta da uranio 235 e 238 il peso senza riflettore è di 48km, invece, con il riflettore, la massa si abbassa fino a raggiungere i 21kg.
Invece le bombe atomiche di tipo H si basano sul principio contrario alla fissione, cioè la fusione. Per innescare la reazione della fusione ci vogliono enormi temperature che si ottengono soltanto nelle più potenti bombe A. Allora si è escogitato un metodo per cui la reazione nucleare viene innescata da una bomba A che innesca la fusione tra atomi di idrogeno (o suoi isotopi) che libera molta più energia della fissione creando una bomba ancora più potente.
L'idrogeno puro non poteva essere utilizzato per questa reazione quindi si penso di usare il deuterio con una certa percentuale di tritio. Il tritio a quel tempo (anni 50) costava circa 1.600.000 dollari al kg. La prima esplosione di una bomba H fu George, che fu anche la prima fissione sulla terra. Dopo di George esplose Mike, una bomba basata su deuterio e tritio che aveva bisogno di un sistema refrigerante che mantenesse la massa esplosiva a -250° pesante 65 tonnellate. Mike sviluppò un'energia pari a 10 megaton (10 milioni di tonnellate di tritolo) cioè mille volte la bomba sganciata su Hiroshima. Le bombe a isotopi dell'idrogeno furono presto abbandonate. Al posto dell'idrogeno si pensò di produrre bombe H con il litio-6 che, oltre ad essere solido, costava circo 70 volte meno di un isotopo dell'idrogeno. La prima bomba a litio-6 fu Bravo.
Questo tipo di bomba emette una grande quantità di radiazioni. La potenza di bravo è di 15 megaton, emettendo 770 volte le radiazioni di Hiroshima. Le bombe H sono le principali usate nei missili balistici americani. La massima potenza sviluppata da una bomba H è di 20 megaton.
dopo l'esplosione, si genera una palla di fuoco radioattiva che crea un'onda d'urto e di calore distruttiva.
Successivamente si genera un fenomeno depressivo inverso, che risucchia i materiali circostanti l'esplosione.
L'effetto secondario è la creazione di una nube a fungo, che genera un fall-out stratosferico o globale e una corrente convettiva che riporta in basso polveri e radiazioni.
