Un po’ di storia:
Il 22 ottobre 1934 la prima fissione nucleare
artificiale (cioè provocata dall'uomo) della
storia fu realizzata da un gruppo di fisici
italiani guidati da Enrico Fermi (i cosiddetti
"ragazzi
di
via
Panisperna")
mentre
bombardavano dell'uranio con neutroni. Il
gruppo di fisici italiani però non si accorse di
ciò che era avvenuto ma ritenne invece di
aver
prodotto
dei
nuovi
elementi
transuranici. Alla fine del dicembre 1938 due
chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn e il suo
assistente Fritz Strassmann, furono i primi a
dimostrare
sperimentalmente
che
un nucleo di uranio 235, qualora assorba un
neutrone, può dividersi in due o più
frammenti dando luogo così alla fissione del
nucleo.
Li sapresti riconoscere?
Introduzione all’energia nucleare:
L’energia nucleare è la forma di energia
posseduta dagli atomi che compongono la
materia. Vi sono due procedimenti diversi
per produrre energia direttamente dagli
atomi: si può scindere, cioè dividere, un
nucleo pesante in due nuclei più leggeri con
la fissione, oppure si possono fondere
insieme due nuclei leggeri per ottenerne
uno più pesante con la fusione. Entrambi i
procedimenti provocano la liberazione di
grandi quantità di energia, perché in queste
reazioni una parte delle masse di partenza
scompare, trasformandosi completamente
in energia.
Fissione:
Nella fissione nucleare, quando un nucleo
di materiale fissile o fissionabile assorbe un
neutrone, si fissiona producendo due o più
nuclei più piccoli e un numero variabile di
nuovi neutroni. Gli isotopi prodotti da tale
reazione sono radioattivi in quanto
posseggono un eccesso di neutroni e
subiscono una catena di decadimenti
beta, cioè un decadimento radioattivo
spontaneo, fino ad arrivare ad una
configurazione stabile. Inoltre nella fissione
vengono prodotti normalmente 2 o 3
neutroni
veloci
liberi.
L'energia complessivamente liberata dalla
fissione di 1 nucleo di 235U è di 211 MeV(
elettronvolt ).
Schema di una reazione nucleare:
1)Un
nucleo
di
uranio
235
viene
"bombardato" da un neutrone e avviene la
fissione che spezza il nucleo in due atomi e
libera
tre
neutroni
e
dell'energia.
2) Uno di questi neutroni è assorbito da un
altro nucleo di uranio 238 ed è perso nel
bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire"
dal sistema o essere assorbito da un
elemento che non continua la reazione. Il
terzo neutrone viene assorbito da un nucleo
di uranio 235 che si spezza in due atomi
liberando due neutroni e dell’energia.
3) I due neutroni liberati si scontrano con
due nuclei di uranio 235 e ogni nucleo
libera da uno a tre neutroni che servono per
continuare la reazione a catena.
Uranio:
L'uranio è l'elemento chimico di numero
atomico 92. Il suo simbolo è U. È un metallo
bianco-argenteo, tossico e radioattivo;
appartiene alla serie degli attinoidi ed il suo
isotopo 235U trova impiego come combustibile
nei reattori nucleari e nella realizzazione di
armi nucleari. Per ottenere un materiale fissile
che sia adatto a scopi nucleari, cioè che
emetta una quantità sufficiente di neutroni, è
necessario aumentare la concentrazione
dell'isotopo 235U rispetto al più comune e
meno radioattivo 238U.
Il reattore nucleare:
Un reattore nucleare a fissione è un
sistema complesso in grado di gestire
una reazione
nucleare a fissione a catena in
maniera controllata (diversamente
da quanto accade invece per
una ordigno nucleare) ed utilizzato
come componente base
nelle centrali nucleari, che possono
contenere più di un reattore
contemporaneamente.
Schema del nucleo di una centrale a fissione:
La fissione del nucleo del combustibile genera
energia, sotto forma di energia cinetica dei
frammenti della fissione e di raggi gamma. I
frammenti
di
fissione
rallentando
nel
combustibile generano calore che viene
asportato da un fluido refrigerante (gassoso o
liquido) che lo trasporta ad un utilizzatore,
direttamente o indirettamente per mezzo di
generatori
di
vapore.
Il
termovettore
refrigerante può anche essere il moderatore
stesso, come avviene nel caso dei reattori ad
acqua leggera. Il reattore dispone anche
delle cosiddette barre di controllo cioè barre
metalliche, atte ad assorbire i neutroni in
eccesso liberati dalla reazione che a sua volta
alimentano; possono essere inserite nel
nocciolo e servono a modulare in funzione
della potenza energetica da generare.
Prodotti della fissione:
Gli atomi con un numero di massa maggiore
hanno una percentuale di neutroni rispetto
al peso atomico più elevata rispetto a quelli
con minor numero di massa, per cui un
processo di fissione produce dei frammenti di
fissione con un numero elevato di neutroni; tali
isotopi per diventare stabili devono dunque
presentare un decadimento più volte.
Il tempo di decadimento di tali elementi
dipende dal tipo di nucleo prodotto e può
variare da pochi millisecondi fino a decine di
anni. Per questo tutte le reazioni di fissione
producono isotopi radioattivi alcuni dei quali
rimangono
attivi
molto
a
lungo.
Il
decadimento radioattivo produce energia
attraverso l'emissione di raggi beta, e per
questo è importante raffreddare le barre
di
combustibile
nucleare
dopo
lo
spegnimento di un reattore o quando
diventano non più utilizzabili per produrre
energia.
Smaltimento delle scorie radioattive:
Non sono ancora stati completamente risolti i
problemi relativi al confinamento di scorie
nucleari a lungo termine. In effetti, una volta
esaurito il fissile presente nel combustibile,
restano i sottoprodotti della reazione a catena,
che in massima parte non sono fissili ma
continuano ad essere radioattivi. Questi
sottoprodotti sono una gamma di
isotopi con tempo di dimezzamento molto
vario, ma che può arrivare anche ad alcune
migliaia di anni: le scorie prodotte dai reattori
si mantengono radioattive a lungo nel tempo,
fino al caso estremo del Cesio 135. Il 96%
delle scorie altamente radioattive potrebbe
essere riciclato e riutilizzato se i rischi
aggiuntivi di proliferazione fossero ritenuti
accettabili.
Sicurezza:
La sicurezza delle centrali nucleari è
stata spesso messa in questione, dal
momento che le strutture più visibili,
come le torri di raffreddamento,
appaiono fragili e potrebbero quindi
essere
facili
obiettivi
di
attacchi terroristici, ad esempio da
parte di kamikaze che impiegassero
aerei di linea per colpirle (questo
dibattito è stato molto acceso in
Germania Uno studio condotto dalla
commissione
statunitense
che
controlla il settore nucleare ha
evidenziato che più di metà delle
centrali nucleari statunitensi non sono
state in grado di prevenire una
simulazione di attacco.
Chernobyl
L’ormai noto incidente di Chernobyl avvenne
il 26 aprile 1986, con l’esplosione del reattore
numero 4. Le esplosioni non furono di tipo
nucleare (reazione a catena incontrollata)
bensì chimica, cioè causata da reazioni fra
sostanze
chimiche
innescate
dalle
elevatissime temperature raggiunte.
In
seguito alle esplosioni, dalla centrale si
sollevarono delle nubi di materiali radioattivi
che raggiunsero l’Europa orientale e la
Scandinavia, oltre alla parte occidentale
dell’URSS. Vaste aree vicino alla centrale
furono pesantemente contaminate rendendo
necessaria l’evacuazione e il reinsediamento
in altre zone di circa 336.000 persone. Le
repubbliche oggi separate di Ucraina,
Bielorussia e Russia sono ancora oggi gravate
dagli ingenti costi di decontaminazione.
Three Mile Island
La città di Three Mile Island, in
Pennsylvania, divenne celebre nel 1979
quando subì il più grave incidente
avvenuto in una centrale statunitense che
non determinò la fuoriuscita di quantità
significative di
particelle radioattive,
malgrado la fusione del nocciolo. Questo
fatto è stato attribuito alla presenza delle
strutture di contenimento del reattore
americano rispetto a quello sovietico. Le
cause principali dell’incidente furono la
strumentazione carente della sala di
controllo e l’addestramento inadeguato
del personale. La fusione parziale del
nocciolo avrebbe potuto innescare una
reazione a catena incontrollata e l’unità,
chiusa dopo la tragedia, è ancora oggi
sotto monitoraggio.
“Noi scienziati, il cui tragico destino
è stato quello di aiutare a costruire i mezzi
di distruzione più raccapriccianti ed
efficienti, dobbiamo considerare come
nostro dovere solenne e supremo fare
tutto ciò che è in nostro potere per
impedire che queste armi siano usate per
gli scopi brutali per i quali sono state
inventate”
Oppenheimer, Einstein e Fermi
