L'energia nucleare
I due tipi principali di particelle nucleari — protoni e neutroni — sono saldamente racchiusi nella struttura del nucleo. Per modificare questa struttura occorrono quantità grandissime di energia. Nelle regioni esterne di un atomo gli elettroni, quando passano da un'orbita a un'altra, emettono luce visibile. All'interno del nucleo, un protone o un neutrone che eseguano un mutamento simile emettono raggi x con un'energia un milione di volte maggiore di quella contenuta nella luce visibile. L'energia presente nel nucleo è molto più grande di quella disponibile nella parte restante dell'atomo.
Quasi tutta l'energia nucleare proviene dalla conversione della massa. La massa di un nucleo è normalmente un po' minore della somma delle masse dei protoni e neutroni che dovrebbero essere uniti per crearlo. Il nucleo del carbonio-12, per esempio, ha una massa dell'i per cento circa minore della massa di sei protoni e sei neutroni. Quando si forma un nucleo di carbonio-12, la massa in eccesso viene convertita in energia attraverso la formula E = mc², e quest'energia assicura la coesione del nucleo.
Ci sono due modi per attingere energia dal nucleo: la fissione e la fusione. In entrambi i casi l'energia ottenuta proviene dalla conversione di massa in energia, e in entrambi i casi l'energia è disponibile perché la massa dello stato finale del sistema nucleare è minore di quella dello stato iniziale.
La fissione
Si parla di fissione quando un nucleo si rompe in due o più frammenti. Di solito la somma delle masse dei frammenti è maggiore della massa del nucleo originario. Ne consegue che di norma per rompere il nucleo si deve fornire energia, come un boscaiolo deve fornire energia a un'ascia per tagliare un tronco. A volte, però, la somma delle masse dei frammenti è inferiore alla massa del nucleo originario. In questo caso durante la fissione si libera energia, che di solito viene chiamata «energia nucleare».
Il più familiare fra i nuclei che forniscono energia quando si rompono è un isotopo dell'uranio detto uranio-235 (con 92 protoni e 143 neutroni). Questo isotopo costituisce meno dell'1 per cento dell'uranio presente in natura (la forma più comune è l'uranio-238). Se un neutrone, in lento movimento, collide con uranio-235, il nucleo si rompe in due frammenti e in due o tre neutroni.
La somma di queste masse è inferiore a quella del nucleo originario, e la differenza di massa viene convertita nell'energia di moto dei frammenti. Quest'energia, infine liberata sotto forma di calore, viene usata per far funzionare reattori nucleari commerciali e produrre elettricità.
Il cuore di un reattore nucleare è il nocciolo, un grande contenitore in acciaio inossidabile che contiene varie centinaia di elementi di combustibile. Questi cilindretti di uranio sottili come matite, ricchi dell'isotopo uranio-235, sono separati fra loro da un liquido, detto moderatore (di solito acqua), i cui atomi entrano in collisione con neutroni e li rallentano. Quando si verifica una fissione in un elemento di combustibile, i neutroni veloci che ne escono vengono rallentati nell'acqua, dopo di che entrano in un altro elemento e causano altre fissioni. Queste fissioni producono ciascuna due o tre neutroni propri, ciascuno dei quali può proseguire il processo e causare altre fissioni in altri elementi di combustibile. Gli scienziati chiamano questa proliferazione di collisioni una reazione a catena, della quale si può regolare il ritmo abbassando fra i cilindretti di combustibile elementi di controllo costituiti da materiali capaci di assorbire neutroni.
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| I reattori nucleari comprendono un nocciolo con elementi di combustibile nucleare radioattivo. Reazioni nucleari a catena in questo combustibile riscaldano una camicia d'acqua circostante che converte calore in vapore. Il vapore, a sua volta, aziona un generatore elettrico |
L'energia dei frammenti di fissione riscalda l'acqua, la quale viene pompata fuori del nocciolo. In un'altra parte dell'impianto questo calore produce vapore che fa funzionare una turbina; l'energia termica così convertita in energia meccanica va a un generatore convenzionale che produce elettricità. Un reattore nucleare differisce dunque da una centrale termoelettrica a carbone o a nafta solo nel modo di produrre calore. Una volta prodotto il vapore, tutto il resto è uguale.
L'aspetto del reattore nucleare che richiama più spesso su di sé l'attenzione dell'opinione pubblica è la possibilità di incidenti: i nomi di Three Mile Island e di Cernobyl evocano visioni di incubi radioattivi. Gli incidenti più gravi con reattori nucleari — che sono per fortuna anche i più improbabili — implicano la perdita del liquido che separa gli elementi di combustibile. (A Three Mile Island una pompa difettosa produsse una perdita parziale.) Un reattore non può esplodere come una bomba perché, una volta andato perduto il liquido moderatore, i neutroni non vengono più rallentati e le reazioni a catena si fermano. Il nocciolo del reattore è però ancora caldissimo, sia nel senso termico sia in quello nucleare, e il calore può cominciare a far fondere il metallo nel nocciolo. La «sindrome cinese» — un combustibile nucleare così caldo da aprirsi la via, fondendo la massa terrestre interposta, fino alla Cina — è un riferimento esagerato a tale fusione termica del metallo. In realtà il combustibile nucleare non diventa mai così caldo da penetrare nella Terra per un tratto degno di nota, fondendo i materiali che incontra. A Three Mile Island, dove, come in tutte le centrali nucleari americane, il reattore è alloggiato in un edificio di contenimento di cemento armato, la fusione parziale condusse a una fuga molto limitata di materiale radioattivo nell'ambiente. A Cernobyl, dove il reattore era separato dall'ambiente da finestre di vetro, le conseguenze furono molto più gravi.
Il problema che si pone a noi tutti è se, come società, siamo disposti ad accettare i rischi (dichiaratamente piccoli) associati alla potenza nucleare in cambio dei vantaggi dell'elettricità generata da reattori. Non è un problema scientifico, bensì un problema di valori: di valutazione del rapporto costi-benefici. Per prendere una decisione, però, ogni cittadino dovrebbe conoscere alcuni fatti fondamentali sui reattori e la radioattività.
La fusione
La fusione si verifica quando due nuclei atomici più piccoli si uniscono a formare un singolo nucleo più grande. Come nel caso della fissione, a volte accade che la massa del prodotto finale della fusione sia inferiore alla somma delle masse degli ingredienti che lo compongono. In questo caso il processo di fusione può produrre energia. Il Sole e altre stelle generano la loro energia per fusione, in un processo in cui quattro protoni (i nuclei di quattro atomi di idrogeno) si uniscono dopo una sequenza di passi a formare un nucleo di elio e alcune particelle minori.
A partire dagli anni cinquanta, negli Stati Uniti e in altri paesi sono stati avviati vasti programmi di ricerca e di sviluppo per imbrigliare la fusione come sorgente di energia elettrica. La strategia generale consiste nel tenere concentrati insieme i nuclei con intensi campi magnetici e poi nell'aumentare la temperatura fino a riprodurre le condizioni che si trovano nell'interno delle stelle. Purtroppo siamo ancora lontani dal poter produrre una fusione controllata in laboratorio, per non parlare di un impianto di generazione economicamente valido. Negli ultimi trent'anni ci sono stati periodicamente annunci di grandi passi avanti, ma l'energia di fusione rimane un sogno che sarà realizzato solo verso la metà del XXI secolo, se mai sarà realizzato.
Nella primavera del 1989 fece grande sensazione l'annuncio di due scienziati dell'Università dello Utah di avere prodotto la fusione in un esperimento a tavolino. Chiamato «fusione fredda» o «fusione in bottiglia», questo processo colpì l'immaginazione del pubblico perché avrebbe potuto fornirci una sorgente illimitata di energia a buon mercato, ma la fusione fredda è caduta infine nel dimenticatoio, in quanto altri scienziati non sono riusciti a riprodurre i risultati annunciati.
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Ero sicuro che prima o poi mi sarei dedicato ad un post sul tempo che passa, lo fanno tutti nei propri blog personali. Forse è perché il tempo è qualcosa di incontrollabile, quindi dobbiamo fare qualcosa per avere l’illusione di averlo controllato.