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L'energia
Atomica |
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L'energia nucleare si produce nella fissione o nella fusione di nuclei atomici.
La possibilità di sfruttare l'energia nucleare per produrre energia elettrica si
impose negli anni Cinquanta, a seguito del successo ottenuto dagli scienziati
americani, durante la seconda guerra mondiale, nella realizzazione della potente
bomba A, basata sulla fissione nucleare. La quantità di energia che si può ricavare
dal nucleo atomico, infatti, è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene in
trasformazioni chimiche quali la combustione, che coinvolgono i costituenti elementari
della parte più esterna dell'atomo.
Fino al 1800 circa il combustibile principale era il legno, che permetteva di
utilizzare indirettamente l'energia solare immagazzinata dagli alberi nel corso
della loro vita. Con l'avvento della rivoluzione industriale, l'uomo ha iniziato
a utilizzare combustibili fossili, come il carbone e il petrolio, anch'essi, in
ultima analisi, riserve di energia solare immagazzinata nel tempo. Bruciando un
combustibile fossile, ad esempio il carbone, gli atomi di idrogeno e di carbonio
del carbone si combinano con quelli di ossigeno presenti nell'aria, e producono
anidride carbonica e acqua; in questa reazione chimica viene prodotta una quantità
di calore che corrisponde a circa 6500-9500 kcal/kg, equivalente a 1,6 kilowattora/kg.
È questa la resa tipica di una reazione chimica, che deriva da trasformazioni
della struttura elettronica dell'atomo. Una parte di questa energia termica, inoltre,
viene successivamente assorbita dal combustibile stesso, per mantenerlo a una
temperatura tale da rendere possibile la prosecuzione della reazione. Viceversa,
in una tipica reazione nucleare, quale la fissione dell'uranio, 1 kg di uranio
235 sviluppa, in forma di calore, 18,7 milioni di kilowattora.
La fissione
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.
La fusione
Il processo di fusione consiste nell'unire tra loro due o più nuclei leggeri per
ottenerne uno più pesante; esso è quindi l'inverso della fissione.
In teoria per fusione nucleare si intende l'avvicinamento tra loro di protoni fino
al punto di far entrare in gioco le forze nucleari a corto raggio d'azione.
In pratica ci si trova di fronte ad enormi difficoltà dovute alla resistenza delle
forze repulsive tra cariche elettriche di uguale segno.
Per vincere tali forze è necessario portare la materia allo stato di plasma mediante
temperature all'ordine di dieci milioni di gradi. E' chiaro che, una volta innestato
il processo di fusione, le enormi quantità di energia liberate non hanno difficoltà
a sostenerlo, dando luogo a fusioni su vasta scala quanto si vuole.
I processi di fusione nucleare danno una quantità di energia , energia atomica, in
genere dieci volte superiore a quella liberata nei processi di fissione; ecco perché
si preferirebbe utilizzare tale processo.
Il sole funziona secondo questo principio. Ogni secondo, nel Sole, 564,5 tonnellate
di Idrogeno vengono convertite in 560 tonnellate di Elio, mentre 4,5 tonnellate
diventano energia che, sotto forma di raggi gamma, risalirà lentamente alla superficie
per essere irraggiata nello spazio e giungere in piccolissima parte sulla Terra.
In un gas costituito dagli isotopi pesanti dell'idrogeno, deuterio e trizio, ogni
evento di fusione rilascia un'energia pari a 17,6 MeV, che si manifesta dapprima
come energia cinetica del nucleo di elio 4 e del neutrone prodotti, quindi si trasforma
in energia termica, determinando un rapido riscaldamento del gas circostante.
Il gas reagente si trova nello stato della materia detto plasma, che consiste in
una miscela di cariche libere positive e negative, complessivamente neutra. Perché
il processo sia vantaggioso è necessario confinare il plasma entro uno spazio ridotto,
così da aumentare il più possibile il numero degli eventi di fusione.