Caldi nuclei atomici

La storia lunga e affascinante dellÂ’energia nucleare può essere fatta risalire alla scoperta della struttura interna dellÂ’atomo e, in particolare, di quella del suo nucleo

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© Nicholas.t
È argomento da salotto, come tanti altri, anche quello dell’energia nucleare (atomica, come qualcuno anche dice). Lo è da quando si è scoperto che il nucleo di un atomo è fonte potenziale di energia, di tipo sia pacifico (controllato) che bellico (esplosivo). Lo è stato particolarmente nel 1986, quando un bel pezzo di una centrale nucleare in Unione Sovietica (a Chernobyl, oggi Ucraina) saltava per aria spaventando mezzo mondo e anche più. E lo è ancora oggi, a seguito di una ripresa corsa a questo tipo di sostentamento energetico che l’attuale governo italiano ha intrapreso.

Non parliamo qui però di pro e contro (chi di queste cose ne sa può ben chiarire molti argomenti e informare i cittadini, giustamente attenti al problema) ma vediamo, in poche parole, di raccontare i principi di funzionamento di questa tecnologia, diffusa pressoché ovunque sul nostro pianeta (circa 500 centrali funzionanti) da ormai quasi 50 anni.

La storia è lunga e affascinante, come molte altre storie di scienza. Tutto può essere fatto risalire alla scoperta della struttura interna dell’atomo e, ancor più dettagliatamente, di quella del suo “nucleo”. In modo per certi versi molto improprio si usa descrivere l’atomo come un piccolo sistema solare il cui astro è un concentrato di materia molto densa e carico elettricamente, detto nucleo. Attorno a esso, in modo “nebuloso”, sono distribuiti gli elettroni, leggere particelle di carica elettrica con segno opposto a quella del nucleo.

Il nucleo è centomila volte più piccolo di un atomo (che già è minuscolo) ed è a sua volta costituito da particelle, dette nucleoni, che sono di due tipi: protoni (carichi positivamente, pesanti) e neutroni (stessa massa, ma senza carica). Il nucleo si ritrova dunque a essere sottoposto a una tendenza alla disgregazione per il semplice fatto che in esso convivono cariche dello stesso segno (i protoni) che, per effetto elettrico, si respingono. Come fa dunque un nucleo a non disfarsi sotto l’effetto di questa forza? Semplice (si fa per dire): esiste un’altra forza che tende a unire le particelle che costituiscono il nucleo, a prescindere dal fatto di essere o non essere dotate di carica elettrica. Questa è una forza che esiste solo all’interno dei nuclei degli atomi, si chiama “forza nucleare” ed è la colla che tiene assieme il nucleo.

Questa colla funziona però solo finché la forza repulsiva fra le parti cariche del nucleo (i protoni) non è troppo dirompente, cosa che accade quando il nucleo comincia a essere abbastanza grande, come per esempio in atomi “massicci”, come nel caso dell’uranio (che di protoni ne ha 92). In questi casi, se si fornisce una “spintarella” al nucleo (per esempio colpendolo con un altro nucleo), succede che il nucleo urtato si spezza in due frammenti più leggeri (e la colpa è della repulsione elettrica all’interno del nucleo), e lo fa liberando energia sotto forma, per esempio, di radiazione elettromagnetica, o di movimento dei frammenti, come accade nell’esplosione di una granata.

Questo fenomeno, noto ai fisici a partire dagli anni ’30 del secolo scorso (Fermi fu un insigne studioso sia teorico che sperimentale di questi eventi), è detto “fissione nucleare”. Per essere chiari: è il fenomeno per il quale un nucleo atomico abbastanza grande si spezza e facendolo libera energia. Quanta? Beh, vista la piccolezza della “granata” esplosiva, si tratta pur sempre di una quantità relativamente grande. Considerando il fatto che in un grano minuscolo di materia si trovano tantissimi atomi, ciascuno con il proprio nucleo, riuscendo a recuperare l’energia della fissione di tutti questi oggetti ci si ritrova con un bel malloppo. Un gran bel malloppo: immaginando di non gettare via nulla, provocare la fissione di un grammo di uranio ci fornisce circa cinque miliardi di joule, ovvero l’energia che serve a sollevare cinquantamila automobili di massa pari a una tonnellata ciascuna all’altezza di dieci metri. Probabilmente un’impresa poco furba ma, raggiunta con un solo grammo di sostanza! Tanto per dare l’idea.

Ciò che fa una centrale nucleare è essenzialmente questo: recuperare queste immense quantità di energia in modo controllato. Lo fa utilizzando una tecnologia estremamente complessa (è difficile immaginare un artefatto umano più complicato di una centrale nucleare) e, di fatto, soggetto a elevatissimi (e costosi) controlli di sicurezza e affidabilità. Il punto è che quello che “cuoce” nella centrale, il materiale che subisce le fissioni, è di natura “radioattiva” ovvero, oltre a fornire energia termica (calore, se preferite) di cui parliamo subito sotto, è anche una sorgente di vari tipi di prodotti potenzialmente pericolosi per la salute umana e dell’ambiente in generale, che sono usualmente etichettati come “radiazione ionizzante”. Si tratta di particelle (radiazione “alfa” e “beta”) o di onde elettromagnetiche (radiazione “X” e “gamma”) che in dosi superiori a una certa soglia sono assolutamente da evitare.

Bene, ma come si porta a cottura questo combustibile? Anzitutto: si utilizza una forma “arricchita” di uranio, in grado di subire la fissione in ritmi opportuni. Quando un nucleo si rompe, oltre a lasciare dei frammenti, libera anche delle particelle nucleari (neutroni) che a loro volta sono in grado di innescare altre frammentazioni di nuclei di uranio che, a loro volta ancora, liberano neutroni che ne innescano altre e così via, in un processo noto con il nome di “reazione a catena”. Se non la si controlla, è meglio darsela a gambe. Nella centrale le cose invece sono controllatissime: per ottenere un ritmo giusto di fissioni, i neutroni che le innescano devono essere portati a determinate velocità (devono essere, come si dice, “moderati”) e questo avviene inserendo nel “brodo” di uranio dei materiali che frenano le reazioni nel loro ritmo di accadimento. In pratica: l’uranio è raccolto in sbarre solide (blindate) a costituire il cosiddetto “nocciolo” della centrale. Questo è immerso di solito in un liquido che svolge le funzioni di moderare i neutroni “proiettile” e di asportare il calore prodotto dalla reazione nucleare. Non si tratta di un liquido raro: tipicamente è acqua sotto pressione (così da non farla bollire nemmeno a 300°C di temperatura). Il controllo specifico del ritmo di funzionamento della centrale, incluso il suo eventuale arresto di emergenza, è svolto da un insieme di barre mobili metalliche che sono immerse o estratte dal nocciolo a seconda della richiesta di energia: il loro ruolo è infatti quello di intervenire permettendo ai neutroni della giusta velocità di innescare reazioni di fissione più o meno rapidamente.

Il liquido caldissimo viene utilizzato per generare vapore che, in un circuito idraulico separato per questioni ancora una volta di sicurezza, porta acqua molto calda a trasferire energia di movimento a una turbina a sua volta collegata a un generatore di elettricità collegato alla rete.

Una centrale “tipo”, come quelle in funzione ai giorni nostri (tranne che in Italia, ovviamente, dove esistono quattro centrali non operative dagli anni 90), produce (a) energia elettrica (b) calore in eccesso (per questioni di efficienza termodinamica: in pratica ha bisogno di scaricare nell’ambiente un po’ di energia per lavorare, come ogni motore di questo universo) e (c) combustibile nucleare “bruciato”, non più utilizzabile, caldo e che può esser molto radioattivo, pericoloso dunque se non opportunamente collocato e controllato.

E le centrali di quarta generazione che ci hanno promesso per il futuro? A dire la verità sono oggetti ancora lontani dalla realtà commerciale: se ne parlerà nel 2030. Saranno sistemi estremamente sicuri, ancora più di quelli attuali. Nel frattempo però sarà il caso di guardarsi attorno e procurarsi l’indispensabile dose energetica mondiale anche per altre vie. E come? Investiamo nella ricerca. Possibile che sia così difficile da capire?

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