L’energia nucleare:
Cos’è, da cosa deriva, come funziona,
quali problemi crea e quali vantaggi offre?
Un confronto con le altre tecnologie
R.Lanza
La materia
Ogni cosa (vivente o non vivente) è
composta da un numero elevatissimo
(moltissimi miliardi!) di particelle piccolissime
che sono gli atomi. (un atomo non si vede
ad occhio nudo!)
Gli elementi chimici
Gli atomi si possono presentare sia in forma
singola (elementi chimici), sia aggregati tra
loro (Molecole), sia ancora aggregati tra loro
ma con atomi diversi
(ad esempio la molecola dell’acqua H2O è
l’insieme di 2 atomi di idrogeno ed uno di
ossigeno!)
HO
2
Gli elementi chimici
Tutto il nostro mondo (e tutto l’universo!) è
composto da atomi che appartengono ai
diversi “Elementi chimici”.
Sono un numero finito di elementi che
caratterizzano la materia e il suo
comportamento, oltre che l’appartenenza
alle diverse “famiglie”
Ad esempio:
Gli elementi che appartengono ai metalli
hanno tutti una buona conducibilità
elettrica…
Ferro, rame, oro, sodio, boro, argento, ecc.
… anche se hanno diverso peso atomico e
diversi comportamenti fisici (punto di fusione
ecc.)
Diverso peso atomico …??!!
Ogni elemento chimico è caratterizzato da 2
numeri: il numero atomico e il peso atomico.
Numero atomico: indica il valore della carica
elettrica dell’elemento e ne individua le
caratteristiche chimiche
Peso atomico: indica il peso specifico
dell’elemento
Ad esempio:
L’atomo di ossigeno si rappresenta in questo
modo:
16
O
8
Numero
atomico
Peso
atomico
La tavola periodica degli elementi
Curiosiamo nell’atomo ….
16
O
8
Protoni (+)
Elettroni (-)
+
+ ++
++
-
Neutroni
Nucleo
I legami
Legame chimico (riguarda le molecole)
si scioglie con il calore, con la combustione,
ecc. (è sufficiente l’apporto di poca energia)
Legame atomico (riguarda il nucleo)
si scioglie SOLO con enorme quantità di
energia
Le energie in gioco
In generale, le energie associate con i
processi nucleari sono approssimativamente
1 milione o più volte maggiori delle
energie proprie dei fenomeni chimici!
La reazione nucleare
L’equazione di Einstein:
ci dice che ….
l’energia che un corpo può emettere è pari
alla sua massa moltiplicata per la velocità
della luce (300.000 km/s) al quadrato
[90.000.000.000] … in pratica anche da
particelle di massa insignificante posso
ottenere moltissima energia!
E=mc2
La reazione nucleare - Fissione
Se un neutrone con energia sufficientemente
elevata colpisce un nucleo ad elevato numero
atomico
Isotopi radioattivi
Sr90
38
+++
neutrone
+
+ ++
++
235
U
92
URANIO
++
+
143
Xe
54
Facciamo due conti ….
1 neutrone e 1 protone hanno entrambi
massa 1 (o quasi ..!) dunque …
1 +235 = 236,
e … 90+143+3 = 236
… ma in realtà i neutroni emessi non sono
proprio 3, bensì 2 o al massimo 2,5, per cui
90+143+2=235 che è minore di 236 !!!
Allora i conti non tornano !!??!!
Dov’è sparita 1 unità di massa?
Mi hanno sempre insegnato che viviamo in
un sistema dove c’è un’unica certezza:
“la massa, l’energia e la quantità di
moto si conservano sempre!!” …..
ma stavolta i conti non tornano (236>235)!!
Ci viene in aiuto l’equazione di
Einstein!!
E=mc2 nel nostro caso abbiamo che
dopo la fissione la somma totale delle
masse è 235 e quindi manca un’unità di
massa, per cui possiamo dire che:
E=1 x 300.0002 ovvero la massa
mancante si è trasformata in energia
(moltissima energia!!)
Una volta “innescata” la fissione si
mantiene da sola con una
reazione a catena
Cioè ogni nuovo neutrone può causare la
fissione di un nucleo di uranio che a sua
volta produrrà 2 o più nuovi neutroni …….
+++
+
+ ++
++
++
+
Adesso mi devo preoccupare solo (!!!)
di controllare la reazione a catena!
Userò le barre di controllo ed altri sistemi di
iniezione rapida di sostanze che “assorbono”
neutroni, perchè la reazione a catena deve
mantenersi sempre costante, altrimenti …
…. sarebbero guai seri, perché rischierei di
produrre quella che tecnicamente è chiamata
“rampa di potenza positiva” ovvero
Bum!!
un’esplosione nucleare!!
.. ma niente paura: ci sono
sofisticatissimi sistemi automatici di
regolazione, controllo, sicurezza
Se si gestisce l’impianto con la dovuta
attenzione i pericoli sono praticamente nulli!
E adesso, tornando al “nostro”
neutrone ….
Ha moltissima energia: cosa deve
farne? ….
Ora ci basta trasformare quella
energia in calore (energia termica)
Il calore farà bollire l’acqua e con il vapore
potrò produrre energia elettrica!
Fissione >> energia cinetica (neutroni
velocissimi) >> urtano molte volte contro
molecole d’acqua (H2O) che hanno massa
atomica 2 + 16 =18 cedendo loro energia
(fanno vibrare le molecole d’acqua che così
si riscaldano fino ad evaporare) >> >>>
È quasi come giocare a biliardo!
Molecole
d’acqua
E >>>>>>
neutrone
Temperatura
dell’acqua
A questo punto abbiamo vapore
proprio come in una centrale
termoelettrica!
Già ma … come funziona tutto il
meccanismo,
come si trasforma il vapore in energia
elettrica?
Ciclo termodinamico del vapore
Nella turbina il
vapore si
espande
facendola
ruotare
Qui si produce
vapore
riscaldando
l’acqua e
facendola
bollire, un po’
come con la
pentola della
pastasciutta …!!
L’alternatore
ruota insieme
alla turbina e
genera energia
elettrica
Nel condensatore il
vapore ritorna
acqua, pronta per
riprendere il ciclo
Quali sono le differenze tra termico
e nucleare ?
…. dalla fissione di ogni nucleo di uranio
otteniamo isotopi radioattivi.
Cosa vuol dire isotopo??
Iso >> uguale
Topo >> (dal greco topos > luogo)
Si riferisce alla posizione nella Tavola Periodica degli
elementi chimici ovvero:
Stesso numero atomico, ma diverso peso atomico
Perché gli isotopi sono radioattivi e
cos’è la radioattività?
Abbiamo visto che ogni elemento chimico è
caratterizzato da 2 numeri:
1. numero atomico
2. peso atomico
Uno stesso elemento chimico può avere più
isotopi, ovvero per ogni elemento chimico
esiste una famiglia con tanti fratelli più o
meno “pesanti”
Cerchiamo di chiarirci con l’atomo
di ossigeno!
Abbiamo detto che l’ossigeno ha di solito
questi 2 numeri:
16
O
8
Mi dice di che
sostanza si tratta
(numero di protoni)
Mi dice quanto pesa, ovvero sottraendo il
numero atomico (numero di protoni) vedo
quanti neutroni contiene
.. ma nella sua “famiglia” ci
sono anche i suoi “fratelli” 8O17 8O18 8O19
che sono sicuramente più pesanti di lui !!
Gli isotopi dell’ossigeno
In particolare il fratello (isotopo) 8O19 tenderà
a “calare di peso” facendo una dieta molto
particolare: il decadimento radioattivo
ovvero rilasciando energia per ridurre la
massa (peso atomico)
19
O
8
18 + β
O
8
Si tratta di un
elettrone
Quanti sono i tipi di decadimento?
Esistono tre tipi di decadimento:
α alfa (emette particelle)
γ gamma (radiazione pura)
β beta (emette elettroni)
Energia
crescente
Si usano tre lettere dell’alfabeto greco per
caratterizzarli
Ogni isotopo è radioattivo
In pratica ciascun isotopo rilascia energia e/o
massa per tornare al livello energetico più basso
e lo fa secondo tempi specifici per ogni
sostanza!
TEMPO DI DECADIMENTO:
… da pochi secondi a decine di migliaia di anni
… e questo è il problema delle
scorie nucleari!
Hanno tempi di decadimento anche molto
lunghi, per cui devo custodirle in luoghi
sicuri, in modo che non creino danno agli
esseri viventi anche delle generazioni future.
Ho sentito parlare della fusione
nucleare che non inquina,
è vero e … cos’è??
È “sorella” della fissione, solo che in questo caso
si ottiene energia facendo unire tra loro i nuclei di
due elementi a basso numero atomico
(sostanzialmente isotopi d’idrogeno).
Si tratta di riprodurre, in scala molto ridotta, quello
che avviene nelle stelle (sole compreso!)
Un esempio di fusione nucleare
È come realizzare un piccolo Sole
o meglio una piccola Stella
Alcune “piccole” controindicazioni
Per “accendere” la fusione sono necessarie
temperature di alcuni milioni di gradi
centigradi nella miscela, con enormi problemi
per il suo confinamento … altrimenti rischio di
fondere ogni cosa, visto che non esistono
materiali capaci di resistere a tali temperature !!
Inoltre ad oggi non siamo ancora riusciti a
mantenere le condizioni di “innesco” per tempi
sufficientemente lunghi (frazioni di secondo!)
Qualche altro “problemino” …
Il trizio, usato nelle reazioni di fusione
nucleare è altamente pericoloso per l’uomo,
per cui richiede notevole grado di attenzione
nella gestione e manipolazione.
Inoltre la reazione di fusione rilascia enormi
quantità di energia tanto elevate da non
essere, ad oggi facilmente sfruttabili.
Le 2 tecnologie a confronto
E la combustione che problemi crea?
Intanto cerchiamo di capire cos’è!
Si tratta di una reazione chimica (quindi a bassa
produzione energetica) con cui atomi di
carbonio (C) e/o di idrogeno (H), presenti negli
idrocarburi, si legano in molecole con
l’ossigeno creando ossidi e sviluppando calore:
C + 2 O = CO2 oppure 2 H + O = H2O
Anidride
carbonica
Vapore
acqueo
Il calore fa bollire l’acqua e produce
vapore che …..
… ma gli ossidi prodotti,
in particolare
l’anidride carbonica
sono responsabili
dell’effetto serra
ovvero del rischio di
progressivo innalzamento
delle temperature medie
del nostro pianeta.
E poi tra i prodotti della combustione non ci sono
solo anidride carbonica e vapore acqueo, ma
anche polveri e particolati, nocivi per il nostro
apparato respiratorio
.. e non è tutto!!
Il petrolio comporta rischi per l’ambiente
davvero gravi e pesanti (basti pensare
all’ultimo incidente del Golfo del Messico!)
e comunque, ci piaccia o no, le riserve
mondiali sono già in fase calante, il che
significa avere
davanti a noi altri 20
anni o poco più di “era
petrolifera” dopo di
che ….?!!?!
Scusa, ma … il fotovoltaico ..?!?
OK è vero abbiamo trascurato un’altra fonte
da cui possiamo attingere energia da
convertire in energia elettrica e … tra l’altro
si tratta di una fonte che non costa nulla è
totalmente gratuita: il sole!
Vediamo come funziona:
Il sole irradia la terra con radiazioni UV
(ultraviolette) IR (infrarosse) e nel campo
della luce visibile. La luce si trasmette
attraverso particolari particelle denominate
fotoni:
hanno un duplice comportamento di onde e
di particelle dotate però di massa nulla.
La potenza di tale irraggiamento è pari a
1000 W/m2
Fotovoltaico: ovvero elettricità dalla
radiazione luminosa
Esistono dei materiali particolari che quando
vengono colpiti dalla luce emettono elettricità
(materiali
fotoelettrici)
Il silicio
.. il più famoso di questi è il silicio che peraltro viene
impiegato in maniera massiccia anche dall’industria
elettronica per la produzione dei microchip (PC,
telefonini, apparecchi digitali, ecc.).
Il silicio da impiegare per gli impianti fotovoltaici deve
avere un grado di purezza solo di poco inferiore ad 1 e
ciò comporta costi di produzione assai elevati!
In attesa di nuovi materiali fotovoltaici che siano
effettivamente competitivi con il silicio … dobbiamo
accontentarci di quello che c’è!!
Ma allora … è tutto gratis?
SI e NO!
Certo il sole non ci chiede di pagare
alcunché per l’energia che ci trasmette
tutti i giorni dell’anno, ma i sistemi e le
tecnologie per poterla sfruttare costano,
e ad oggi hanno rendimenti molto bassi
e quindi ……
Il fotovoltaico “domestico”
L’indipendenza energetica
Un’abitazione monofamiliare, un condominio,
un’azienda, un centro commerciale, possono
investire in un impianto fotovoltaico soprattutto
sfruttando gli incentivi e i finanziamenti che lo
Stato mette a disposizione, puntando alla
propria indipendenza energetica elettrica.
Certo con il fotovoltaico non si può pensare di
risolvere i problemi energetici dell’Italia!
Facciamo un confronto …
Petrolio
PRO
CONTRO
È una tecnologia matura e quindi
disponibile su ampia scala
Le riserve mondiali sono ormai in
via di esaurimento
Si trasporta facilmente anche su
grandi distanze (oleodotti)
L’estrazione comporta ormai rischi
ambientali sempre più gravi
In caso di guasto in centrale basta Contribuisce in maniera
spegnere la caldaia per fermarla
determinante all’effetto serra
È la causa principale
dell’inquinamento atmosferico
La sua disponibilità è nelle mani
di pochi paesi (costo elevato)
… continuiamo il confronto …
Nucleare
PRO
CONTRO
È una tecnologia che non produce Produce scorie molto pericolose
alcun inquinamento “diretto”
che vanno gestite con cautela
L’uranio si trasporta facilmente e Il tempo di decadimento di alcune
si possono fare scorte “importanti” scorie dura oltre 10.000 anni
Si può concentrare molta potenza In caso d’incidente non basta
in pochi impianti
spegnere l’impianto
1 carico di combustibile alimenta
la centrale per quasi 2 anni
È una tecnologia da gestire con la
massima efficienza
La sua disponibilità è nelle mani
di molti paesi (minor costo)
In casi estremi (Chernobyl) può
causare un’esplosione nucleare
.. concludiamo il confronto !
Fotovoltaico
PRO
CONTRO
La fonte energetica di
alimentazione (sole) è gratuita
È una tecnologia non ancora
matura con costi molto elevati
È un’energia disponibile per tutti
anche per i paesi poveri
È una tecnologia con bassa
efficienza complessiva
Garantisce energia elettrica
anche in abitazioni isolate o isole
In caso di cielo nuvoloso non
produce nulla
Presenta bassi costi
d’installazione e semplicità d’uso
Richiede continua manutenzione
per non ridurre il rendimento
Si adatta perfettamente
all’autoproduzione “domestica”
Non si presta alla realizzazione di
grandi impianti
Meglio il nucleare o il petrolio o
ancora il fotovoltaico?
Ognuno dia a tale domanda la risposta che sente più
“giusta” ricordandosi che:
“Il progresso ha permesso all’uomo di migliorare la
qualità della propria vita, in tutti i settori, ma al tempo
stesso gli richiede ogni giorno di immolare al suo
altare parti importanti di quella stessa vita.
È meglio vivere con l’aria pulita
e la casa fredda o…”
Grazie per la vostra attenzione!