Energia nucleare e reazioni a catena
L'energia nucleare nasce ufficialmente alle 15 del 22 ottobre 1934 con gli
esperimenti portati avanti da un gruppo di scienziati italiani sotto la guida del
fisico Enrico Fermi. La fissione nucleare per la prima volta fu ottenuta
bombardando l'uranio con neutroni opportunamente rallentati con un blocco di
paraffina.
Il gruppo di fisici però non comprese correttamente ciò che era avvenuto ma
ritenne invece di aver prodotto degli elementi transuranici (con numero atomico
maggiore di 92).
Tra il 17 e il 18 dicembre 1938, due chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn ed il
suo assistente Fritz Strabmann, furono i primi a comprendere cosa era
accaduto:
l'impatto di un neutrone con un nucleo di uranio 235 causa la “rottura” del
nucleo di uranio in due o più frammenti assieme al rilascio di una quantità
considerevole di energia.
Fu subito chiaro ai fisici che si poteva usare questo processo per produrre
energia o degli ordigni nucleari.
Enrico Fermi e il progetto Manhattan
Albert Einstein, altro fisico tedesco emigrato negli USA, il 2 agosto 1939,
indirizzò una lettera al presidente Roosevelt con la quale lo informava della
possibilità di costruire un nuovo tipo di bomba basata sulla fissione nucleare.
Il 18 dicembre 1938 Fermi si reca a Stoccolma per ritirare il premio Nobel per
la fisica e non rientrò in Italia a causa delle leggi razziali emanate tra
settembre 1938 e giugno 1939 (sua moglie era ebrea) ed emigrò negli Stati
Uniti d'America, così come gran parte delle personalità della fisica europea.
A Fermi fu affidata la direzione della realizzazione del primo reattore nucleare,
conosciuto come Chicago Pile-1, che entrò in funzione il 2 dicembre 1942.
Famosa rimane la frase in codice con la quale fu comunicata alle autorità il
successo dell'esperimento: «Il navigatore italiano ha raggiunto il nuovo mondo»
parafrasando la scoperta dell'America da parte di Cristoforo Colombo.
Con l'ingresso in guerra degli Stati Uniti nel dicembre del 1941, prese avvio il
programma nucleare denominato "Progetto Manhattan“ che portò anche alla
costruzione di alcuni reattori allo scopo di produrre plutonio da utilizzare per le
prime armi nucleari.
Little boy, Fat man e la II
guerra mondiale
La task-force americana riuscì per prima ad utilizzare il processo di fissione
nella costruzione di una bomba atomica.
Il 6 agosto 1945 la prima bomba atomica, "Little Boy", fu lanciata sulla città
giapponese di Hiroshima seguita tre giorni dopo dal lancio di un’altra, "Fat
Man", su Nagasaki causando la morte di migliaia di civili in entrambe le città
ma anche la fine della seconda guerra mondiale.
Negli anni '50 gli studi militari sull'energia nucleare furono portati avanti
anche sul piano civile per la realizzazione dei primi reattori nucleari da
utilizzare per le centrali nucleari.
Nel 1954 il presidente degli Stati Uniti, Eisenhower, approvò ufficialmente il
progetto "Atom for Peace" al fine di agevolare l'introduzione dell'energia
nucleare per usi civili e per la produzione di energia elettrica. La prima
centrale elettrica con reattore nucleare fu realizzato nel 1955 nello Stato
dell'Idaho.
Enola
Gay
è il nome della
madre del pilota,
Paul Tibbets.
Enola Gay è il nome del bombardiere B-29 Superfortress che il 6 agosto
1945, poco prima del termine della seconda guerra mondiale, sganciò
sulla città giapponese di Hiroshima la prima bomba atomica della storia
ad essere stata utilizzata in guerra, soprannominata Little Boy
Detonazione a proiettile
300 cm di lunghezza, 71 cm di
diametro e pesava 4.400 kg
Detonazione a proiettile.
1. Esplosivo convenzionale
2. Canna
3. Proiettile di uranio
4. Obiettivo
LITTLE BOY
Ha un'efficienza molto scarsa.
Little Boy conteneva circa 64 kg di Uranio
(Densità = 19 kg/dm3 , Volume = 64/19= 3,4 dm3, cubo con s =1,5 dm)
Peso = 4400 kg
Dimensioni 3m x 0,74m
Rendimento = 12500 t di Tritolo
Hiroshima, ore 8:16, 6 agosto 1945
Detonazione ad implosione
FAT MAN
1. Esplosivo ad alto
potenziale;
2. Esplosivo a basso
potenziale;
3. Intelaiatura;
4. Iniziatori a neutroni;
5. Nucleo di plutonio;
6. Onda d'urto sferica di
compressione del nucleo.
Il nocciolo è una sfera cava con quasi 7 kg di plutonio 239, N. A. = 94
(Densità = 19,8 kg/dm3 , V= 7/19,8 = 0,35 dm3 , cubo di s = 0,7 dm) .
La bomba di Nagasaki aveva un'efficienza intorno al 15% (in pratica
poco più di 1 kg di uranio partecipò alla fissione).
Peso = 4900 kg
Dimensioni 3,25 m x 1,52 m
Rendimento = 21000 t di Tritolo
La bomba esplose a un'altezza di 550 metri e sviluppò una potenza di 25
chilotoni, una potenza dunque molto più elevata di quella della bomba "Little
Boy" ma dato che Nagasaki, circa 170.000 abitanti, era costruita su un terreno
collinoso, il numero di morti fu inferiore a quelli prodotti dalla prima bomba.
Tra le 20 000 e le 39 000 persone perirono all'istante per l'esplosione e si
stima che circa 25 000 furono i feriti. Molte migliaia di persone, inoltre,
morirono in seguito per le radiazioni.
Perché “il fungo”?
La forma a fungo è dovuta al fatto che l’aria,
scaldata dall’esplosione, sale trascinando
fumo, polvere e detriti (che la rendono
visibile).
Poi, la sommità della colonna si raffredda a
tende a tornare giù dai lati aprendosi appunto
a fungo, in quanto il centro della colonna
rimane più caldo della periferia.
Accade in tutti i tipi di esplosione.
Effetti esplosione
Gli effetti delle esplosioni nucleari nella troposfera si
dividono in quattro categorie, sulla base dell'energia
che si sviluppa per ognuno di essi:
• Esplosione o blast: 40-50% dell'energia totale;
• Irraggiamento termico: 30-50% dell'energia totale;
• Radiazioni ionizzanti: 5% dell'energia totale;
• Radiazione residua o fallout: 5-10% dell'energia totale.
Arricchimento uranio
In natura esistono due tipi di uranio, l'isotopo 238 e il 235. L'uranio 238 è
quello più abbondante mentre l'uranio 235 è molto raro. Soltanto
quest'ultimo può essere utilizzato nei reattori nucleari a fissione.
Il processo di arricchimento dell'uranio consente di ottenere una maggiore
quantità di materiale utilizzabile per le centrali da un miscuglio di uranio 235
e 238. Il processo per arricchire l'uranio è svolto da un'attrezzatura
piuttosto complessa e costosa. Il miscuglio di uranio 235 e 238 viene
trasformato allo stato gassoso e introdotto in una centrifuga sotto vuoto.
La 'centrifuga' consente la 'separazione' dell'uranio 238, più pesante,
dall'uranio 235: il miscuglio arricchito di uranio 235 resta al centro della
centrifuga, viene recuperato e sottoposto ad altre centrifughe. Il materiale
ai bordi delle centrifughe, in cui abbonda l’uranio 238 viene eliminato.
Al termine del processo l'uranio gassoso è trasformato in pastiglie.
L'uranio 235 al 3-7% è destinato all'utilizzo come combustibile delle centrali
nucleari, l'uranio 235 al 80% è invece utilizzato per fini militari, in particolar
modo per la costruzione delle bombe atomiche.
Cascata di centrifughe in un
complesso di arricchimento
statunitense
U-235
URANIO
ARRICCHITO
U-238
Principio di funzionamento
una centrifuga a gas
Centrifughe
U  n Kr  Ba  3n  energia
235
92
92
36
141
56
NEUTRONE
ATOMO
CRIPTON
NEUTRONE
NEUTRONE
ATOMO
URANIO
ATOMO
BARIO
NEUTRONE
La “tipica” fissione nucleare
L’atomo di uranio si frantuma in due atomi più piccoli (cripton e bario) e tre
neutroni liberi.
1.Protoni + neutroni = 236 prima e dopo la reazione, la massa totale finale è
minore di quella iniziale
2.La massa mancante si trasforma in energia secondo la formula di Einstein:
E=m▪c2 (m= massa mancante, c=velocità dellla luce).
Schema reattore
250 °C
50 atm
300 °C
150 atm
P2: Circuito
secondario: non
radioattivo
B = generatore di vapore.
T = turbina accoppiata con
generatore
G = generatore di corrente alternata
(produce l’elettricità che viene poi
immessa in rete).
K = condensatore (il vapore torna
allo stato liquido)
P2 = pompa del circuito
secondario(rimette nel ciclo l’acqua)
P1:Circuito primario: radioattivo
C = barre di combustibile (Ossido di uranio arricchito).
M = moderatore( acqua: rallenta i neutroni e serve anche come refrigerante sottraendo calore per convenzione al
nocciolo caldo).
D = barre di controllo (regolano il flusso di neutroni assorbendoli. In genere a base di cadmio o boro).
V = recipiente in pressione con pareti ricoperte con materiali che limitino la corrosione (in genere acciaio inossidabile
di spessore di 5 mm).
P1 = pompa del circuito primario (permette la circolazione dell’acqua nel circuito primario: quest’acqua entra in
contatto con la parte radioattiva della centrale)
Schema
nocciolo
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Contenitore reattore
Schermo (calcestruzzo)
Combustibile ( U235, Pu239)
Moderatore(acqua pesante, grafite, ..)
Refrigerante (acqua)
Riflettore di neutroni (berillo, grafite)
Barre di controllo (Cadmio, boro, …)
Barra di sicurezza (assorbitore di
neutroni)
Pastiglie di Uranio
preparate in forma di
cilindro retto (o quasi),
con altezze e diametri
di circa 1-1,5 cm: 1 g di
uranio fornisce la
stessa energia che si
ottiene con la
combustione di 1500
kg di combustibile
fossile.
Gli elementi
combustibili
Il nocciolo viene, in un Pwr, assemblato con elementi in cui
si trovano dei gruppi, in genere 17 X 17 barre, in ognuna
delle quali vengono infilate le pastiglie di Uranio e impilate in
recipienti rigidi fatti di una lega di zirconio, della lunghezza
di circa 3 metri e mezzo.
Vengono montate negli elementi, lasciando qualche spazio
vuoto per le barre di controllo.
Per fare un nocciolo completo servono circa 150 di questi
elementi.
Le trasformazioni energetiche
3
4
2
1
Dove avviene la
trasformazione
1. Nocciolo
2. Reattore
3. Turbina
4. Generatore
(Alternatore)
Cosa avviene
Fissione
uranio
Refrigerante si
scalda
Inizia a
ruotare
Induce corrente
(flusso elettroni)
Tipo
Energia
nucleare
Energia
termica
Energia
cinetica
Energia elettrica
Rotore di una centrale
È un grande elettromagnete: genera un campo magnetico di forza
straordinaria capace di mettere in movimento una quantità enorme di
elettroni quando ruota all’interno dello statore.
Dalla centrale alla distribuzione
Centrale nucleare
Confronto
tra centrali
Centrale termoelettrica
Quali sono i vantaggi del nucleare? (pag. 185 vol. A)
•Le centrali nucleari non emettono anidride carbonica ed ossidi di azoto e di
zolfo, principali cause del buco dell’ozono e
•Permette di ridurre l’importazione di petrolio.
E gli svantaggi?
Vantaggi e
svantaggi
•I prodotti della reazione di fissione e delle altre reazioni dei neutroni con i
materiali che costituiscono in nocciolo, sono altamente radioattivi;
•I materiali radioattivi e alcune parti della centrale, sottoposti ad
irraggiamento, come il nocciolo, devono essere trattati con tecniche particolari
e una parte di esse immagazzinata in siti geologici profondi (depositi
permanenti).
Anche se i volumi di materiali da isolare sono relativamente modesti (1 g di
uranio fornisce la stessa energia che si ottiene con la combustione di 1500 kg di
combustibili fossili) si tratta di rifiuti altamente pericolosi.
Attualmente le centrali nucleari a fissione producono circa il 18% dell'energia
elettrica mondiale.