I nuclei e la loro energia
Cosa è l’energia …..
..... e cosa dovremmo sapere (in un’altra occasione)
Le forze e le energie
Atomi e nuclei
L’energia dei e dai nuclei
Come funziona un reattore nucleare
A seguire:
•Perché il problema energetico italiano e mondiale non può
essere risolto dalla energia nucleare
Perché l’energia nucleare non può essere una risorsa per il
futuro
Invece si può .....
Energia: “s.f. 1. vigore fisico, forza dei nervi e dei muscoli 2. vigore
spirituale, fermezza di carattere 3. efficiacia 4.(fis.) grandezza fisica
esprimente la capacità di un sistema di sviluppare lavoro. (Dizionario
Garzanti della lingua italiana)
Cosa è una “grandezza fisica”? cosa è, nel linguaggio scientifico, il
“lavoro”?
non userò un linguaggio scientifico rigoroso ....
...... cercando di essere ugualmente corretto nella presentazione dei
concetti
L’energia è un concetto legato al movimento: diciamo che un corpo
possiede energia quando è in movimento attuale o è potenzialmente in
grado di muoversi, se libero di farlo. Ad esempio: in un’automobile in
corsa l’energia è collegata alla massa dell’auto e alla sua velocità, in un
bacino di una centrale idroelettrica è collegata alla massa d’acqua che
può scendere a valle e al dislivello che coprirebbe scendendo.
La sua quantità (grandezza fisica) può essere misurata nelle diverse
forme con cui si presenta
L’energia-movimento ci interessa perché movimento vuol dire
possibilità di vita. Un universo senza movimento sarebbe un
mondo senza eventi, senza vita: senza movimento del sangue
nelle vene, senza alberi che crescono, senza materia che si
sposta per riprodursi.
Un’eterna fotografia.
Più energia-movimento abbiamo a disposizione
(anche a livello microscopico), più possibilità di
vita abbiamo.
Attenzione
Sul tema energia dovremmo sapere molte cose:
• in che senso “si conserva” (cioè non sparisce mai) ....
•.... ma anche perché “degrada”, cioè è sempre meno utilizzabile
• quali sono le fonti primarie, cioè le sorgenti da cui ottiene l’energia
• necessaria la vita sulla Terra e, in particolare, l’uomo dell’era
industrializzata
• in quali forme finali l’uomo le utilizza
• quali siano le forme più “nobili”, cioè meglio utilizzabili
• quali siano i limiti in quantità assolute, in efficienza di utilizzo e di
potenza (ad es.: quanta energia ogni giorno) per le diverse fonti
primarie
Forza: “s.f. 1. Vigore fisico, energia (sic!) 2. facoltà, capacità di resistere,
fortezza, potere 3.grandezza fisica tendente a modificare lo stato di quiete o di
moto di ogni corpo su cui agisce. 4. .......... 7. .....” (Dizionario Garzanti della
lingua italiana)
Ci accontentiamo di usare il vocabolo nel significato indicato al punto 3: come
“causa” di movimento, un concetto, quindi, strettamente collegato a quello di
energia.
In natura ci sono 4 tipi di forze:
 La forza di gravità che si esercita tra tutti i corpi
È la forza principale responsabile dei moti dei corpi celesti o della caduta dei
corpi verso il centro della Terra (forza peso).
A livello atomico o nucleare, questa forza è tanto debole da poter essere
solitamente trascurata.
 La forza elettromagnetica che si esercita tra corpi dotati di carica elettrica; è
quella responsabile della struttura atomica e, in senso lato, delle strutture che si
realizzano nel mondo microscopico.
 La forza detta “interazione debole”, che regola i decadimenti radioattivi .
La trascuriamo del tutto perché non interessa il tema.
 La forza detta “interazione forte” che si esercita tra le particelle costituenti il
nucleo (protoni e neutroni)
L’intensità della forza dipende dalla distanza:
per le forze gravitazionale ed elettrica, vale la proporzionalità
inversa con il quadrato della distanza
per l’interazione forte, possiamo, in prima approssimazione,
considerare la proporzionalità inversa con la sesta potenza della
distanza
se la distanza raddoppia----->
forze gravitazionale ed elettrica: la forza si riduce a un quarto
interazione forte:
la forza si riduce a un sessantaquattresimo
se la distanza decuplica ----->
forze gravitazionale ed elettrica: la forza si riduce a un centesimo
interazione forte:
la forza si riduce a un milionesimo
Atomi
• Al centro un nucleo composto
d neutroni (elettricamente
neutri) e protoni
(elettricamente positivi)
• Ci limitiamo a modelli ottenuti
come riduzione in scala della
nostra immaginazione
macroscopica
• La forza elettrica lega gli
elettroni ai nuclei, similmente
alla forza di gravità che lega la
Terra al Sole
• Il numero degli elettroni è
uguale a quello dei protoni --->
l’atomo è elettricamente neutro
Protoni e neutroni hanno massa praticamente uguale, 1836
volte maggiore di quella degli elettroni ----->
la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo.
L’atomo è piccolo, il nucleo molto di più:
“raggio” atomico (ordine di grandezza): 10-10 metri
(un decimo di miliardesimo)
“raggio” nucleare (ordine di grandezza): 10-14 metri
(un centomillesimo di miliardesimo)
-----> come una moneta da 10 centesimi
al centro di un campo di calcio.
Perché non esistono nuclei grossi come ciliege?
Proviamo, con la fantasia, a costruire i nuclei:
-con un protone facciamo il nucleo più piccolo: idrogeno
-se aggiungiamo uno o due neutroni facciamo altri due
isotopi dell’idrogeno (stesse proprietà chimiche, nucleo di
peso e proprietà diverse): deuterio e trizio
-se aggiungiamo ancora un protone facciamo il nucleo di elio
(due protoni e due neutroni)
-se aggiungiamo altri protoni e neutroni facciamo tutti gli altri
nuclei sino a che ….
-…. le distanze tra nucleoni sono tali che la interazione forte
attrattiva diventa più debole della repulsione elettrica
- i nuclei con più di 82 protoni sono allora instabili, mentre in
natura non esistono nuclei con più di 92 protoni
Il nucleo naturale più pesante è l’uranio 238 ( 23892 U : 238
nucleoni di cui 92 protoni e 146 neutroni)
I nuclei instabili (radioattivi) emettono particelle ed energia
- raggi : nucleo di elio, due protoni e due neutroni
- raggi -: un elettrone
- raggi : energia sotto forma di onda elettromagnetica
Nelle rocce e nell’aria si trovano nuclei radioattivi. Con altre
radiazioni provenienti dallo spazio costituiscono il “fondo”
radioattivo naturale
Una dose superiore può provocare danni diversi gli esseri
viventi
(lascio a un’altra esposizione questo tema)
Energia dai nuclei
• l’energia di legame
varia al variare del
numero di nucleoni
presenti nel nucleo
• possiamo rompere
un nucleo pesante
in due parti
(fissione) o unire
due nuclei leggeri
in un solo nucleo
(fusione)
• in entrambi i casi
aumenta l’energia
di legame
Immaginiamo delle biglie in una buca nella sabbia:
se la buca diviene più profonda le biglie scendono, e aumenta
l’energia di legame mentre, scendendo, le biglie perdono la
loro energia.
Similmente, aumentando la loro energia di legame dei
nucleoni, si perde energia entro il nucleo
L’energia persa dal nucleo non sparisce (conservazione
dell’energia): si trova quindi fuori dal nucleo.
La fusione è il fenomeno che da energia alle stelle o che si
libera nella cosiddetta “bomba H”. Non si è ancora riusciti a
svilupparla in modo controllato.
La fissione è il fenomeno che da l’energia della “bomba
atomica” (quelle usata contro il Giappone) e da energia dei
reattori nucleari. Ci occupiamo di quest’ultima
Energia dalla fissione - 1
• Le sfere rappresentano i
nucleoni
• Le molle compresse
rappresentano le forze
repulsive elettriche tra i protoni
• I fili tesi rappresentano le forze
attrattive tra i nucleoni
• Con poca energia posso
tagliare i fili: allora le molle
fanno “esplodere” il sistema
liberando una grande quantità
di energia
Energia da fissione - 2
Le sfere rappresentano i
nucleoni, prigionieri in un
cratere in cima a un rilievo.
Il proiettile lanciato verso il
rilievo può raggiunge le
sfere, urtarle e farle uscire
dal cratere.
In queste caso le sfere renderanno l’energia
assorbita per superare il bordo del cratere, ma
non solo: acquisteranno anche l’energia (molto
maggiore) guadagnata scendendo dal rilievo.
Fissione
Reazione a catena
La fissione produce due nuclei (radioattivi) e due/tre neutroni
“veloci”, cioè molto energetici (oltre a raggi  e neutrini)
Questi, diffondendosi nella materia, possono urtare altri nuclei
fissili e dare altre fissioni; aumentando enormemente il numero
delle fissioni (reazione a catena).
L’unico isotopo fissile utilizzato è l’ uranio 235 (23592 U)
Se la reazione a catena si sviluppa senza controllo si ha la
“bomba atomica”
I neutroni si possono perdere perché
- vengono catturati da nuclei non fissili
-escono dal volume contente il materiale fissile
Poiché i neutroni prodotti da una fissione si possono perdere,
per sviluppare la reazione a catena è necessaria una “massa
critica” di materiale fissile, ma …..
…..l’uranio è composto
per il 99,28 % da 23892 U non fissile (solo una minima probabilità per neutroni veloci)
per lo 0,71% da 23592 U fissile
per lo 0,01% da 23492 U (che trascuriamo)
Per raggiungere la massa critica in un reattore è necessario
aumentare artificialmente, con un processo tecnologico
complesso e costoso, di circa 4 volte la percentuale di uranio
235 U.
92
Otteniamo così l’ “uranio arricchito”.
Il residuo con percentualmente meno uranio fissile è l’“uranio
impoverito”, che ha diversi usi, compreso quello militare, per
alcune sue eccezionali proprietà meccaniche.
Ciclo dei neutroni in un
reattore a regime
Giriamo in senso orario, partendo dal
vertice in basso a sinistra
N0 : numero iniziale di neutroni veloci
prodotti da fissione
• Lll
N > N : numero di neutroni veloci dopo
Llll (poco probabile) dell’uranio
la• fissione
1
0
238
N2 < N0 : numero di neutroni lenti, dopo
le perdite per fuga o assorbimento d
parte dell’uranio 238
N3 < N2 <N0 : numero di neutroni che
danno fissione sull’uranio 235, dopo
le perdite per fuga e assorbimento
da parte del moderatore e delle
barre di regolazione.
N4 = 2,6 * N3 = N0 (a regime) : numero
di neutroni veloci ottenuti dalle N3
fissioni
Il ciclo dell’uranio
Il materiale “esaurito” estratto dal reattore costituisce le cosiddette “scorie”,
contenenti i prodotti della fissione, radioattivi.
Le loro emissioni possono dare una radioattività nell’ambiente
incomparabilmente maggiore rispetto al fondo naturale, con gravi rischi per
la vita.
I nuclei radioattivi possono esaurire la loro attività in tempi estremamente
variabile, da frazioni di secondo a miliardi di anni. Ad esempio dimezzano la
loro attività:
Xenon 135
in 9,1 ore
Iodio 131
in 8 giorni
Cesio 137
in 30 anni
Plutonio 239
in 24.000 anni
I fenomeni radioattivi sono indipendenti da qualsiasi trattamento meccanico
e chimico: ciò significa che le scorie saranno inevitabilmente attive e
pericolose per tempi “infiniti” rispetto alla storia umana.
L’unica possibilità è stoccarle in luogo ritenuto sicuro. Ma sinora …..
Una bella idea
(che non funziona)
L’ 23892 U (che costituisce la gran parte dell’uranio) non è fissile; invece può
catturare un neutrone, subire alcune trasformazioni e diventare un elemento
artificiale più pesante dell’uranio: il plutonio 23994Pu
Il plutonio è fortemente radioattivo e per molto tempo (dimezza la sua attività
in 24.000 anni ); ma è anche fissile e può essere utilizzato in un reattore.
Ecco la bella idea: facciamo un reattore “autofertilizzante” (breeder) nel
quale si produce plutonio dall’ 23892U, moltiplicando così di alcune decine di
volte la quantità del materiale disponibile.
Il difetto: l’unico reattore autofertilizzante, costruito in Francia
(SuperPhoenix), dopo anni di cattivo funzionamento, ingenti capitali investiti
e problemi tecnici irrisolti, è stato definitivamente chiuso nel 2003.