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Reazioni nucleari

26 febbraio 2010

Proseguiamo con la serie sul molto piccolo con un argomento molto discusso, in questo periodo in particolare, ma poco compreso: le reazioni che avvengono, naturalmente o stimolate artificialmente, a livello del nucleo degli atomi.

Dopo aver visto nelle puntate precedenti cosa sia l’atomo e di cosa sia composto il suo nucleo, vediamo ora come sia possibile sfruttare quest’ultimo per ottenere effetti interessanti (nel senso piu’ neutro del termine). Vi sono diverse reazioni nucleari possibili, come vi direbbero gli esperti della materia, ma qui ci limiteremo a discutere, senza pretesa di completezza, dei due piu’ noti ma non per questo meglio compresi dal grande pubblico: la fissione e la fusione.

A chi gia’ conosca almeno superficialmente il termine, fissione nucleare evoca visioni catastrofiche: Hiroshima, Nagasaki, Chernobyl, Three Mile Island e altre ancora. Ancora, puo’ richiamare alla mente l’immagine di alte torri di raffreddamento dalla forma caratteristica e suggerire i nomi di Caorso, Latina, Garigliano e Trino Vercellese.

Ma cos’e’ la fissione nucleare? Si tratta della “rottura” del nucleo di un atomo che si trasforma, di conseguenza, in prodotti diversi di massa atomica inferiore a quella dell’atomo originario. I risultati di questo processo sono, di solito, atomi di massa atomica minore, particelle subatomiche ed energia. Elementi di massa atomica sufficientemente elevata, come ad esempio l’uranio 235, tendono a scindersi in due elementi piu’ leggeri e ad emettere neutroni ed energia.

Se prendessimo un atomo di un elemento adatto, ad esempio l’uranio-235, lo sottoponessimo a fissione e poi misurassimo la massa di cio’ che rimane (cioe’ “pesassimo” i cocci) ci accorgeremmo che la somma delle masse sarebbe leggermente inferiore a quella originaria! Dov’e’ finita la materia mancante? Una famosissima legge della fisica ci dice che nulla si crea e nulla si distrugge, quindi non puo’ essere semplicemente sparita. In effetti si e’ trasformata in energia, quell’energia per cui le reazioni di fissione nucleare sono interessanti. Ora, la massa mancante e’ una parte molto piccola del totale, come mai allora le centrali nucleari, per esempio, producono cosi’ tanta energia? Il “trucco” si trova nella formula matematica che lega la massa e l’energia, quella formula nota come equazione di Einstein (come se nella sua vita non avesse scoperto altro): E=mc2. Questa formula ci dice che l’energia prodotta (E) e’ pari alla massa che viene “persa” (m) moltiplicata per la velocita’ della luce (c) elevata al quadrato. Siccome la velocita’ della luce ha un valore elevatissimo (~300000 chilometri al secondo), anche quantita’ minuscole di massa possono generare energie’ enormi! In effetti la massa “mancante” alla fine, non viene realmente trasformata in energia, ma per la nostra spiegazione questa immagine puo’ andare bene ;-) Il risultato e’ che ogni volta che un atomo di un materiale fissile viene spezzato, rilascia una quantita’ di energia elevatissima, principalmente sotto forma di calore. In confronto un combustibile o un esplosivo chimico generano circa 10 milioni di volte meno energia.

Normalmente un atomo, per quanto instabile, non tende a spaccarsi spontaneamente (succede ma e’ molto raro), quindi per gli scopi umani (piu’ o meno nobili) questo deve essere convinto a rompersi, e questo avviene comunemente sparandogli contro un neutrone. Ovviamente non si ha mai un atomo e un neutrone, altrimenti prima di riuscire a fare centro ne passerebbe del tempo, senza parlare della difficolta’ di ottenere esattamente un neutrone e un atomo. Quindi avremo una certa massa di un materiale adatto, magari uranio o plutonio, e un certo numero di neutroni sparati in direzione di questa massa. Quando un neutrone si scontra con un nucleo avviene la fissione, si generano due nuclei piu’ piccoli, si genera calore e, tra le altre cose, vengono “sparati” altri neutroni in direzioni casuali. Se uno o piu’ di questi neutroni si scontrano con altri nuclei di combustibile nucleare, genereranno un’altra reazione e cosi’ via: e’ quella che si dice reazione a catena. Quando non e’ necessario sparare altri neutroni dall’esterno per fare in modo che la reazione continui, si dice che la reazione si autosostiene. In una centrale elettronucleare questa reazione e’ controllata per evitare che diventi critica e scappi di mano, portando ad un’esplosione.

Se tutto si fermasse qui, si avrebbe la panacea energetica: basterebbe stare attenti che il nostro combustibile non decida di fare di testa sua e tutto andrebbe bene. Sfortunatamente i due atomi piu’ leggeri prodotti dalla rottura di quello iniziale, tendono a loro volta ad essere instabili. La natura non ama le cose instabili e cerca sempre una soluzione per sistemarle, in questo caso gli atomi prodotti dalla fissione cercano di stabilizzarsi emettendo radiazioni, sono, cioe’, radioattivi e le radiazioni che emettono sono dannose per la salute. Fatto poco noto: i materiali piu’ usati come combustibili nucleari, cioe’ uranio-235 e plutonio-239 (per una spiegazione sulla nomenclatura, potete guardare il mio precedente articolo), non sono particolarmente radioattivi perche’ i loro decadimenti, ovvero l’emissione di radiazione e la loro trasformazione in isotopi (di nuovo, vedere precedente articolo) stabili avviene in tempi cosi’ lunghi che emettono poca radiazione e sono pericolosi solo se stiamo a loro contatto per lunghi periodi. Le scorie della fissione invece decadono piu’ in fretta emettendo molta radiazione in poco tempo. Ci sono diversi tipi di radiazione, piu’ o meno pericolosi, ma questo esula dallo scopo di questo post.

Ok, mi sto dilungando troppo… passiamo alla Fusione!

La fusione nucleare e’ l’opposto della fissione: due nuclei atomici vengono fusi insieme per crearne un terzo, piu’ pesante che e’ la somma dei due. Di nuovo, la differenza in massa tra i nuclei iniziali e il prodotto finale ci permette di stabilire quanta energia sia prodotta o assorbita. La fusione di nuclei di elementi leggeri (piu’ leggeri del ferro) produce energia, mentre la fusione di nuclei di elementi pesanti assorbe energia, quindi, contrariamente alla fissione, in questo caso dobbiamo usare elementi leggeri. L’elemento piu’ leggero e’ l’idrogeno, che ha un solo protone nel nucleo e quindi massa atomica 1. Ogni volta che facciamo fondere due nuclei di idrogeno (in realta’ dei suoi isotopi deuterio e trizio che contengono, rispettivamente uno e due neutroni) otteniamo un nucleo di elio (che ha due protoni nel nucleo) ed energia. L’energia che ricaviamo da questa fusione e’ circa 10 volte inferiore rispetto a quella della fissione di un atomo (ma sempre molto superiore a quella della combustione o di una esplosione chimica), ma, siccome usiamo elementi molto piu’ leggeri, a parita’ di peso dei combustibili, la fusione produce piu’ energia: cioe’, se avessimo un chilogrammo di uranio e un chilogrammo di idrogeno e li usassimo per le rispettive reazioni, la fusione dell’idrogeno produrrebbe molta piu’ energia. Fin qui buone notizie, ma e le scorie? E cosa succede se ci sfugge il controllo sulla reazione?

Il prodotto di fusione del combustibile migliore per la fusione, idrogeno, e’ elio-4, ovvero un isotopo non radioattivo di un gas inerte e non tossico. Le “scorie”, quindi, in questo caso non costituirebbero nessun problema. Il trizio, uno degli atomi utilizzati nella reazione di fusione, e’ leggermente radioattivo, ma siccome viene generato appositamente (in quantita’ ridotte) per la reazione a partire da idrogeno e si trasforma in elio, non si pone come pericolo per la salute.

E se ci sfuggisse il controllo della reazione? Se si dovesse bucare il reattore? Dovremmo aspettarci una catastrofe come quella tristemente famosa di Chernobyl? No. La fusione e’ infatti molto difficile da ottenere, perche’ quello che cerchiamo di fare e’ di avvicinare due nuclei di idrogeno, effettivamente due protoni, fino a farli “incollare”. Il fatto e’ che i protoni sono due cariche positive e avvicinandole otteniamo lo stesso effetto che abbiamo quando cerchiamo di avvicinare due poli uguali di una calamita: si respingono, tanto piu’ vigorosamente quanto piu’ sono vicini. Nel caso dei protoni, quando si avvicinano oltre una certa soglia smettono di respingersi e si legano tra loro, ma per raggiungere questo risultato bisogna avere condizioni molto ben definite. Se le cose si allontanano dalla condizione ideale, il reattore semplicemente si spegne. Certo, probabilmente il reattore stesso si danneggerebbe e nelle immediate vicinanze si avrebbero dei danni, ma nulla di particolarmente pericoloso.

Dov’e’ la fregatura? Come mai non abbiamo decine di centrali a fusione nucleare che ci forniscano energia pulita illimitata? Il problema e’ proprio nella difficolta’ di ottenere le condizioni necessarie perche’ la fusione si autosostenga e sia stabile. Queste condizioni richiedono temperature piu’ elevate di quelle che qualunque materiale possa sopportare, quindi bisogna trovare un modo per far si’ che la massa in fusione non venga a contatto con le pareti del reattore, ad esempio con forti magneti che creino una “palla” galleggiante caldissima. Tutti gli esperimenti che fin’ora sono riusciti ad ottenere la fusione, non sono riusciti a produrre piu’ energia di quella consumata. La ricerca, pero’, prosegue e al momento i due esperimenti piu’ avanzati sono l’ITER e quello della National Ignition Facility. Purtroppo, pero’, siamo ancora molto lontani dall’avere la possibilita’ di sfruttare le promesse di queste tecnologie.

E’ ironico che l’accesso alla tecnologia per la fusione nucleare sia cosi’ complesso, visto che questa e’ la forma di produzione di energia piu’ diffusa nell’universo! Tutte le stelle “normali”, infatti, vivono grazie alla fusione di idrogeno in elio, di elio in carbonio ecc. E’ cosi’ che gli elementi piu’ pesanti dell’idrogeno si sono formati. Quelli piu’ pesanti sono stati generati da grosse esplosioni stellari, le supernovae. A tutti gli effetti tutte le cose, noi compresi, sono fatte di polvere di stelle!

Nella prossima puntata, daro’ un’occhiata alle centrali a fissione nucleare e spieghero’ perche’, secondo me, non e’ una buona idea costruirle, per lo meno secondo i progetti attuali in Italia.

4 commenti leave one →
  1. Antonio permalink
    10 marzo 2011 13:41

    Davvero interessantissimo. Lei oltre ad essere una persona molto preparata, riesce anche a far comprendere cose all’apparenza così complesse ad una persona come me, che non ha nozioni complete di fisica. Sto provando a cercare il seguito, ma non lo trovo, mi farebbe davvero piacere leggerlo. Ancora complimenti.

    • 10 marzo 2011 21:45

      Buongiorno Antonio, grazie mille per i complimenti che non credo di meritare (ma che fanno sempre molto piacere). Purtroppo ultimamente ho potuto dedicare molto poco tempo alla scrittura quindi, nonostante abbia molte idee e molto materiale di cui vorrei scrivere, devo dare la priorità ad altro. Visto il suo interesse, vedrò di mettere in programma a breve anche un seguito per questo articolo.
      Grazie ancora, a presto!

  2. Alessia permalink
    16 marzo 2011 06:21

    Salve. Mi unisco ai complimenti di Antonio. In questi giorni non e’ possibile pensare ad altro (soprattutto dal momento che vivo in Cina). Gli interrogativi sono molti, soprattutto per una persona che come me non ha molte nozioni, soprattutto approfindite, di fisica. Attendo di leggere il seguito. Complimenti e grazie!

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