Energia nucleare - Classi 3^

Buongiorno ragazzi, oggi parleremo di energia nucleare.

Quando abbiamo iniziato il nostro percorso di studio sulle energie, abbiamo detto che l'energia nucleare è una delle poche forme di energia che non derivano direttamente dal sole. Infatti, essa deriva da profonde modificazioni della struttura della materia. La materia può trasformarsi in energia secondo la legge della relatività di Einstein, che, come vediamo qui nella formula, dice che l'energia è uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato. Cosa significa? Che con un valore di massa molto piccolo, moltiplicato per un numero invece molto grande che è la velocità della luce al quadrato, possiamo ricavare una quantità di energia elevatissima.

Fu Enrico Fermi, scienziato italiano, a scoprire la reazione di fissione nucleare, una reazione a catena, scusate, mediante cui una piccolissima parte della materia si trasforma in energia. Ma andiamo al dunque. Due sono i processi che possono produrre energia nucleare. Abbiamo il primo che è appunto quella della fissione nucleare, che attraverso il quale riusciamo a generare energia partendo dalla disintegrazione del nucleo di alcuni atomi di elementi fissili, per mezzo di neutroni che lo spezzano in due nuclei più leggeri. Durante questo processo, una parte della materia si trasforma in energia e in alcuni casi si liberano anche altri neutroni che colpiscono a loro volta i nuclei prodotti. Si innesca così una reazione a catena. Dal disegno riusciamo a capire meglio. Abbiamo quindi un atomo, vedremo più avanti perché, di uranio 235, che viene bombardato con un neutrone e si spezza in altri due atomi più piccoli. Tuttavia, la somma del peso di questi due atomi è inferiore a quello dell'atomo iniziale, perché una parte di materia si è trasformata in energia. Importantissimo, questa è una reazione che può essere controllata dall'uomo.

Il secondo metodo attraverso il quale si può generare energia nucleare è la fusione nucleare, cioè l'opposto, diciamo, di quello che abbiamo detto prima. È l'unione di nuclei di atomi leggeri per formare nuclei più pesanti. Tuttavia, vediamo dal disegno, il nucleo più pesante che si crea non è mai la somma dei nuclei degli altri due atomi. Pertanto, in questa reazione, una parte di materia si è trasformata in energia. La fusione nucleare, a differenza della fissione, non può essere controllata dall'uomo. Più avanti vedremo perché.

Adesso andiamo a studiare e ad analizzare meglio la fissione nucleare. Abbiamo detto che si parte da elementi fissili. Questo elemento fissile è l'uranio, nello specifico si utilizza l'isotopo di uranio 235. È un metallo bianco argenteo, tossico e radioattivo. Dove lo troviamo? Lo troviamo in giacimenti in profondità, ma anche in rocce granitiche. Ma comunque tracce di uranio sono presenti anche in altre rocce, nel suolo, nelle acque, a volte persino negli organismi viventi. Un piccolo approfondimento l'abbiamo fatto oggi in classe riguardo all'uranio impoverito, che è un uranio in cui la percentuale di 235 è stata artificialmente ridotta e trova applicazioni in campo militare. Abbiamo citato anche il caso, appunto, dei militari che sono, diciamo, morti o comunque si sono ammalati perché sono stati a contatto con questo tipo di elemento.

Quindi, abbiamo anche detto e sottolineato che la radioattività o decadimento radioattivo è un insieme di processi fisico-nucleari attraverso i quali alcuni nuclei atomici instabili decadono in un certo lasso di tempo che chiameremo tempo di decadimento. Decadono in nuclei di energia inferiore, raggiungendo uno stato di maggiore stabilità. Tutto questo, però, avviene con emissioni di radiazioni ionizzanti, e questo, appunto, è la cosa, diciamo, pericolosa e che dobbiamo tenere in considerazione. Ma, diciamo, anche questo lo approfondiremo più avanti.

Allora, la centrale elettronucleare. Come dicevamo, la centrale elettronucleare è una centrale che, partendo da energia nucleare, genera energia elettrica. Quali sono le fonti utilizzate? Principalmente l'uranio, uranio 235, ma anche il plutonio. Vediamo come funziona. A differenza di una centrale termonucleare, dove partendo da energia termica generata dai combustibili ricaviamo energia elettrica, in questo caso, al posto della caldaia, abbiamo un reattore, all'interno del quale avviene, appunto, la reazione nucleare. Cosa succede all'interno del reattore? Che cilindri girano, sono lambiti dall'acqua di un circuito primario che così si riscalda, ma non evapora perché viene tenuta sotto pressione. L'acqua scambia calore con un'altra acqua di un circuito secondario che, invece, questa si trasforma in vapore. Il vapore viene inviato alla turbina. L'energia cinetica del vapore si trasforma in energia meccanica di rotazione. A sua volta, la turbina è collegata all'alternatore, dove l'energia meccanica si trasforma in energia elettrica. Infine, il trasformatore immette corrente alla rete elettrica innalzandone la tensione.

Ma andiamo a vedere come funziona, ok, il reattore nucleare. Allora, vediamo che c'è una parte centrale che viene definita nocciolo, che è costituita da una serie di contenitori nei quali viene inserito l'uranio in forma di 10 ring retti. Questa è una fotografia all'interno della quale possiamo vedere come funziona il reattore. La presenza di questa scala ci fa capire quanto il reattore sia grande rispetto alle dimensioni di un essere umano. All'interno di questo reattore si innesca, in maniera controllata, ricordiamolo sempre, la reazione a catena. Durante il processo di fissione si sprigionano sostanze radioattive che sono capaci di danneggiare in modo grave i tessuti biologici. Per questo, le condizioni di sicurezza all'interno di un reattore di una centrale elettronucleare sono sempre elevatissime.

Allora, vediamo quali sono i vantaggi della centrale nucleare. Allora, non emette anidride carbonica e quindi non inquina l'atmosfera. Riduce la spesa per l'importazione di combustibili fossili. Non subisce, quindi, gli effetti dell'instabilità politica perché le riserve di uranio si trovano in diversi paesi. Ma vediamo gli svantaggi. Il costo di produzione e di gestione di una centrale è molto elevato. Procura gravi, gravissimi danni in caso di incidenti. I rifiuti, che vengono chiamati scorie, sono pericolosi per la vita umana ed esistono rischi rilevanti durante il trasporto di questo materiale nucleare.

Proprio in relazione a questi rischi, il dibattito attuale sull'utilizzo dell'energia nucleare, sulla realizzazione delle centrali, prende il nome di "questione nucleare" e lo approfondiamo. Allora, diciamo che lo sfruttamento dell'energia nucleare inizia negli anni cinquanta. Le nazioni più ricche al mondo producono energia elettrica da fonte nucleare, con l'unica eccezione dell'Italia, che comunque ne importa grandi quantità. Allora, vediamo che l'Italia, rispetto a questo schema, è una delle poche nazioni al mondo dove l'energia nucleare non è legale, proprio perché in passato ci fu un referendum. Il popolo italiano decise di non voler utilizzare, di non voler realizzare delle centrali nucleari nell'ambito del proprio territorio. Ma se vediamo la distribuzione geografica dei reattori in funzione, vediamo che l'Italia ha intorno a sé tantissimi, c'è la presenza di molti reattori nucleari. Non solo, nel caso, appunto, di incidenti, l'Italia verrebbe comunque coinvolta, ed è anche un paese che comunque deve importare ed importa attualmente energia nucleare con determinati costi dai paesi limitrofi.

Diciamo che ha influito molto sul dibattito, il dibattito sul nucleare, il disastro di Chernobyl del 1986, dove ci si rese conto effettivamente dei rischi che il nucleare può comportare. Quali furono le cause? Ci furono gravi mancanze da parte del personale, problemi relativi alla struttura, alla progettazione e così via. Quali furono le conseguenze? Che una nuvola di materiale radioattivo fuoriuscito dal reattore e ricadde su vaste aree intorno alla centrale, che vennero contaminate. 336.000 persone vennero evacuate. Ad oggi si stimano fino a 6 milioni di decessi su scala mondiale nel corso di 70 anni, contando tutti i tipi di tumori riconducibili a questo disastro. E legate al disastro ci sono anche una serie di malformazioni congenite in seguito alle mutazioni genetiche che sono state provocate alla flora, alla fauna e all'uomo.

Un disastro avvenuto recentemente è il disastro di Fukushima del 2011, dove a causa di un terremoto e del relativo tsunami, la centrale elettronucleare subì dei danni. Le conseguenze furono che la nube radioattiva sprigionata a più riprese ricadde su vaste aree intorno, contaminandole e rendendo necessaria l'evacuazione. Tuttavia, la quantità totale di radioattività diffusa è stata di circa un decimo rispetto a quella rilasciata da Chernobyl.

Ma vediamo, appunto, cosa sono queste scorie radioattive. Allora, rappresentano lo scarto di combustibile nucleare che viene a generarsi dopo l'operazione della fissione. Abbiamo due metodi per depositare queste scorie. Uno è quello del deposito superficiale, quando abbiamo scorie a basso livello radioattivo. L'altro è quello di un deposito geologico, dove vengono le scorie stoccate in appositi bunker sotterranei, molto, molto profondi e sigillati, in modo da evitare la fuoriuscita di radioattività nell'ambiente esterno. Questa è una fotografia di un deposito di tipo superficiale, dove vediamo tutti, diciamo, i barili con le scorie radioattive, le barriere ingegneristiche che vengono create e poi, diciamo, vengono ricoperti dal suolo.

Ma vediamo ora la fusione nucleare. Allora, mentre per la fissione utilizziamo l'uranio, per la fusione nucleare si utilizza l'idrogeno. Nello specifico, si utilizzano gli isotopi di trizio e deuterio. Sono disponibili in grandissima quantità e a bassi costi. Addirittura, il deuterio si può ricavare dall'acqua del mare, il trizio si può ricavare dal litio. Questo, ragazzi, è una reazione che avviene continuamente sul sole e sulle altre stelle, ad una temperatura addirittura di alcuni milioni di gradi. La luce, il calore che giungono sino a noi ne sono l'effetto visibile. Questo ci fa capire perché, ad oggi, questo tipo di reazione non è controllabile da parte dell'uomo, ed è perché, appunto, avviene ad altissime temperature. Non esiste alcun materiale al mondo che è capace di resistergli, quindi è una reazione non controllata.

Qual è il futuro dell'energia? Diciamo che ci sono alcuni studi attraverso i quali gli scienziati ritengono che tra il 2020, ma ci stiamo arrivando, e il 2050 si possa controllare questo tipo di reazione attraverso particolari macchine, attraverso particolari reattori. Questo reattore, uno degli esperimenti, si chiama Tokamak ed è un prototipo alla forma di una ciambella, tenuta sotto vuoto, nella quale vengono immessi trizio e deuterio. Questa miscela di isotopi viene racchiusa all'interno di pareti immateriali, cioè che vengono generate dai campi magnetici. L'utilizzo di questo tipo di reazione chimica per generare energia nucleare potrebbe essere molto interessante, proprio perché l'idrogeno è un materiale che può essere reperito veramente ovunque e i costi di produzione potrebbero essere anche abbattuti. Però, ricordiamo che ancora oggi l'uomo non è stato in grado di controllarla.

Facciamo un approfondimento sulla bomba atomica e la bomba all'idrogeno. Allora, la bomba atomica è un ordigno esplosivo la cui energia viene prodotta attraverso la reazione di fissione nucleare ed è, appunto, un'arma di distruzione di massa. Tant'è vero che la comunità internazionale ne limita e sanziona la produzione. Gli unici casi di impiego bellico di armi nucleari di questo tipo sono le bombe che sono state sganciate nel corso della Seconda Guerra Mondiale, ricordiamo tra tutti Hiroshima e Nagasaki. Per quanto riguarda invece la bomba all'idrogeno, è un'evoluzione della bomba atomica, in cui si avvicendano in rapidissima successione processi di fissione, fusione e di nuovo fusione. E le prime bombe, diciamo, sono state sperimentate intorno agli anni cinquanta dall'America, ma anche l'Unione Sovietica contribuisce, continua, diciamo, a studiare questo tipo di armi.

Concluse la trattazione, facciamo un mini test per fissare meglio le idee. Quindi, in cosa consiste la fissione nucleare? Da cosa è formato il combustibile nucleare? Che cosa sono le scorie radioattive? In cosa consiste la fusione nucleare? Quando venne usata la bomba atomica? Con la slide dei compiti per casa vi lascio e vi auguro buon studio.