L’energia nucleare

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L’energia nucleare è un’energia “intrappolata” all’interno dei nuclei degli atomi. Per comprendere questi fenomeni dobbiamo rispolverare qualche nozione di scienze sugli atomi e la loro struttura: gli atomi sono l’unità più piccola e non divisibile -con metodi chimici- di cui è costituita la materia. Essi però sono costituiti da tre tipi di particelle più piccole: i neutroni, i protoni e gli elettroni. Neutroni e protoni si trovano nel nucleo, occupano uno spazio molto piccolo ma racchiudono in sé la maggior parte della massa dell’atomo di cui fanno parte. Gli elettroni hanno una massa quasi 2000 volte minore di quella di un protone o di un neutrone ed occupano uno spazio vuoto immenso rispetto a quello del nucleo.

Schema semplificato di un atomo
Schema semplificato di un atomo, nello specifico un atomo di berillio. Il nucleo è disegnato con dimensioni molto maggiori rispetto alle proporzioni reali. Le due sfere gialle rappresentano gli orbitali, che contengono due elettroni ciascuno, i quali si muovono in modo non prevedibile all’interno dell’orbitale che occupano. In questo schema i protoni sono stati colorati di blu e per un atomo di berillio sono 4 (come gli elettroni). I neutroni sono stati colorati di rosso e ne sono stati disegnati 5 come nel caso del più comune isotopo del berillio, il berillio-9.

Un atomo è definito dal numero di protoni e in base a questo numero viene rappresentato sulla tavola periodica. Per esempio, l’atomo della figura sopra riportata ha 4 protoni, per cui, consultando la tavola periodica semplificata riportata qui di seguito, possiamo constatare che si tratta di un atomo di berillio.

Tavola periodica semplificata
Questa tavola periodica riporta solo il numero dell’elemento ed il nome. Cliccando sulla figura l’immagine viene visualizzata a schermo intero, in questo modo le scritte ed i numeri possono essere letti con maggiore facilità.

Il numero di neutroni di un elemento chimico qualsiasi, invece, può variare. Nel caso del berillio in natura esiste un tipo di atomo con 5 neutroni. Questo si indica come berillio-9 (si indica cioè la somma del numero di protoni e neutroni). In natura esistono anche altri tipi di atomo di berillio, anche se sono presenti in piccolissime quantità e sono radioattivi (cioè si trasformano con il passare del tempo ed emettono radiazioni ionizzanti). Si formano negli strati alti dell’atmosfera in seguito a fenomeni naturali: il berillio-7, con 3 neutroni, ed il berillio-10, con 6 neutroni. Atomi dello stesso elemento chimico che hanno diversi numeri di neutroni si dicono isotopi. Anche l’uranio è un elemento chimico che si trova abitualmente in natura, anche se tutti i suoi isotopi sono radioattivi. L’isotopo di uranio più comune è l’uranio-238 mentre l’uranio-235 è solo l’1% di tutto l’uranio presente sulla Terra. Possiamo vedere dalla tavola periodica che l’uranio ha 92 protoni quindi l’uranio-238 avrà 146 neutroni (238-92=146) e l’uranio-235 avrà 143 neutroni (235-92=143). Un contributo molto importante per lo studio dell’energia nucleare fu dato da un gruppo di scienziati italiani noti come “i ragazzi di via Panisperna”: Enrico Fermi, Edoardo Amaldi, Emilio Segrè, Franco Rasetti, Oscar D’Agostino, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana. Questo gruppo era guidato da Enrico Fermi e conduceva nei laboratori dell’Istituto di Fisica dell’Università di Roma (che si trovava, appunto, in via Panisperna), all’inizio degli anni trenta del novecento, esperimenti molto avanzati per quell’epoca, cercando di studiare come reagiscono i nuclei degli atomi se colpiti da neutroni. Essi fecero esperimenti con campioni di tutti gli elementi della tavola periodica, uno alla volta, annotando i risultati. Era il 1934.

I ragazzi di via Panisperna
In questa fotografia del 1934 sono ritratti, da sinistra a destra: Oscar D’Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti ed Enrico Fermi. La fotografia è tratta dal capitolo “Cronologia dell’opera di Enrico Fermi” scritto da Luisa Bonolis, incluso nel volume “Conoscere Fermi nel centenario della nascita 29 settembre 1901-2001” edito dalla Società Italiana di Fisica.

Quando arrivò il momento di osservare il comportamento dell’uranio (che all’epoca era l’ultimo elemento noto nella tavola periodica), colpendolo con i neutroni provocarono per la prima volta nella storia la fissione nucleare, un fenomeno in cui il nucleo di un atomo si spacca in due grossi frammenti.

Schema della fissione dell'uranio-235
Lo schema illustra in che cosa consiste la fissione nucleare di un nucleo di uranio-235. Il nucleo è composto da protoni (colorati di blu nella figura) e da neutroni (colorati di rosa). Quando un neutrone va a urtare contro questo nucleo lo scinde (da qui il nome “scissione” o “fissione”) in due frammenti e in un certo numero di neutroni (solitamente 3) portando alla liberazione di un’enorme quantità di energia.

Fermi e i suoi collaboratori non ebbero la possibilità di notare che durante il loro esperimento avevano provocato per la prima volta nella storia la fissione di un piccolo numero di nuclei di uranio e non pensarono che un simile evento si fosse verificato nei loro laboratori, anche perché la fissione era un tipo di reazione che all’epoca non era mai stata osservata. Essa era stata solo ipotizzata, e tra l’altro l’ipotesi era stata avanzata da una scienziata, la chimica tedesca Ida Noddack, che non era stata presa nella dovuta considerazione dalla comunità scientifica. Gli studi dei “ragazzi di via Panisperna” proseguirono approfondendo altri aspetti (essi esaminarono il modo in cui i neutroni reagiscono con i nuclei degli atomi leggeri e fecero nuove scoperte importantissime) e altri scienziati continuarono le ricerche sull’uranio e la fissione. Dopo quattro anni di studi ed esperimenti condotti nei laboratori di tutto il mondo, nel 1938 giunsero i risultati e le certezze: due chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn e Fritz Strassmann scoprirono che i nuclei più grandi, come appunto quello dell’uranio, possono frantumarsi in due grossi frammenti se colpiti da neutroni in particolari condizioni, liberando anche altri neutroni. Inoltre la massa dei prodotti di fissione e dei neutroni è inferiore alla massa dell’atomo di partenza e del neutrone incidente e ogni evento di fissione libera una grandissima quantità di energia, milioni di volte superiore a quella di una comune reazione chimica di combustione. Si scoprì anche che era abbastanza facile provocare la fissione dell’uranio-235, mentre era più difficile per l’uranio-238. Nell’uranio-235 il fatto che per ogni singola reazione di fissione si liberino in media 3 neutroni può innescare una reazione a catena se questi neutroni, a loro volta, vanno a colpire altri nuclei di uranio-235, dando luogo ad un numero sempre maggiore di fissioni.

Reazione a catena
Lo schema mostra la fase iniziale della propagazione delle fissioni nucleari chiamata “reazione a catena”: se ogni neutrone causa una fissione, se ogni fissione libera 3 neutroni e se ogni neutrone liberato incontra un nuovo nucleo causando una nuova fissione si ha un rapidissimo aumento esponenziale delle fissioni, con la liberazione di un’enorme quantità di energia.

Abbiamo detto all’inizio che l’energia nucleare è un’energia “intrappolata” all’interno dei nuclei degli atomi. Questa energia è racchiusa all’interno dei legami nucleari tra neutroni e protoni all’interno del nucleo. Nelle reazioni nucleari alcuni legami si spezzano e altri se ne formano. Se quelli che si formano sono ad un livello di energia minore, rimane una parte di energia in eccesso che è appunto l’energia che si libera nella reazione. Le reazioni nucleari che liberano più energia sono le reazioni di fissione (come quella che coinvolge l’uranio-235) e le reazioni di fusione di nuclei leggeri (soprattutto idrogeno ed elio), come quelle che avvengono nelle stelle.

Sole (SDO)
Un’immagine del Sole scattata dal Solar Dynamics Observatory della NASA. Enormi masse di gas allo stato di plasma affiorano dalla superficie. I gas sono eccitati allo stato di plasma grazie all’enorme quantità di energia liberata dalle reazioni di fusione nucleare che avvengono dentro il Sole.

Finora siamo riusciti a realizzare fusioni nucleari non controllate (quando esplodono gli ordigni termonucleari) oppure fusioni nucleari in piccola scala, impossibili da sfruttare per ottenere energia elettrica. Uno degli ostacoli più difficili da superare è il fatto che le reazioni di fusione che utilizzano idrogeno ed elio richiedono energie elevatissime ed avvengono in condizioni estreme. Molte nazioni si sono aggregate per realizzare impianti in grado di sfruttare la fusione nucleare per produrre energia elettrica: Il progetto ITER si propone di risolvere i problemi tecnici per raggiungere questo obiettivo.

ITER Tokamak building
Il progetto dell’edificio Tokamak del progetto ITER. L’edificio è alto sette piani e contiene numerosissime tubazioni, apparecchiature e cavi elettrici. Credit © ITER Organization, http://www.iter.org/

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