L’energia nucleare: Cos’è, da cosa deriva, come funziona, quali problemi crea e quali vantaggi offre? Un confronto con le altre tecnologie R.Lanza

La materia Ogni cosa (vivente o non vivente) è composta da un numero elevatissimo (moltissimi miliardi!) di particelle piccolissime che sono gli atomi. (un atomo non si vede ad occhio nudo!)

Gli elementi chimici Gli atomi si possono presentare sia in forma singola (elementi chimici), sia aggregati tra loro (Molecole), sia ancora aggregati tra loro ma con atomi diversi (ad esempio la molecola dell’acqua H2O è l’insieme di 2 atomi di idrogeno ed uno di ossigeno!) H2O

Gli elementi chimici Tutto il nostro mondo (e tutto l’universo!) è composto da atomi che appartengono ai diversi “Elementi chimici”. Sono un numero finito di elementi che caratterizzano la materia e il suo comportamento, oltre che l’appartenenza alle diverse “famiglie”

Ferro, rame, oro, sodio, boro, argento, ecc. Ad esempio: Gli elementi che appartengono ai metalli hanno tutti una buona conducibilità elettrica… Ferro, rame, oro, sodio, boro, argento, ecc. … anche se hanno diverso peso atomico e diversi comportamenti fisici (punto di fusione ecc.)

Diverso peso atomico …??!! Ogni elemento chimico è caratterizzato da 2 numeri: il numero atomico e il peso atomico. Numero atomico: indica il valore della carica elettrica dell’elemento e ne individua le caratteristiche chimiche Peso atomico: indica il peso specifico dell’elemento

8O16 Ad esempio: L’atomo di ossigeno si rappresenta in questo modo: Peso atomico Numero atomico

La tavola periodica degli elementi

Curiosiamo nell’atomo …. Protoni (+) Elettroni (-) - - - + + + + - + + - - - - Neutroni Nucleo

I legami Legame chimico (riguarda le molecole) si scioglie con il calore, con la combustione, ecc. (è sufficiente l’apporto di poca energia) Legame atomico (riguarda il nucleo) si scioglie SOLO con enorme quantità di energia

Le energie in gioco In generale, le energie associate con i processi nucleari sono approssimativamente 1 milione o più volte maggiori delle energie proprie dei fenomeni chimici!

La reazione nucleare L’equazione di Einstein: E=mc2 ci dice che …. l’energia che un corpo può emettere è pari alla sua massa moltiplicata per la velocità della luce (300.000 km/s) al quadrato [90.000.000.000] … in pratica anche da particelle di massa insignificante posso ottenere moltissima energia!

La reazione nucleare - Fissione Se un neutrone con energia sufficientemente elevata colpisce un nucleo ad elevato numero atomico 38Sr90 Isotopi radioattivi neutrone + + + + + + 92U235 + 54Xe143 URANIO

Facciamo due conti …. 1 neutrone e 1 protone hanno entrambi massa 1 (o quasi ..!) dunque … 1 +235 = 236, e … 90+143+3 = 236 … ma in realtà i neutroni emessi non sono proprio 3, bensì 2 o al massimo 2,5, per cui 90+143+2=235 che è minore di 236 !!!

Allora i conti non tornano !!??!! Dov’è sparita 1 unità di massa? Mi hanno sempre insegnato che viviamo in un sistema dove c’è un’unica certezza: “la massa, l’energia e la quantità di moto si conservano sempre!!” ….. ma stavolta i conti non tornano (236>235)!!

Ci viene in aiuto l’equazione di Einstein!! E=mc2 nel nostro caso abbiamo che dopo la fissione la somma totale delle masse è 235 e quindi manca un’unità di massa, per cui possiamo dire che: E=1 x 300.0002 ovvero la massa mancante si è trasformata in energia (moltissima energia!!)

Una volta “innescata” la fissione si mantiene da sola con una reazione a catena Cioè ogni nuovo neutrone può causare la fissione di un nucleo di uranio che a sua volta produrrà 2 o più nuovi neutroni ……. +

Adesso mi devo preoccupare solo ( Adesso mi devo preoccupare solo (!!!) di controllare la reazione a catena! Userò le barre di controllo ed altri sistemi di iniezione rapida di sostanze che “assorbono” neutroni, perchè la reazione a catena deve mantenersi sempre costante, altrimenti … …. sarebbero guai seri, perché rischierei di produrre quella che tecnicamente è chiamata “rampa di potenza positiva” ovvero un’esplosione nucleare!! Bum!!

.. ma niente paura: ci sono sofisticatissimi sistemi automatici di regolazione, controllo, sicurezza Se si gestisce l’impianto con la dovuta attenzione i pericoli sono praticamente nulli!

E adesso, tornando al “nostro” neutrone …. Ha moltissima energia: cosa deve farne? ….

Ora ci basta trasformare quella energia in calore (energia termica) Il calore farà bollire l’acqua e con il vapore potrò produrre energia elettrica! Fissione >> energia cinetica (neutroni velocissimi) >> urtano molte volte contro molecole d’acqua (H2O) che hanno massa atomica 2 + 16 =18 cedendo loro energia (fanno vibrare le molecole d’acqua che così si riscaldano fino ad evaporare) >> >>>

È quasi come giocare a biliardo! Molecole d’acqua E >>>>>> neutrone Temperatura dell’acqua

A questo punto abbiamo vapore proprio come in una centrale termoelettrica! Già ma … come funziona tutto il meccanismo, come si trasforma il vapore in energia elettrica?

Ciclo termodinamico del vapore Nella turbina il vapore si espande facendola ruotare L’alternatore ruota insieme alla turbina e genera energia elettrica Qui si produce vapore riscaldando l’acqua e facendola bollire, un po’ come con la pentola della pastasciutta …!! Nel condensatore il vapore ritorna acqua, pronta per riprendere il ciclo

Quali sono le differenze tra termico e nucleare ? …. dalla fissione di ogni nucleo di uranio otteniamo isotopi radioattivi. Cosa vuol dire isotopo?? Iso >> uguale Topo >> (dal greco topos > luogo) Si riferisce alla posizione nella Tavola Periodica degli elementi chimici ovvero: Stesso numero atomico, ma diverso peso atomico

Perché gli isotopi sono radioattivi e cos’è la radioattività? Abbiamo visto che ogni elemento chimico è caratterizzato da 2 numeri: numero atomico peso atomico Uno stesso elemento chimico può avere più isotopi, ovvero per ogni elemento chimico esiste una famiglia con tanti fratelli più o meno “pesanti”

Cerchiamo di chiarirci con l’atomo di ossigeno! Abbiamo detto che l’ossigeno ha di solito questi 2 numeri: 8O16 .. ma nella sua “famiglia” ci sono anche i suoi “fratelli” 8O17 8O18 8O19 che sono sicuramente più pesanti di lui !! Mi dice quanto pesa, ovvero sottraendo il numero atomico (numero di protoni) vedo quanti neutroni contiene Mi dice di che sostanza si tratta (numero di protoni)

Gli isotopi dell’ossigeno In particolare il fratello (isotopo) 8O19 tenderà a “calare di peso” facendo una dieta molto particolare: il decadimento radioattivo ovvero rilasciando energia per ridurre la massa (peso atomico) 8O19 8O18 + β Si tratta di un elettrone

Quanti sono i tipi di decadimento? Esistono tre tipi di decadimento: α alfa (emette particelle) γ gamma (radiazione pura) β beta (emette elettroni) Si usano tre lettere dell’alfabeto greco per caratterizzarli Energia crescente

Ogni isotopo è radioattivo In pratica ciascun isotopo rilascia energia e/o massa per tornare al livello energetico più basso e lo fa secondo tempi specifici per ogni sostanza! TEMPO DI DECADIMENTO: … da pochi secondi a decine di migliaia di anni

… e questo è il problema delle scorie nucleari! Hanno tempi di decadimento anche molto lunghi, per cui devo custodirle in luoghi sicuri, in modo che non creino danno agli esseri viventi anche delle generazioni future.

Ho sentito parlare della fusione nucleare che non inquina, è vero e … cos’è?? È “sorella” della fissione, solo che in questo caso si ottiene energia facendo unire tra loro i nuclei di due elementi a basso numero atomico (sostanzialmente isotopi d’idrogeno). Si tratta di riprodurre, in scala molto ridotta, quello che avviene nelle stelle (sole compreso!)

Un esempio di fusione nucleare

È come realizzare un piccolo Sole o meglio una piccola Stella

Alcune “piccole” controindicazioni Per “accendere” la fusione sono necessarie temperature di alcuni milioni di gradi centigradi nella miscela, con enormi problemi per il suo confinamento … altrimenti rischio di fondere ogni cosa, visto che non esistono materiali capaci di resistere a tali temperature !! Inoltre ad oggi non siamo ancora riusciti a mantenere le condizioni di “innesco” per tempi sufficientemente lunghi (frazioni di secondo!)

Qualche altro “problemino” … Il trizio, usato nelle reazioni di fusione nucleare è altamente pericoloso per l’uomo, per cui richiede notevole grado di attenzione nella gestione e manipolazione. Inoltre la reazione di fusione rilascia enormi quantità di energia tanto elevate da non essere, ad oggi facilmente sfruttabili.

Le 2 tecnologie a confronto

E la combustione che problemi crea? Intanto cerchiamo di capire cos’è! Si tratta di una reazione chimica (quindi a bassa produzione energetica) con cui atomi di carbonio (C) e/o di idrogeno (H), presenti negli idrocarburi, si legano in molecole con l’ossigeno creando ossidi e sviluppando calore: C + 2 O = CO2 oppure 2 H + O = H2O Anidride carbonica Vapore acqueo

Il calore fa bollire l’acqua e produce vapore che ….. … ma gli ossidi prodotti, in particolare l’anidride carbonica sono responsabili dell’effetto serra ovvero del rischio di progressivo innalzamento delle temperature medie del nostro pianeta. E poi tra i prodotti della combustione non ci sono solo anidride carbonica e vapore acqueo, ma anche polveri e particolati, nocivi per il nostro apparato respiratorio

.. e non è tutto!! Il petrolio comporta rischi per l’ambiente davvero gravi e pesanti (basti pensare all’ultimo incidente del Golfo del Messico!) e comunque, ci piaccia o no, le riserve mondiali sono già in fase calante, il che significa avere davanti a noi altri 20 anni o poco più di “era petrolifera” dopo di che ….?!!?!

Scusa, ma … il fotovoltaico ..?!? OK è vero abbiamo trascurato un’altra fonte da cui possiamo attingere energia da convertire in energia elettrica e … tra l’altro si tratta di una fonte che non costa nulla è totalmente gratuita: il sole!

Vediamo come funziona: Il sole irradia la terra con radiazioni UV (ultraviolette) IR (infrarosse) e nel campo della luce visibile. La luce si trasmette attraverso particolari particelle denominate fotoni: hanno un duplice comportamento di onde e di particelle dotate però di massa nulla. La potenza di tale irraggiamento è pari a 1000 W/m2

Fotovoltaico: ovvero elettricità dalla radiazione luminosa Esistono dei materiali particolari che quando vengono colpiti dalla luce emettono elettricità (materiali fotoelettrici)

Il silicio .. il più famoso di questi è il silicio che peraltro viene impiegato in maniera massiccia anche dall’industria elettronica per la produzione dei microchip (PC, telefonini, apparecchi digitali, ecc.). Il silicio da impiegare per gli impianti fotovoltaici deve avere un grado di purezza solo di poco inferiore ad 1 e ciò comporta costi di produzione assai elevati! In attesa di nuovi materiali fotovoltaici che siano effettivamente competitivi con il silicio … dobbiamo accontentarci di quello che c’è!!

Ma allora … è tutto gratis? SI e NO! Certo il sole non ci chiede di pagare alcunché per l’energia che ci trasmette tutti i giorni dell’anno, ma i sistemi e le tecnologie per poterla sfruttare costano, e ad oggi hanno rendimenti molto bassi e quindi ……

Il fotovoltaico “domestico”

L’indipendenza energetica Un’abitazione monofamiliare, un condominio, un’azienda, un centro commerciale, possono investire in un impianto fotovoltaico soprattutto sfruttando gli incentivi e i finanziamenti che lo Stato mette a disposizione, puntando alla propria indipendenza energetica elettrica. Certo con il fotovoltaico non si può pensare di risolvere i problemi energetici dell’Italia!

Facciamo un confronto … Petrolio PRO CONTRO È una tecnologia matura e quindi disponibile su ampia scala Le riserve mondiali sono ormai in via di esaurimento Si trasporta facilmente anche su grandi distanze (oleodotti) L’estrazione comporta ormai rischi ambientali sempre più gravi In caso di guasto in centrale basta spegnere la caldaia per fermarla Contribuisce in maniera determinante all’effetto serra È la causa principale dell’inquinamento atmosferico La sua disponibilità è nelle mani di pochi paesi (costo elevato)

… continuiamo il confronto … Nucleare PRO CONTRO È una tecnologia che non produce alcun inquinamento “diretto” Produce scorie molto pericolose che vanno gestite con cautela L’uranio si trasporta facilmente e si possono fare scorte “importanti” Il tempo di decadimento di alcune scorie dura oltre 10.000 anni Si può concentrare molta potenza in pochi impianti In caso d’incidente non basta spegnere l’impianto 1 carico di combustibile alimenta la centrale per quasi 2 anni È una tecnologia da gestire con la massima efficienza La sua disponibilità è nelle mani di molti paesi (minor costo) In casi estremi (Chernobyl) può causare un’esplosione nucleare

.. concludiamo il confronto ! Fotovoltaico PRO CONTRO La fonte energetica di alimentazione (sole) è gratuita È una tecnologia non ancora matura con costi molto elevati È un’energia disponibile per tutti anche per i paesi poveri È una tecnologia con bassa efficienza complessiva Garantisce energia elettrica anche in abitazioni isolate o isole In caso di cielo nuvoloso non produce nulla Presenta bassi costi d’installazione e semplicità d’uso Richiede continua manutenzione per non ridurre il rendimento Si adatta perfettamente all’autoproduzione “domestica” Non si presta alla realizzazione di grandi impianti

Meglio il nucleare o il petrolio o ancora il fotovoltaico? Ognuno dia a tale domanda la risposta che sente più “giusta” ricordandosi che: “Il progresso ha permesso all’uomo di migliorare la qualità della propria vita, in tutti i settori, ma al tempo stesso gli richiede ogni giorno di immolare al suo altare parti importanti di quella stessa vita. È meglio vivere con l’aria pulita e la casa fredda o…”

Grazie per la vostra attenzione!