Giu 112021
 
ENERGIA NUCLEARE
Indice Argomenti
1 FISSIONE NUCLEARE
2 LE CENTRALI ELETTRO-NUCLEARI
3 FUSIONE NUCLEARE
4 PRO E CONTRO DELL’ENERGIA NUCLEARE
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L’energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modificazioni della materia.
Più di un secolo fa Albert Einstein scoprì che questa poteva essere trasformata in energia…

…e che questa trasformazione poteva avvenire attraverso 2 differenti processi:

  • la Fissione Nucleare
  • la Fusione Nucleare
FISSIONE o SCISSIONE NUCLEARE

La fissione nucleare o la scissione nucleare, consiste nella disintegrazione del nucleo di un atomo, per mezzo dei neutroni che colpendolo alla velocità della luce, lo spezzano in nuclei più leggeri.
Einstein notò che sommando la massa dei nuclei più piccoli, la somma era inferiore a quella del nucleo originario. Come mai? Questo perché una parte di essa si era trasformata in energia! Infatti, una reazione nucleare, genera luce e calore, e questi sono proprio ottenuti per la trasformazione di parte della materia degli atomi.

Inoltre, se la quantità di materiale fissile è sufficiente, durante la fissione si liberano altri neutroni che vanno a colpire altri nuclei innescando così una reazione a catena.
L’elemento fissile usato nelle centrali è l’uranio 235 che costituisce il combustibile che, una volta inserito nei reattori, svilupperà un enorme quantità di energia.

Durante la fissione, oltre all’energia si ottiene un nuovo materiale fissile non presente in natura chiamato Plutonio.

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LE CENTRALI ELETTRO-NUCLEARI

L’uomo riesce a realizzare queste reazioni all’interno di grandi strutture il cui scopo è quello di trasformare l’energia prodotta dalla fissione in elettricità, ecco perché prendono il nome di centrali elettro-nucleari.

Il combustibile fissile, l’uranio 235, viene inserito all’interno del reattore o core, chiuso all’interno di una struttura di contenimento affinché le radiazioni mortali prodotte da questa, non si disperdano all’esterno. Qui, avviene una fissione controllata. In pratica, apposite barre di controllo vengono inserite tra le pile di combustibile e abbassate se la reazione diventa troppo rapida o violenta, in modo da rallentarla o spegnerla del tutto in caso di necessità.

L’uranio naturale viene sottoposto ad un processo di macinazione che produce comunemente un materiale in polvere secca di colore giallo, chiamato appunto yellow cake, proprio perché viene confezionato in piccoli cilindri che assomigliano a delle torte gialle.Anche

Il calore prodotto, viene utilizzato per far evaporare dell’acqua all’interno di un generatore di vapore, che viene utilizzata per raffreddare il reattore e per attivare una turbina a vapore la quale trasforma così l’energia termica prodotta in energia di tipo meccanico.

La turbina è collegata ad un alternatore, trasformando così l’energia meccanica in energia elettrica.

Come in ogni centrale elettrica, poi, l’elettricità passa al trasformatore che ne innalza la tensione per il trasferimento sulla rete elettrica attraverso i tralicci e i cavi dell’alta tensione.

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FUSIONE NUCLEARE

La fusione nucleare è una reazione attraverso la quale i nuclei di due atomi leggeri, deuterio e trizio, si uniscono tra loro, dando come risultato un nuovo elemento chimico chiamato elio.
Anche in questo caso, quando i due nuclei più leggeri si fondono insieme, il nucleo che hanno formato, sarà meno pesante della somma degli altri due. Anche in questo caso la materia mancante si è trasformata in energia termica e luminosa.

Questa reazione, al contrario della fissione, non può ancora essere realizzata perché la condizione per cui i due atomi leggeri si fondano insieme, dipende da una pressione spaventosa e da una temperatura di milioni di gradi, condizioni che si verificano all’interno delle stelle come il nostro Sole o in una reazione nucleare incontrollata come in una bomba all’idrogeno.

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IL FUTURO DELLA FUSIONE NUCLEARE: IL TOKAMAK

Toro

Per poter sfruttare l’enorme quantità di energia prodotta dalla fusione nucleare, si sta sperimentando il Tokamak, una macchina a forma di “ciambella”, sviluppata in Unione Sovietica negli anni 50’. Il nome un po’ curioso deriva dall’acronimo russo e significa “camera toroidale magnetica”. La forma toroidale (oppure a ciambella) del dispositivo non è stata di certo una scelta a caso, ma è fondamentale per il suo giusto funzionamento, in quanto la forma a ciambella del contenitore impedisce alle particelle di fuoriuscire dalle estremità, muovendosi invece in cerchi continui.

Raffigurazione 3D del Tokamak

Una camera vuota avvolge e protegge lo strato più interno in cui avviene il processo, impedendo l’interazione con le particelle esterne. L’intera struttura è avvolta da bobine magnetiche realizzate con superconduttori che, con la loro capacità di assorbire poca potenza elettrica, generano campi magnetici così potenti da permettere ai laser che bombardano le particelle di raggiungere le temperature adeguate e mantenere coeso il plasma.

Il campo magnetico generato impedisce agli elettroni di urtare contro le pareti, mentre le forze magnetiche addensano il plasma, portando i nuclei caricati positivamente abbastanza vicini da superare le forze elettrostatiche e li costringono a fondersi.

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PRO E CONTRO DELL’ENERGIA NUCLEARE

Per ora, quando parliamo di energia nucleare ci riferiamo a quella prodotta con il processo di fissione. Produrre energia elettrica attraverso l’energia nucleare presenta notevoli vantaggi, ma porta con se anche alcuni importanti svantaggi. Vediamoli:

PRO

  • da una piccola quantità di uranio si ottiene molta energia elettrica;
  • non essendo basata sulla combustione di risorse fossili o vegetali, non causa l’emissione in atmosfera dei gas responsabili del dell’effetto serra;
  • riduce la dipendenza dall’estero nell’approvvigionamento energetico, in quanto consente di produrre una parte dell’energia elettrica senza dover importare dai paesi produttori, gas, carbone o petrolio.
  • può funzionare ininterrottamente per 40-60 anni. Un periodo di tempo così lungo consente di ammortizzare l’elevato costo iniziale della centrale atomica.

CONTRO

  • dopo il processo di fissione nucleare vengono rilasciati dei rifiuti altamente radioattivi (scorie), che vengono smaltiti dopo tantissimi anni. Solitamente questi rifiuti vengono rinchiusi in depositi sotto terra lontani dallo scorrere delle falde acquifere e controllati dall’esercito perché potrebbero interessare gruppi terroristici per produrre le cosiddette bombe sporche;

  • le centrali nucleari richiedono un maggior livello di sicurezza rispetto ad altre centrali, perché in caso di incidenti, sono quelle che danneggiano di più l’ambiente. Tristemente famosi gli incidenti nelle centrali nucleari di Chernobyl nel 1986 e Fukushima nel 2001.

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APPROFONDISCI CON I VIDEO
LA FISSIONE NUCLEARE LA FUSIONE NUCLEARE
Durata: 1:02 Durata: 2:34
VERSO LA FUSIONE NUCLEARE
Durata: 7:42 Durata: 0:00
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ANCHE NOI SCRITTORI
Alunno/i autore/i dell’articolo:
RICCARDO FRANCALANZA – AGNESE CORSARO
Classe e Anno: Argomento di Riferimento:
Terza D – 2020/21 ENERGIA NUCLEARE
Feb 102019
 

Produrre energia elettrica attraverso l’uso del nucleare è ormai noto che, può avvenire attraverso due diversi processi conosciuti come fissione nucleare, ossia la rottura di un atomo pesante in due più leggeri o attraverso la fusione nucleare di due atomi leggeri per formarne uno più pesante.

Il processo sfruttato all’interno di tutte le centrali oggi esistenti è quello di fissione nucleare cioè di rottura dell’atomo. Viene utilizzato normalmente Uranio 235 o Plutonio 239, due materiali che hanno caratteristiche fissili cioè se bombardati con un neutrone possono separare il loro nucleo in due parti distinte. Al contrario, il processo di fusione non può essere utilizzato perché, per far unire insieme due atomi differenti è necessaria una temperatura straordinaria di milioni di gradi che non è possibile ottenere sulla terra perché nessun materiale è in grado di reggere a tali temperature estreme.

Gli studi sono indirizzati verso la realizzazione di una fusione a freddo, dove e poi sia possibile ottenere lo stesso fenomeno, cioè l’unione di due atomi leggeri in uno più pesante senza queste temperature. Gli studi sono ovviamente in corso ma prima che vengano risolti i tanti problemi passeranno alcune decine di anni.

In realtà però, gli studi sulla fusione nucleare procedono con sempre nuovi successi a livello planetario. Sono spinti dai molti fattori positivi; innanzitutto si utilizzano isotopi dell’idrogeno, quali deuterio e trizio, per formare una molecola più leggera di elio. Essendo ottenuti dall’idrogeno, ossia una delle sostanze più diffuse sul pianeta, sono infinite e a costo zero rispetto alla fissione dove, utilizzando l’Uranio, bisogna arricchirlo per produrre l’U235 elemento raro ma fissile del normale Uranio. Questo ovviamente con processi lunghi e costosi. Inoltre, la fusione non produce scorie radioattive se non in minima parte, questo significa energia pulita, nessuna necessità di stoccare materiale radioattivo, pericolosità della fonte o della centrale. Gli studi sono spinti dal fatto che la fusione nucleare, data la quantità di energia prodotta, potrebbe sostituire tutte le altre fonti conosciute e fornire energia sufficiente all’infinito per l’intera popolazione terrestre.

Come ho detto, tanti studi sono in corso in tutto il pianeta sperimentando tecnologie capaci di produrre e contenere l’enorme calore necessario ad ottenere la fusione. Un grande passo avanti è stato compiuto all’inizio del 2018 in Cina ad Hefei, dove all’interno di un gigantesco reattore a fusione nucleare, chiamato EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), si è raggiunta per la prima volta una temperatura talmente elevata da far impallidire quella del sole: pensate oltre 100 milioni di gradi centigradi contro i circa 15 milioni raggiunti al centro della nostra stella. Questo rappresenta un enorme passo avanti nella tecnologia della fusione nucleare e soprattutto nella ricerca di una tecnologia adatta a produrre energia da questo specifico fenomeno. Inoltre, questo reattore è riuscito a mantenere il plasma a questa temperatura per un periodo record di 101,2 secondi, un’eternità se paragonato alle durate di altri esperimenti.

Reattore nucleare EAST

Infatti, il problema maggiore è riuscire a contenere questo plasma a questa incredibile temperatura, lontano dalle pareti del contenitore. Nel Sole o nelle stelle, questo è più facile grazie all’enorme pressione generata le forze gravitazionali delle masse stellari per cui materiali rimangono praticamente concentrati attorno al nucleo della stella. Nel caso di una centrale, invece, il materiale non può entrare a contatto con nessun oggetto per cui il problema è risolto generando enormi campi magnetici capaci di mantenere in sospensione il plasma a metà strada tra qualunque punto di contatto con il reattore.

Reattore nucleare EAST

La maggior parte delle macchine per la termo-fusione oggi in sperimentazione nelle diverse nazioni, bassa il proprio funzionamento sul tokamak. Si tratta di una macchina sperimentale ideata da fisici russi che ha una forma ad anello capace di generare enormi campi magnetici che mantengono gli isotopi di idrogeno allo stato di plasma in sospensione.

Schema di funzionamento del Tokamak

Anche in Germania, nel loro programma di sviluppo di tecnologie per la fusione, nella struttura di Greifswald è stato creato plasma a 40 milioni di gradi per circa 25 secondi all’interno del reattore Stellarator Wendelstein 7-X.

Reattore tedesco Stellarator Wendelstein 7-X

A livello globale, poi, una menzione speciale la merita ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) che vede l’Italia in prima fila essendo tra i principali partner delle aziende europee EUROfusion e Fusion for Energy. Anche l’Enea (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile), partecipa a queste iniziative con il proprio Dipartimento di fusione e tecnologie per la sicurezza nucleare FSN e recentemente ha assemblato, in Giappone, 20 grandi bobine toroidali nel reattore sperimentale a fusione JT-60SA costruite in Italia.

Reattore giapponese JT-60SA

Inoltre, nel Centro di Ricerche Enea di Frascati a Roma, è in fase di realizzazione un polo scientifico chiamato Divertor Tokamak Test (DTT), più avanzati al mondo nella ricerca sulla fusione nucleare.

In questo centro saranno studiati i nuovi divertori, cioè quelle parti delle pareti su cui è deviato il plasma che sfugge ai campi magnetici a causa delle instabilità. Per impedire il loro danneggiamento, opportune linee di campo magnetico spostano il plasma su aree prestabilite delle pareti dotate di particolare resistenza termica ed elevata capacità dissipazione del calore normalmente realizzate in tungsteno, un metallo che fonde a temperature molto elevate. Lo scopo di questa ricerca è quello di trovare nuove soluzioni tecnologiche da adottare in DEMO, ossia il reattore evoluzione di ITER.

Evoluzione dei reattori a fusione nucleare

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