ENERGIA NUCLEARE

• Atomo ed isotopi

• Fissione nucleare, teoria della relatività e reazione a catena

• Fusione nucleare

• Centrale termonucleare

L’atomo L‘atomo (dal greco àtomos = indivisibile) per molto tempo è stato considerato la

parte più piccola della materia. In realtà è costituito da particelle ancora più

piccole così organizzate:

- nel nucleo centrale sono presenti protoni (particelle elementari con carica

elettrica convenzionalmente considerata positiva) e neutroni (particelle non

caricate elettricamente);

- attorno al nucleo ruotano gli elettroni, particelle elementari con carica

elettrica inversa a quella dei protoni, per questo, sempre per convenzione,

negativa. Gli elettroni, ruotando, descrivono le orbite, il percorso che compiono

ruotando attorno al nucleo.

Il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni, per cui l'atomo è

elettricamente neutro (n. cariche positive = n. cariche negative)

L’URANIO è un metallo bianco argento e viene usato nelle centrali atomiche per

produrre calore;

• in natura si trova abbondante l’uranio 238 (simbolo chimico 238U), un isotopo dell’uranio;

• un qualunque elemento chimico può avere diversi isotopi, cioè si può presentare con atomi

diversi: questi hanno sempre lo stesso numero di protoni (ed elettroni) ma diverso numero

di neutroni dentro il nucleo;

• l’isotopo utilizzato nelle centrali nucleari è l’uranio 235 (simbolo chimico 235U

Nucleo 235U Nucleo 238U

92 protoni + 143 neutroni 92 protoni + 146 neutroni

Perché si usa l’uranio nelle centrali nucleari?

Perché è un elemento fissile, cioè può essere diviso in due col processo chiamato FISSIONE NUCLEARE, liberando un’enorme quantità di

energia tra cui CALORE.

Da un Kg di uranio si libera una quantità di energia equivalente a quella liberata dalla combustione di 2.500 tonnellate di carbone (2.500.000

kg) o di 26.000 tonnellate di tritolo (26.000.000 Kg)!

0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000

Kg di combustibili

Confronto potere calorifero tra:

Massa di partenza

“peso” del neutrone + nucleo U235

Massa dopo la reazione

“peso” dei 3 neutroni + nucleo Cripto + nucleo Bario

Vuol dire che una parte della massa di partenza si è

trasformata in energia!

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ENERGIA ATOMICA

Fissione nucleare

È una reazione nucleare (che avviene nel nucleo di Uranio 235): se si bombarda un nucleo di U235 con un neutrone, il nucleo si divide in due nuclei

di dimensioni più piccole, un nucleo di Cripto e uno di Bario e si liberano 3 neutroni. Fissione = divisione.

Se si “pesasse” la massa di partenza, cioè neutrone + nucleo U235 e quella ottenuta dalla reazione nucleare, cioè 3 neutroni + nucleo Cripto +

nucleo Bario, si vedrebbe che la prima quantità è sempre maggiore della seconda, cioè la massa di partenza è più pesante della massa post

fissione.

Ma siccome vige sempre il PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL’ENERGIA/MASSA (l’energia o la massa non si crea né si distrugge ma si

trasforma) vorrà dire che una parte della massa iniziale (che sembra sparire dopo la reazione) si è trasformata in qualcos’altro … precisamente in

Energia, tra cui Energia Termica (calore).

RADIATTIVITA’

Con la fissione si liberano anche radiazioni

pericolosissime per gli ersseri viventi!

Teoria della Relatività

Quanto vale l’Energia prodotta dalla trasformazione della materia?

La risposta la diede il celebre fisico tedesco Albert Einstein nel 1905 con una geniale intuizione tradotta in una semplice formula:

E = energia –

m = massa (materia) –

C = numero costante (velocità della luce 300.000 Km/s)

in cui si dice chiaramente che massa ed energia sono strettamente legate, quasi le due facce della stessa medaglia: l’Energia E vale

il prodotto della massa (materia) per C2, la velocità della luce (300.000 Km/s) elevata al quadrato, un numero costante.

La formula dice soprattutto che per liberare una notevole quantità di energia dalla materia non è necessario avere

tantissima materia (massa m), ne basta pochissima: se si fa il semplice prodotto aritmetico E è grandissimo poiché c’è

C2 che è un numero elevatissimo.

E = m C2

Breve video sulla Fissione nucleare

https://www.youtube.com/watch?v=PPHfL2D1_B0

Reazione a catena

La fissione nucleare è la reazione che si usa nelle centrali elettronucleari per

produrre grandi quantità di calore. Per far ciò è necessario dividere tantissimi

nuclei di U235: nel reattore della centrale sono presenti miliardi di atomi U235, si

bombarda un nucleo di U235, i 3 neutroni emessi dalla fissione colpiscono altri 3

nuclei di U235, da cui si liberano 9 neutroni (3 per ciascun nucleo di U235) che

andranno a colpire altri 9 nuclei di U235, da cui si liberano 27 neutroni (3 x 9

nuclei) e via così a cascata …

I prodotti della reazione a catena sono altamente pericolosi in quanto

radioattivi.

Si può sintetizzare la reazione a catena secondo questo schema:

n = neutrone – U 235 = nucleo di uranio 235

1n colp. 1 U235 → 3n colp. 3 U235 → 9n colp. 9 U235 → 27n colp. 27 U235 → 81n colp. 81 U235 → 243n ….

x3n x3n x3n x3n x3n

Fissione e Reazione a catena https://www.youtube.com/watch?v=XfDDp5fi6NE

Fusione nucleare

È una reazione atomica esattamente inversa alla fissione: due nuclei leggeri, il Deuterio ed

il Trizio, due isotopi dell’Idrogeno (H), si fondono assieme dando origine ad un nucleo più

pesante di Elio (He) con la liberazione di un neutrone.

Al pari della fissione anche nella fusione se si fa la somma della massa di partenza (nucleo

Deuterio + nucleo Trizio) e della massa dopo la reazione (nucleo Elio + 1 neutrone) la

prima è maggiore della seconda: anche nella fusione, quindi, una parte della materia di

partenza dopo la reazione si trasforma in energia.

A differenza della fissione nucleare, la fusione nucleare è pulita, non forma cioè materiale radioattivo. Perché allora non si utilizza nelle

centrali nucleari dove tutt’oggi si usa la fissione?

La risposta è semplice: per fondere assieme 2 nuclei di Deuterio e Trizio occorrono temperature elevatissime (100 milioni di gradi), temperature

difficilmente raggiungibile sulla Terra!

Anche se ci si riuscisse, non esiste alcun materiale sulla Terra, con cui costruire la centrale, che riesce a non fondere a quelle temperature: basti

pensare che il tungsteno, un metallo puro, ha la più alta temperatura di fusione tra i materiali e vale solo (!) 3.422°C …

La fusione nucleare è un fenomeno che avviene naturalmente nelle stelle, come ad esempio nel Sole: eppure da anni si studiano sistemi per poter

sfruttare la fusione sulla Terra, uno di questi è il progetto ITER, un sistema che non comporterebbe il rischio di fondere una centrale poiché la

fusione avverrebbe in uno spazio delimitato non da materia (che appunto fonderebbe) ma da un campo elettromagnetico!

Ecco un breve video: https://www.youtube.com/watch?v=W3C02y8A8LY