Energia nucleare

Lo sfruttamento dell’energia nucleare è uno dei sistemi più efficienti per la produzione di energia elettrica. Si tratta di una tecnologia che però espone a molti rischi sia l’ambiente, a causa della produzione di rifiuti altamente tossici, sia la stessa vita umana per le conseguenze molto gravi provocate da eventuali incidenti agli impianti di produzione.

Tutte le sostanze sono formate da molecole e tutte le molecole sono fatte di atomi. L’atomo è la più piccola struttura di un elemento chimico che conserva le sue proprietà. Molecole, atomi e particelle stanno insieme grazie ai legami energetici della loro struttura atomica.

Un atomo è composto da un nucleo centrale dove si concentra quasi tutta la sua massa formata da neutroni e protoni e una nuvola di elettroni che vibra attorno al nucleo. Gli elettroni che vibrano nei gusci più esterni per stare insieme hanno più energia.

Nel nucleo i protoni avendo carica positiva dovrebbero respingersi tra loro, questo non accade perchè nel nucleo agiscono delle forze ancora più forti che attraggono le particelle, se queste forze vengono spezzate si ha una divisione nucleare con emissione di particelle e di moltissima energia, quella che tiene unito il nucleo.

Per ricavare questa energia si bombardano con neutroni gli elementi pesanti come l’ $U^{235}$ ; durante la reazione si liberano altri neutroni e una grande quantità di energia. Quindi durante questo bombardamento chiamato fissione nucleare, si producono nuovi neutroni che colpiscono altri nuclei di uranio innescando così una reazione a catena.

L’uranio si trova in natura come miscela di due isotopi $U^{235}$ e $U^{238}$ , ma solo il primo è fissile, può cioè essere spezzato in due se viene colpito da neutroni. Gli isotopi che vengono prodotti durante la reazione nucleare sono radioattivi, avendo un eccesso di neutroni, continuano a trasformarsi fino a raggiungere una struttura stabile, in genere diventano piombo.

La fusione nucleare , ancora in via di sperimentazione, è l’inverso della fissione, infatti, in essa si fondono nuclei leggeri come quelli dell’idrogeno in atomi più pesanti come l’elio. Durante la reazione una piccola parte di materia dei nuclei si trasforma in enorme quantità di energia in base all’equazione di Einstein E=mc². La fusione richiede temperature di milioni di gradi e avviene tra due isotopi dell’idrogeno , il deuterio e il trizio. Una volta innescata produce dieci volte più energia della fissione e si autoalimenta, ma l’elevata velocità e le alte temperature sono una dura sfida per gli scienziati.

La centrale nucleare

La centrale nucleare funziona in modo simile ad una centrale termoelettrica; l’acqua surriscaldata in vapore ad alta pressione, mette in moto le turbine a vapore e gli alternatori che producono elettricità.

I nuclei dell’atomo di $U^{235}$ , colpiti da neutroni veloci, si spezzano generando calore ed elementi radioattivi. Esso che in natura è poco presente si ricava dal più abbondante $U^{238}$ a cui vengono strappati tre elettroni.

La fissione avviene nel reattore il cui nocciolo è costituito da circa 90 000 barre di $U^{235}$ , intervallate da barre di controllo di cadmio e berillio che assorbono i neutroni liberati dalla fissione. Lasciando più o meno scoperte le barre di controllo, si accelera o si rallenta o si blocca la reazione a catena, controllando la liberazione di energia. Il nocciolo è immerso in un liquido con acqua e controlla la reazione.

Il calore sprigionato dalla’energia di fissione surriscalda l’acqua di un circuito secondario, non a contatto con le sostanze radioattive, che aziona turbine e alternatori.

In una centrale autofertilizzante oltre all’ $U^{235}$ viene messo anche combustibile fertile come $U^{238}$ ; questo assorbendo i neutroni prodotti dalla reazione si trasforma in plutonio 239 che non esiste in natura ma può essere usato come combustibile.

La centrale nucleare è molto efficiente ma molto pericolosa, infatti, il problema principale è lo smaltimento degli scarti della fissione che restano radioattivi per migliaia di anni. Un altro problema è anche la chiusura di un impianto nucleare che dovrebbe durare sui 30 anni.

Le scorie per essere smaltite, vengono inglobate in materiali insolubili come il vetro e sistemate in speciali fusti di acciaio, resistenti alla corrosione. Sono poi collocati in depositi naturali come le miniere di salagemma, profondi e stabili geologicamente.

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