Energia nucleare
Che cos'è e come si ottiene l'energia nucleare?
L'energia nucleare, spesso impropriamente denominata "energia atomica", è l'energia che viene liberata dal nucleo in seguito a decadimento radioattivo o durante reazioni nucleari. Le reazioni che portano a liberazione di energia nucleare sono i processi di fusione dei nuclei di basso peso atomico, come il deuterio o il trizio, e i processi di fissione di nuclei pesanti, come l'uranio.
La possibilità di liberare energia sia per fissione sia per fusione può essere spiegata considerando l'energia di legame dei nucleoni (protoni e neutroni) nei nuclei, in funzione del numero di massa.
Ora avviene sia per i nuclei più leggeri (che intervengono nei processi di fusione) sia per i nuclei più pesanti (che possono dare luogo a processi di fissione) che nel passaggio, rispettivamente, da due nuclei leggeri a un nucleo pesante o da un nucleo pesante a due nuclei leggeri (i "frammenti" risultanti dalla fissione) si renda disponibile una parte dell'energia di legame dei nucleoni, da qui la suddetta liberazione di energia. Misure compiute per via calorimetrica hanno consentito di determinare in circa 190 MeV il calore svolto in media dalla fissione di un singolo nucleo.
La caratteristica fondamentale presentata dalle reazioni che danno energia nucleare è che in esse si assiste a una trasformazione di massa in energia (secondo la relazione di Einstein E = mc2) che è cospicua.
Che cos'è l'energia nucleare?
La teoria della relatività di Einstein aveva posto fino dal 1906 i presupposti per la comprensione e poi l'utilizzazione delle energie che si sprigionano dalle reazioni nucleari (energia nucleare).
Einstein infatti, con la celebre equazione: E = m · c2, aveva introdotto il principio di equivalenza fra la massa e l'energia e quindi la possibilità teorica di trasformare la prima nella seconda, con un coefficiente di trasformazione uguale al quadrato della velocità della luce nel vuoto.
Gli elementi chimici che si trovano in natura sono costituiti da atomi a loro volta costituiti da nuclei (circondati da elettroni periferici che ne compensano le cariche elettriche) formati da neutroni e protoni tenuti insieme da imponenti forze di coesione nucleare.
La massa di ciascun elemento non coincide, come sarebbe stato lecito aspettarsi, con la somma nelle masse delle singole particelle costituenti, ma è leggermente inferiore a tale somma per una quantità chiamata appunto difetto di massa.
Il difetto di massa costituisce quella frazione di massa che nei vari elementi non compare come tale in quanto è impegnata, secondo la legge di Einstein, a rappresentare l'energia di legame che vincola le varie particelle all'interno di ciascun nucleo.
Questa è una forma particolare di una energia potenziale che si rende disponibile nelle varie reazioni nucleari con le stesse modalità ed effetti con cui l'energia di legame si manifesta nelle reazioni chimiche, con sviluppo od assorbimento di calore.
La differenza con le reazioni chimiche è, in un certo senso, puramente quantitativa, in quanto, nel caso nucleare, le energie specifiche in gioco sono molto più grandi.
In particolare possiamo ricordare che dall'annichilazione di 1 g di materia si producono 24 milioni di kWh. Invece dalla fissione di 1 g di uranio si ricava una quantità di energia mille volte minore.
Energia nucleare: fusione e fissione
Nel campo dei nuclei leggeri, sono liberatrici d'energia quelle reazioni che danno luogo alle cosiddette fusioni nucleari, cioè alla trasformazione di nuclei leggeri in nuclei più pesanti, per esempio di un nucleo di tritio e di un nucleo di deuterio in un nucleo di elio e di un neutrone.
Nel campo dei nuclei pesanti, invece, le reazioni nucleari liberatrici di energia sono quelle in cui un nucleo complesso si frantuma in due o più nuclei, come avviene, per esempio, nel processo di fissione dell'uranio (fissione nucleare). Quando le particelle elementari od i nuclei entrano in collisione, in funzione dell'energia di collisione, si ha una certa possibilità che avvenga una data reazione nucleare.
Fissione dell'uranio: un nucleo di uranio-235 viene "bombardato" da un neutrone. Dalla fissione dell'atomo di uranio vengono generati due nuovi atomi (kripton e bario), vengono liberati tre neutroni e dell'energia.
In generale (ad eccezione della fissione) la suddetta probabilità diventa apprezzabile oltre una certa soglia di energia e cioè, in generale, oltre una certa soglia di temperatura.
La sede naturale delle reazioni nucleari sono le stelle che traggono da esse la loro energia raggiante. Nelle stelle ordinarie come il Sole, grazie all'elevata temperatura, si hanno reazioni di fusione secondo cui nuclei di idrogeno formano nuclei di elio.
Procedendo nella loro evoluzione, le stelle innescano nel loro interno processi di fusione più complessi, grazie ai quali si formano i vari elementi. In particolare gli elementi più pesanti si formano, con processo endotermico, nelle esplosioni delle supernove. Queste disseminano nell'universo i vari elementi chimici da noi conosciuti che sono stati appunto fabbricati nel corso dell'evoluzione stellare.
Esempi di massicce reazioni nucleari sulla terra sono le esplosioni delle bombe nucleari. Le bombe a fissione usano uranio-235 o plutonio che, raggiunta la massa critica si fissionano quasi istantaneamente.
La cosiddetta bomba H è costituita da una bomba a fissione circondata da opportuni materiali leggeri (deuterio, tritio, litio). L'elevata temperatura, prodotta dall'esplosione della bomba a fissione, è sufficiente per l'innesco di una successiva e più violenta reazione di fusione che interessa i materiali leggeri.
In sede sperimentale le reazioni nucleari vengono riprodotte nelle varie macchine acceleratrici progettate dai fisici nucleari, nelle quali, grazie ad intensissimi campi magnetici, le varie particelle vengono fortemente accelerate e quindi, al momento opportuno, fatte collidere con predisposti bersagli materiali.
Quanto più elevata è l'energia cinetica che si riesce ad imprimere ad ogni singola particella, tanto più è probabile che avvengano reazioni nucleari.
La potenza di una macchina acceleratrice è misurata in elettronvolt (e nei suoi multipli MeV e GeV di 1 milione e 1 miliardo) che è l'energia che la macchina può imprimere a una particella misurata in termini dell'energia che acquista un elettrone passando da un campo ad un altro dove la differenza di potenziale è di 1 volt (1 MeV è uguale a 1,6.10-6 erg).
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