Energia nucleare

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Introduzione

Energia nucleare Forma di energia immagazzinata nel nucleo dell’atomo, responsabile dei legami che tengono uniti i suoi costituenti. Tali legami sono realizzati mediante l’interazione forte, la più intensa tra le quattro forze fondamentali esistenti in natura. Nel corso di determinate reazioni nucleari, parte di questa energia viene liberata all’esterno sotto forma di energia cinetica dei prodotti di reazione o di radiazione elettromagnetica; può quindi essere raccolta e convertita in altra forma per usi commerciali, scientifici e militari.

L’inizio dello sfruttamento dell’energia nucleare per la produzione di energia elettrica risale agli anni Cinquanta del XX secolo. Di decennio in decennio si è andata affermando come una promettente forma di energia alternativa alle fonti convenzionali non rinnovabili, soprattutto in virtù della sua convenienza economica. Poi, in seguito agli storici incidenti di Three Mile Island e di Černobyl, la proliferazione dei reattori nucleari ha subito un rallentamento. Oggi la percentuale di energia elettrica di origine nucleare nel mondo rappresenta il 15,9% del totale (2003); in Italia non si produce energia nucleare dal 1987, data del referendum popolare che ne ha deciso la messa al bando.

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Massa e costituenti del nucleo atomico

Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa dell’atomo. Esso è costituito infatti da protoni e neutroni, che sono circa 2000 volte più pesanti degli elettroni che vi ruotano intorno. Il numero di queste particelle, dette complessivamente nucleoni, è specificato dal numero di massa A, dato dalla somma del numero di protoni, Z, e di quello di neutroni, A-Z. Per indicare un nucleo atomico si usa in genere la notazione ¿κ, dove K rappresenta l’elemento chimico, A il numero di massa e Z il numero atomico. L’espressione ²³⁵U, ad esempio, rappresenta l’isotopo dell’uranio di numero di massa 235 (in questo caso Z, che vale 92, è sottinteso).

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L’energia di legame media

Un parametro fondamentale per capire attraverso quali reazioni si può estrarre energia dal nucleo è l’energia di legame media per nucleone, definita come il rapporto tra l’energia di legame complessiva di un nucleo e il numero di nucleoni A. Se si rappresenta questo parametro al variare del numero di massa A, si osserva che il grafico presenta un massimo in corrispondenza di un valore di A prossimo a 60, vale a dire intorno al nucleo del ferro. Questo significa che il nucleo del ferro è più strettamente legato di qualunque altro nucleo. La curva è crescente per i nuclei con A minore di 60 e decrescente per quelli con A maggiore dello stesso valore. Le reazioni che possono avvenire con vantaggio energetico, quindi, sono quelle di fusione tra nuclei leggeri che diano come risultato un nucleo non più pesante del ferro, e quelle di fissione di nuclei molto pesanti, i cui frammenti non siano più leggeri del ferro: è in queste reazioni che viene liberata energia, in quantità pari alla differenza di energia di legame tra i prodotti e i reagenti.

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Fissione e fusione

Dunque, risulta evidente che due sono i processi nucleari che si possono sfruttare per produrre energia: la fissione di nuclei pesanti e la fusione di nuclei leggeri.

Ad esempio, dalla reazione di fusione di due nuclei di deuterio, o idrogeno pesante (ªH),

si ottiene un nucleo di elio 3, un neutrone libero (¦n), e una quantità di energia nucleare pari a 3,2 MeV, cioè 5,1 × 10^-13 J. Dalla fissione del nucleo ²³⁵U, indotta dall’assorbimento di un neutrone,

si ottiene invece cesio 140, rubidio 93, tre neutroni e un’energia nucleare di ben 200 MeV, cioè 3,2 × 10^-11 J.

Al momento, l’unico processo che possa essere attuato con vantaggio economico è quello della fissione: su di esso sono basati tutti i reattori commerciali oggi in funzione nel mondo. La fusione, invece, presenta altre problematiche (in primo luogo, il confinamento dei plasmi utilizzati) che rendono più complicata la realizzazione di reattori commercialmente utili. Gli scienziati sono tuttora alla ricerca di un metodo per ottenere un bilancio energetico positivo dalla fusione.