ENERGIA NUCLEARE L ENERGIA CHE DERIVA DALL ATOMO

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1 ENERGIA NUCLEARE L ENERGIA CHE DERIVA DALL ATOMO la storia HIROSHIMA E NAGASAKI GUERRA FREDDA 1986 INCIDENTE DI CHERNOBIL 2011 FUKUSHIMA Patrizia Dova maggio

2 Cos è l energia nucleare? L'energia nucleare è una forma di energia derivata dalle reazioni nucleari e dalla forza nucleare che tiene insieme il nucleo atomico. È il legame che tiene uniti i nucleoni (neutroni e protoni ) nel nucleo di un atomo. Le forze nucleari sono tra le più intense in natura. L'attuale produzione di energia nucleare nel mondo si basa esclusivamente su centrali nucleari a fissione nucleare controllata. L'energia viene liberata all'interno di un reattore nucleare. L'energia termica (calore) è poi trasformata in forza vapore (energia cinetica) per produrre elettricità tramite una turbina elettrica. Patrizia Dova maggio

3 Fissione nucleare La fissione nucleare consiste nella divisione dei nuclei degli atomi dei materiali radioattivo (esempio Uranio 235) ed è la tecnologia utilizzata nelle attuali centrali termonucleari per la produzione di energia elettrica tramite l energia nucleare. Nelle centrali nucleari la fissione è realizzata tramite sistemi in grado di far urtare dei neutroni contro il nucleo degli atomi. L'urto spezza l'atomo del materiale radioattivo sprigionando energia. Il risultato del processo è la creazione di due atomi più piccoli e l'emissione di energia termica. La massa dei due atomi, così creati, è inferiore alla massa dell'atomo che li ha generati, poiché parte della massa iniziale si è trasformata in energia. La reazione nucleare consente di produrre una elevata quantità di energia. Patrizia Dova maggio

4 In base alla formula di Einstein, E=mc 2, l'energia (E) è uguale al prodotto della massa (m) per la velocità della luce (c) elevata al quadrato. Essendo la velocità della luce (c) pari a 300 mila km al secondo, una minima quantità di materiale radioattivo è in grado di sprigionare una enorme quantità di energia. L'energia termica, ossia il calore, può essere utilizzata per riscaldare acqua allo scopo di generare vapore acqueo. La forza vapore viene opportunamente incanalata verso delle turbine elettriche per la produzione di energia elettrica. Patrizia Dova maggio

5 Perché si parla di fissione Il termine fissione deriva dal sostantivo inglese fission che, letteralmente, significa rottura. Durante la reazione di fissione nucleare il nucleo atomico, bombardato da un neutrone (cattura del neutrone), si spacca in due o più nuclei aventi masse non molto dissimili. Quando il nucleo che cattura il neutrone è di numero atomico molto elevato, la massa dei prodotti finali risulta inferiore a quella iniziale (nucleo + neutrone) e ciò provoca, così, la liberazione di una certa quantità di energia. La quantità di energia liberata può essere calcolata mediante l equazione einsteniana: E= m c² Tale energia è liberata da un atomo di uranio in tutta la sua serie di decadimenti fino a raggiungere la stabilità nell elemento piombo. L energia così prodotta, per urti successivi, si converte in energia termica. Patrizia Dova maggio

6 Reazione a catena Durante la reazione di fissione, poiché si formano nuclei più piccoli, si liberano, altresì neutroni che diverranno, a loro volta, proiettili in altre reazioni di fissione in un rapidissimo susseguirsi di eventi spontanei che prende il nome di reazione a catena. Se la reazione a catena avviene in modo non controllato ed istantaneo si verifica una esplosione nucleare (bomba atomica). Se la reazione a catena avviene in modo controllato e lentamente, l energia liberata può essere impiegata per scopi pacifici. Patrizia Dova maggio

7 Patrizia Dova maggio

8 Fusione nucleare La fusione nucleare è un processo di reazione nucleare in cui due o più atomi sono compressi al punto da fondersi. Gli atomi si fondono tra loro (da cui 'fusione') creando un nuovo nucleo di massa maggiore. Il processo di fusione nucleare è presente nelle stelle e nel Sole. La fusione nucleare è la reazione inversa della fissione nucleare. Nel processo di fusione nucleare nuclei leggeri si fondono in modo da formare un nucleo più pesante, liberando energia pari alla differenza tra le masse secondo la reazione einsteniana: E= m c² Patrizia Dova maggio

9 Esempio di fusione nucleare Un esempio do fusione nucleare può essere quella del deuterio e del trizio, entrambi isotopi dell idrogeno, che possono, fondendosi, dare vita all elio. Le reazioni di fusione avvengono nel sole e nelle stelle e sono alla base dell enorme quantità di energia raggiante a noi ben nota. Al momento il processo di fusione nucleare è oggetto di studio ed ancora non è impiegato per la produzione di energia a scopi pacifici. Patrizia Dova maggio

10 Fusione come fonte di energia. La fusione nucleare è anche una fonte di energia sperimentale per produrre elettricità. La fusione nucleare può rilasciare energia sfruttabile in grado di soddisfare la domanda energetica del pianeta. Tuttavia, per ricreare le stesse condizioni che consentono alle stelle di generare energia tramite la fusione è necessario consumare energia. In molte sperimentazioni l'energia richiesta per generare la fusione nucleare è di molto maggiore a quella prodotta dalla reazione stessa. Nel Sole il combustibile è compresso dalla grande forza di gravità della stella. Per la realizzazione di reattori a fusione la scienza sta cercando di individuare una reazione a bassa soglia di energia. Patrizia Dova maggio

11 Pro e contro della fissione nucleare Nella fissione nucleare la materia prima dell'energia nucleare è l'uranio. L'energia nucleare è l'unica fonte energetica in cui l'elemento fondamentale è la tecnologia e non la materia prima. La tecnologia nucleare è in grado di sprigionare un'enorme quantità di energia da una piccola massa di materiale reagente (es. uranio). La quantità necessaria per produrre energia è radicalmente inferiore rispetto alle fonti tradizionali. Tuttavia, la tecnologia per sfruttare l'energia dell'atomo è molto più complessa e costosa rispetto ad altri fonti di energia. I costi per la sicurezza degli impianti sono molto alti. Gli investimenti necessari per costruire e gestire una centrale atomica sono molto più alti rispetto ad una centrale termoelettrica. Inoltre, è necessario preparare il combustibile per farle funzionare e stoccare in sicurezza le scorie radioattive prodotte negli impianti per molto tempo. Patrizia Dova maggio

12 Scorie radioattive Uno dei principali handicap della tecnologia nucleare è la produzione di radioattività di medio e lungo periodo. I materiali a diretto contatto con la radioattività sono detti scorie nucleari. Le scorie sono classificate in scorie di prima categoria, seconda categoria e terza categoria. Le scorie non possono essere distrutte. È necessario provvedere allo stoccaggio in un deposito di sicurezza per migliaia di anni. Il periodo di decadimento radioattivo può durare centinaia di anni (scorie di I e II categoria) o migliaia di anni (scorie di III categoria). L'energia nucleare è una delle poche fonti energetiche non derivanti dall'energia solare. È una fonte energetica non rinnovabile, perché la quantità di uranio è scarsa e si trasforma in una scoria inutilizzabile dopo l'impiego in un reattore nucleare. Patrizia Dova maggio

13 L'impatto ambientale del nucleare L'energia nucleare non produce gas serra La produzione di energia elettrica tramite il nucleare non si basa sulla combustione delle materie prime fossili. Pertanto, l'energia nucleare non emette gas serra e CO 2. L'impatto sull'effetto serra è molto basso. Tuttavia, il nucleare ha un elevato impatto ambientale dovuto al rischio della contaminazione radioattiva dell'ambiente in caso di incidente agli impianti e alla messa in sicurezza delle scorie radioattive. Un incidente nucleare compromette l'ambiente per centinaia di anni, modifica il DNA degli organismi viventi e interferisce con i processi naturali. Nella storia sono avvenuti due grandi incidenti nucleari: nel 1986 a Cherbobyl (Russia) e nel 2011 a Fukushima (Giappone) Patrizia Dova maggio

14 La bomba atomica Alla fine degli anni 30 Einstein venne a sapere che gli scienziati del Reich stavano lavorando alla bomba atomica. Messo da parte il suo pacifismo scrisse quiondi una lettera al presidente Roosvelt, incitando gli Stati Uniti a condurre ricerche nel campo per ottenere l arma prima dei nazisti. Einstein non partecipò mai in alcun modo al progetto Manhattan, ma nei decenni seguenti si pentì fortemente del piccolo ruolo giocato nello sviluppo delle bombe atomiche, e pochi mesi prima della sua morte scrisse insieme al filosofo Bertrand Russell un documento noto come Manifesto Russel-Einstein, in cui si ricordavano i pericoli legati agli armamenti atomici, e si chiedeva a tutti i governi del mondo di trovare metodi pacifici per risolvere le dispute tra loro. Patrizia Dova maggio

15 Radioattività La radioattività è la proprietà dei nuclei atomici di alcune sostanze, tale per cui essi si disgregano in modo completo, trasformandosi in altri elementi, solitamente più leggeri. Si tratta di un fenomeno del tutto naturale oggetto di ricerche sperimentali a partire dalla fine dell ottocento. A scoprirlo fu H. Bequerel nel 1896; successivi studi furono condotti dai coniugi Curie nel Il processo di disgregazione dei nuclei atomici avviene spontaneamente e produce una emissione naturale di radiazioni di particolare intensità. Patrizia Dova maggio

16 Tipi di radiazioni radioattive Raggi α (alpha). I raggi α sono costituiti da aggregati di due protoni e due elettroni. Raggi β (beta). I raggi β sono costituiti da elettroni avente una elevatissima velocità, vicina a quella della luce. Raggi γ (gamma). I raggi γ sono elettricamente neutri e sono costituiti da onde elettromagnetiche Patrizia Dova maggio