Prima di tutto, definiamo l'energia di legame come l'energia che devo spendere per dividere un nucleo nelle sue componenti fondamentali (protoni e neutroni), tenuti insieme nel nucleo da una forza estremamente potente. Per fare un paragone, pensiamo all'energia che devo spendere per separare due calamite che si attraggono.
Nel mondo dei nuclei succede però una cosa divertente: prendiamo un nucleo pesante, p.es. Uranio, pesiamolo in qualche modo (è possibile, anche se non si può usare una bilancia :-), poi dividiamolo in due parti e pesiamo i due "figli": questi pesano meno del nucleo di partenza! È come se un sacchetto di pane pesasse di più delle singole pagnotte che contiene!
La differenza (difetto di massa) si è semplicemente trasformata in energia! E questa energia può essere usata per scaldare dell'acqua o per altre cose! È facile calcolare quanta energia si può ottenere utilizzando la famosa relazione di Einstein E=mc2, dove c rappresenta la velocità della luce, un numero enorme. Se potessimo sfruttare tutta l'energia disponibile, un solo grammo di materia ci fornirebbe qualcosa dell'ordine dei Mega joule; in pratica questo non è possibile, per varie cause tecniche e teoriche.
Giusto per poter fare confronti corretti, l'efficienza di trasformazione in energia elettrica è (numeri migliorativi approssimati):
- centrale nucleare a fissione = 35%
- motore a scoppio (benzina) = 25%
- ciclo combinato a metano = 55%
Il principio delle centrali a fissione è proprio questo: spezzare i nuclei di Uranio in nuclei più piccoli e catturando più energia possibile, p.es. scaldando acqua.
Ma come facciamo a dividere i nuclei? Usando dei proiettili nucleari, in questo caso neutroni. Questi sono vantaggiosi per due motivi: il neutrone è... neutro! Quindi può avvicinarsi con maggiore facilità al campo del nucleo, senza spendere troppa energia per superare il campo elettrico. Secondo: quando il nucleo si spezza, vengono espulse le parti che non servono ai nuclei figli, guarda caso si tratta di altri neutroni, pronti a spezzare altri nuclei. Ecco la reazione a catena: basta creare i primi neutroni, che la reazione si auto-sostiene. Anzi, è necessario inserire materiali che catturino i neutroni in eccesso, altrimenti in un tempo brevissimo una buona parte dei nuclei viene spezzata, viene espulsa moltissima energia e si ottiene... la bomba atomica!
Quindi i reattori a fissione sono delle "bombe atomiche mancate": al loro interno sono previsti materiali che assorbono neutroni (Cadmio, Boro,...) e che controllano l'intensità della fissione. Tali materiali sono sempre calcolati in eccesso: in caso di problemi vengono "iniettati" in quantità tale da assorbire la maggior parte dei neutroni e da spegnere la reazione a catena; questo è il motivo per cui oggi nessuna centrale a fissione può esplodere come una bomba: in caso di problemi, barre di Cadmio, Boro, ecc... vengono automaticamente lasciate cadere nel combustibile, arrestando immediatamente la reazione.
Questo arresto è però differente dallo spegnimento: infatti il combustibile nucleare (esausto o meno) è radioattivo: anzi, emette talmente tanta radiazione sotto varie forme (alfa, beta, gamma), tanto da scaldare velocemente (radiazione=energia) il materiale circostante, fino alla possibilità di fondere il recipiente che lo contiene. Quindi l'acqua di raffreddamento deve continuare a circolare a portata normale anche se la reazione a catena è spenta, altrimenti il nocciolo comincia a fondere, attraversando tutto quello che trova sulla sua strada (effetto chiamato Sindrome Cinese).
In condizioni normali, spenta la reazione a catena, resta il cosiddetto Calore di Decadimento, che rappresenta una piccola frazione rispetto alla potenza di funzionamento (attorno al 7%); tuttavia, l'enorme numero dei nuclei di Uranio presenti fa sì che il calore totale da eliminare sia ancora grandissimo: anche se dopo una settimana siamo attorno allo 0,3%, è pur sempre in grado di fondere il recipiente del nocciolo. Questo problema deve essere affrontato anche per i depositi di scorie (dopo un anno una tonnellata di Uranio esausto può produrre ancora circa 10kW di calore).
Nella prossima puntata vedremo cosa intendiamo per radiazione.
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