2011-06-04
Parliamo di nucleare - V: effetti biologici
2011-05-17
Parliamo di nucleare - IV: Misura delle radiazioni
Per poter ragionare dei possibili danni da radiazione, occorre conoscere come queste sono misurate. Attualmente coesistono due sistemi di unità di misura: le cosiddette "vecchie unità" e quelle più recenti del Sistema Internazionale (SI); ufficialmente sono valide soltanto le unità SI, ma le vecchie erano entrate quasi nel linguaggio comune, per cui capita spesso di vederle ancora usate. Tuttavia, diffidate di un comunicato "ufficiale" che usa le vecchie unità: probabilmente non è così ufficiale come sembra!
Le unità SI si riferiscono alla quantità di energia che la radiazione lascia nel materiale attraversato; più è l'energia rilasciata, più in genere è alto il danno alla materia: si può andare da una semplice perturbazione, fino alla creazione di particelle e alla rottura di legami interni, che possono creare elementi che prima non esistevano, magari instabili e quindi radioattivi.
Attività: misura quanto un materiale è attivo, dando il numero di disintegrazioni (cioé decadimenti radioattivi) nell'unità di tempo. Si misura in becquerel (Bq), definito come l'attività di un radionuclide che presenta una disintegrazione al secondo.
In precedenza, si usava il curie (Ci), unità molto grande (1 Ci = 37 GBq), pari all'attività di un grammo di Radio-226.
L'attività quindi è un numero che dà l'idea della potenza di una sorgente, ma prescinde dall'energia e dal possibile danno.
Dose assorbita: come dice il nome, misura l'energia assorbita da un materiale; l'unità è il gray (Gy), pari all'energia di 1 joule per chilogrammo di materia (1 Gy = 1 J/kg). La vecchia unità era il rad (1 Gy = 100 rad). Da notare che per esposizioni di raggi x e gamma, si usava il roengten, che oggi non ha un corrispettivo SI: misurava la carica prodotta dalla radiazione in un centimetro cubo di aria. Era facilmente misurabile, in quanto bastava misurare la tensione ai capi di un condensatore si cui si accumulava la carica, ma oggi è in disuso.
La dose assorbita nell'unità di tempo Gy/s è anche chiamata intensità di dose e spesso è la misura più interessante, p.es. per calcolare quanto tempo un uomo può ricevere una certa radiazione prima di subire danni irreparabili.
Dose equivalente: misura gli effetti biologici di una radiazione, considerando come riferimento i raggi x e gamma e si misura in sievert (Sv). Come accennato nella puntata precedente, se una radiazione è composta da raggi x, molto energetici ma con poca probabilità di interagire con le cellule del corpo, può produrre un danno minore di una radiazione alfa, che scarica tutta la sua energia in uno volume piccolissimo. La dose equivalente tiene infatti conto del tipo di radiazione, usando un fattore di qualità diverso nei vari casi. Vediamo qualche esempio di fattore di qualità:
raggi x/gamma: w = 1;
raggi alfa: w = 20;
neutroni: w variabile da 3 a 11, a seconda dell'energia
Quindi per i fotoni 1 Gy = 1 Sv, mentre per la radiazione alfa 1 Gy = 20 Sv. In altre parole, la conoscenza della dose equivalente prescinde dal tipo di radiazione.
In precedenza, l'unità usata era il rem, con lo stesso significato, ma relativo alla dose in rad; oggi non dovrebbe essere più usato.
Esiste ed è utile anche la misura di Dose Efficace, data dalla somma delle dosi equivalenti ai vari organi del corpo, pesati ciascuno con la sua sensibilità alle radiazioni. Per esempio, il cristallino dell'occhio o le gonadi sono più sensibili (cioè possono avere più danno da radiazioni di una mano, a parità di intensità); allo stesso modo, un'organo insensibile ad una radiazione esterna, può essere molto sensibile ad una interna (p.es. cibo radioattivo) L'unità di misura è sempre il sievert.
Ora abbiamo i mezzi per parlare dei danni: alla prossima puntata!
2011-04-30
Parliamo di nucleare - III: Le radiazioni
Detto semplicemente: la radiazione è il fenomeno secondo il quale una quantità di energia si trasmette in natura; la Fisica insegna che tale energia trasportata è inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda: più alta è l'energia, minore è la lunghezza d'onda. Esempi di radiazione sono, dalla bassa energia a quella alta: onde elettriche, onde radio, microonde, infrarossa (cioè calore), luce visibile (dal rosso al blu), ultravioletti, raggi x, raggi gamma.
La pericolosità dipende dall'energia totale: il calore (infrarossi) di un termosifone non ci spaventa, ma quello di un forno sì; la luce del sole è utile ma suoi ultravioletti ci possono ustionare; una radiografia aiuta a curarci, ma fare 10 TAC in un mese può provocare danni. Anche la densità di energia ha importanza: prendere il sole può renderci rossi come gamberi su tutto il corpo, ma raggi x concentrati in un punto possono distruggere le cellule. Inoltre, le radiazioni più energetiche, dall'ultravioletto lontano, ai raggi x e gamma, sono in grado di ionizzare le cellule, cioè cedere loro energia provocando la rottura dei legami cellulari.
Il tipo di radiazione che ci interessa in questo momento è quella a più alta energia e quella generata da particelle che costituiscono l'atomo ed il nucleo: elettroni (radiazione beta), nuclei (particelle alfa), raggi x e gamma (fotoni) e in generale particelle elementari (p.es. protoni e neutroni), cioè le radiazioni ionizzanti.
I fotoni sono energia allo stato puro: non hanno massa, ma viaggiano in "pacchetti" (in fisica, parlare di radiazioni o particelle è un po' la stessa cosa!): quando urtano un nucleo, possono cavarne fuori particelle e generare materiali instabili; se colpiscono materia organica possono semplicemente deviare traiettoria, ma anche cedere parte della loro energia (o tutta) alle cellule, che quindi possono "scottarsi": si va dal nessun effetto, alla morte della cellula, alla creazione di cellule tumorali alle modifiche delle informazioni nel DNA, provocando mutazioni genetiche (non sempre dannose, visto che si crede che in qualche modo abbiano generato la vita sulla Terra).
Una cosa simile vale per protoni, neutroni e nuclei, con la differenza che questi hanno massa: sono quindi proiettili, che possono essere frenati p.es. anche solo dalla pelle, ma per contro rilasciano tutta la loro energia in una zona piccolissima, con probabilità di creare grandi danni in quel punto; in più le particelle cariche (p.es. i protoni) interagiscono ulteriormente con le cellule proprio per la loro carica elettrica. Quindi, esporsi ad una sorgente di particelle alfa potrebbe creare al massimo un neo sulla pelle (se la dose non è troppo alta), ma se mangiamo verdura contenente le stesse particelle alfa, il danno viene creato all'interno del corpo, non protetto dalla pelle, con altissima probabilità di danni irreversibili a tutto l'apparato gastro-intestinale. Giusto per farsi un'idea, pensiamo ad una palla di biliardo lanciata su un gruppo di altre: dopo qualche urto si ferma (perde tutta la sua energia), ma le altre palline sono sparse per tutto il biliardo; se il gruppo iniziale fosse un nucleo, alla fine lo stesso nucleo è sparpargliato ovunque!
C'è ancora un effetto di cui tenere conto: se spariamo una palla di cannone contro una mosca, sarà molto probabile che la mosca ne esca indenne, anche se sarà certamente colpita; se invece sparassimo uno spillo, sarebbe molto difficile colpire la mosca di prima, ma se dovesse succedere, non avrebbe scampo. È un esempio un po' ridicolo per spiegare un principio fondamentale: una radiazione a grande lunghezza d'onda (p.es. le onde radio) interagisce certamente con il corpo umano, ma non potrà generare effetti, se non un po' di riscaldamento: l'onda non vede la nostra struttura interna, due cellule vicine saranno sollecitate allo stesso modo: è come guardare una persona ad occhio nudo, ne vediamo le forme ma non la struttura. Se invece un uomo è bersaglio p.es. di un neutrone (o di raggi x, ecc...), la loro lunghezza d'onda è piccolissima, quindi vedono e interagiscono con la struttura interna: il protone urta non contro l'intero corpo ma contro un singolo nucleo e può dare energia (spostarlo, cambiarne lo stato, ecc...) solo a lui. Ecco perché dai raggi x in su c'è rischio di danni interni a livello nucleare, mentre un forno (infrarossi) può al massimo ustionare (danno generale esterno).
Riassumendo: raggi x e raggi gamma sono pericolosi per la loro alta energia che può essere passata alle cellule, sia per esposizione esterna che interna, per le quali non c'è differenza: i raggi x e gamma passano tranquillamente attraverso il corpo, solo alcuni vengono assorbiti (e sono quelli dannosi).
Le radiazioni beta e alfa, invece creano pochi danni se la sorgente è esterna (sempre per dosi basse), mentre rappresentano un disastro se mangiate. Discorso a parte per i neutroni, la cui pericolosità dipende dalla loro energia (ma sono comunque più dannosi dei raggi x).
Prossima puntata: come misurare le radiazioni?
2011-04-24
Parliamo di nucleare - II: centrali a fissione
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.
2010-10-14
Bene, se ne trova sporadica traccia già nel 2008 [link], ma sappiamo che il lettore medio non guarda le pagine interne dei quotidiani, soprattutto le più noiose; ne ha parlato SuperQuark, verso la fine di Luglio, mese in cui nessuno si mette davanti alla TV… Per cui questo progetto sta passando sotto silenzio, interessando solo le persone coinvolte.
È un sistema per catturare energia dal vento, ma senza usare le pale eoliche, piuttosto ingombranti (sempre meglio di una centrale a carbone o di una nucleare, certo). L'idea di base è di usare i venti di alta quota; tanto per dare un'idea, se potessimo utilizzare l'energia cinetica dei venti esistenti su una zona paragonabile ad una centrale nucleare, otterremmo circa 1GW di potenza, praticamente quella prodotta dalla centrale stessa, però senza alcun inquinamento.
Il problema è di arrivare a quelle quote: le pale eoliche hanno un'altezza massima, oltre la quale la struttura non è più in grado di sostenerle. Si tratta quindi di pensare a delle "pale" senza sostegni. Praticamente stiamo parlando di… aquiloni!
Il principio è proprio quello: una volta che il nostro aquilone si è alzato (sappiamo che per quelli piccoli basta un bambino che corre!), il vento, sempre presente in quota, fa la sua parte, alzandolo sempre di più. I cavi che tengono l'aquilone si srotolano da un verricello, la cui rotazione genera quindi energia.
Arrivati alla massima altezza (che può arrivare attorno ai 1500 metri), il computer da terra comanda l'aquilone in modo da ridurre quasi a zero l'impatto del vento e lo ritira giù, assorbendo energia; arrivato a 100-150 metri da terra, lo ridispiega e l'aquilone si rialza, creando nuova energia. L'energia guadagnata durante l'ascesa è maggiore di 3 o 4 ordini di grandezza rispetto a quella necessaria per riportare in basso l'aquilone.
Il bello è che in questo modo si arriva facilmente alle centinaia di MW, prodotti da una installazione di una 30ina di metri di diametro, con una centesima parte dei materiali occorrenti per una qualsiasi altra centrale, sia elettrica che nucleare.
Se gli esperimenti attuali (in corso a Berzano), confermeranno le promesse, si potrà passare allo stadio successivo, dove un'installazione più grande, attorno al chilometro quadro, fatta da più unità sincronizzate, potrà arrivare facilmente a produrre 1 GW con una costanza dell'80%; praticamente la potenza di una centrale nucleare.
Il costo? Le valutazioni attuali parlano di 80 milioni di euro, rispetto agli oltre 2 miliardi di una centrale nucleare. Considerando che questa tecnologia è solamente agli inizi, si può solo pensare che questi costi diminuiscano.
Purtroppo bisogna registrare che, pur essendo un'invenzione italiana, rischiamo di farcela scappare; i finanziamenti ottenuti sul progetto non sono mai stati elargiti. Il primo finanziatore si porterà via tutto. Magari, chissà, in quel momento il progetto potrebbe guadagnare le prime pagine dei giornali.
Se volete approfondire, questo è il link al sito web del progetto, mentre questo è un utile riassunto su Wikipedia.
2009-10-25
Centrali nucleari americane
2009-09-04
Ecco a voi... Gli alberi artificiali!
L'inquinamento continua ad aumentare e gli alberi non riescono più a trasformare tutta l'anidride carbonica prodotta dall'uomo: come aiutarli? Piantando degli altri alberi artificiali.
Secondo le previsioni dell'IMECHE, potrebbero arrivare ad essere 100'000 solo nel Regno Unito e sarebbero in grado di diminuire le emissioni dannose (di cifre ancora non se ne parla), nelle zone più urbanizzate, nel giro di 10 o 20 anni. E sempre dalle stesse previsioni si evince che le nuove tecnologie, attuali e future, potrebbero aiutare l'uomo a salvarsi dalla catastrofe (stile Wall-E).
Gli alberi artificiali sono solo una delle proposte inserite nel tomo: la geo-ingegneria potrà, nei prossimi 100 anni, portare alla (quasi) completa decarbonizzazione dell pianeta.
Ma queste non sono solo previsioni di qualcosa che potrà accadere: gli alberi artificiali esistono già! Si alimentano ad energia eolica e sono in grado di "succhiare" l'inquinamento e trasformarlo in ossigeno.
Saranno la soluzione ai problemi che attualmente affliggono la Terra? Questo nessuno lo può dire, ma nel frattempo sarebbe altrettanto utile cominciare a preferire la bici per girare in città ed a ricordarsi di spegnere gli elettrodomestici che non servono.