Fisicamente

di Roberto Renzetti

Roberto Renzetti

 [Ripropongo in questo lavoro quanto già avevo scritto in differenti articoli già pubblicati]

ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE

0 – PREMESSA

Perché nascesse la fisica del nucleo sarebbe stato necessario scoprire il nucleo. E perché si parlasse di nucleo occorreva capire che la materia ha una struttura atomica con un atomo avente una determinata struttura di cui il nucleo è parte. Insomma, poiché queste dispense non vogliono avere un carattere storico, ritengo sia comunque utile fissare alcune date importanti al fine di situare la nascita della fisica del nucleo atomico.

1896 – Il fisico francese Henri Becquerel scopre il fenomeno della radioattività da sali di uranio (scoperta assolutamente casuale. A Becquerel era stata regalata una “bella pietra” giallognola, un souvenir da un amico che aveva fatto un viaggio in Africa. Becquerel la ripose in un cassetto, sopra delle lastre fotografiche che conservava, ben protette dalla luce, per suoi esperimenti. Il mattino successivo Becquerel scoprì che quelle lastre erano impressionate e tutte riportavano il “disegno” della proiezione della pietra).

1897  – Il fisico britannico J. J. Thomson scopre l’elettrone e ne misura la carica e la massa. La presenza nella materia di una carica negativa fa supporre l’esistenza in essa di una carica positiva che però sfugge alla rivelazione.

1898 – I coniugi Pierre e Maria Curie (francese il primo e polacca la seconda) scoprono altri elementi radioattivi: torio, polonio, radio (da quest’ultimo, che fornisce la maggiore attività, prenderà il nome il fenomeno).                               

1899 – Il fisico britannico Ernst Rutherford scopre misteriose radiazioni, che chiama alfa (a) e beta (b),provenienti da materiali radioattivi.

1900 – Il fisico francese Paul Villard scopre altri raggi, provenienti da materiali radioattivi, che chiama gamma  (g).

1906/1909 – Ernst Rutherford prova che i raggi  a  sono particelle cariche positivamente.

1909 – Ernst Rutherford ed i suoi collaboratori Geiger e Mardsen scoprono il nucleo dell’atomo e quindi il protone, la particella positiva che (fino al 1932) viene pensata come costituente principale del nucleo.

 1910/1913 – J. J. Thomson e F. W. Aston scoprono l’isotopia, cioè quelle sostanze che hanno stesse proprietà chimiche pur presentando nuclei atomici diversi.

 1911 – Rutherford elabora il suo modello atomico.

 1913 – Il fisico danese Niels Bohr elabora il suo modello atomico che soppianta quello di Rutherford.

 1932 – Il fisico britannico James Chadwick scopre l’esistenza del neutrone, una particella neutra che è costituente del nucleo. Diventa così chiaro il fenomeno dell’isotopia: è il numero dei protoni che qualifica chimicamente una sostanza; un elemento resta chimicamente lo stesso anche se varia il numero dei neutroni che costituiscono il suo nucleo.

                     A questo punto abbiamo in mano ciò che occorre per iniziare a parlare di fisica del nucleo. Un atomo, nel 1932, risulta costituito da un nucleo in cui vi sono protoni e neutroni intorno al quale ruotano degli elettroni:

– elettrone: particella di massa piccolissima e carica negativamente.

– protone: particella di massa circa 2000 volte quella dell’elettrone e carica positivamente.

– neutrone: particella con massa circa uguale a quella del protone e priva di carica (da cui il nome).

Figura 1

Figura 2

Io mi occuperò del solo nucleo dell’atomo in cui vi sono protoni e neutroni (per uno studio più dettagliato dei costituenti del nucleo atomico, si veda la parte che tratta le particelle elementari) e nel quale, a seguito di reazioni nucleari complesse studiate come vedremo da Enrico Fermi, possono essere creati elettroni che vengono però immediatamente espulsi (raggio o radiazione β).

1 – PRIME DEFINIZIONI

In primissima istanza, il nucleo di un atomo è costituito da protoni, dotati di carica positiva e da neutroni, privi di carica. I protoni ed i neutroni costituenti il nucleo, sono genericamente chiamati nucleoni, senza ulteriori specificazioni.

             Il numero dei neutroni in un nucleo è indicato con la lettera N; il numero dei protoni, detto numero atomico, con la lettera Z; infine il numero dei protoni più quello dei neutroni, il numero cioè dei nucleoni detto numero di massa, è indicato con la lettera A.

            E’ facile vedere che in un nucleo vale la seguente relazione:

N = A – Z.

             Con le notazioni introdotte, un qualsiasi elemento X della tavola periodica potrà essere indicato con il simbolo che gli compete (in questo caso, appunto, X) preceduto in basso e seguito in alto da due numeri, rispettivamente Z ed A:

ZXA.

               Occorre osservare che tra gli atomi di uno stesso elemento ve ne sono alcuni che hanno, nel nucleo, stesso numero di protoni ma differente numero di neutroni. A questi elementi, costituiti da atomi con diverso numero di neutroni nel nucleo, si dà il nome di isotopi

                Come esempio consideriamo l’atomo di idrogeno (H) che generalmente ha un elettrone orbitante intorno ad un nucleo costituito da un solo protone. L’idrogeno ha due isotopi chiamati deuterio e trizio i quali sono caratterizzati dal fatto di avere, rispettivamente, uno o due neutroni in più nel nucleo. In accordo con il simbolismo appena introdotto, il nostro idrogeno ed i suoi due isotopi saranno indicati nel modo seguente:

idrogeno  11 ;  deuterio  12  (oppure  12  );  trizio  13 (oppure  13 );

 e, volendo rappresentarli, si avrà la figura 3 nella quale è anche riportato il carbonio ed i suoi isotopi.

Figura 3

            Occorre solo aggiungere che le proprietà chimiche di un elemento dipendono esclusivamente dal numero degli elettroni e quindi dei protoni dell’atomo. Di conseguenza, aumentare il numero dei neutroni di un nucleo, non cambia in alcun modo le proprietà chimiche del rispettivo atomo.

2 – DIMENSIONI DELLE MOLECOLE, DEGLI ATOMI, DEI NUCLEI. ALTRE DEFINIZIONI

              Prima di procedere, conviene soffermarsi un poco sulle dimensioni con cui abbiamo a che fare nel mondo atomico e nucleare. Ci renderemo conto che stiamo trattando di oggetti infinitamente piccoli e scopriremo che la materia è ben diversa da quello che ci appare: in essa c’è una gran quantità di vuoto che supera di gran lunga il pieno.

               L’atomo è il primo costituente un dato elemento (in natura ne esistono 92). Due o più atomi che entrino in combinazione chimica, costituiscono una molecola. Quest’ultima può essere costituita da due o più atomi dello stesso elemento (ed allora abbiamo ancora a che fare con l’elemento) o da atomi di due o più elementi diversi (ed allora abbiamo a che fare con un composto). 

                Per cercare ora di avvicinarci alla comprensione delle dimensioni delle molecole e degli atomi dovremo servirci di analogie e paradossi perché il dire che la molecola ha mediamente un diametro di qualche milionesimo di millimetro può dire poco.

                 Supponiamo di ingrandire l’intera nostra Terra di 10 milioni di volte in modo che una matita, lunga normalmente 10 cm, divenga grande come l’Italia; in questo fantastico mondo una molecola avrebbe il diametro di mezzo centimetro. Questa estreme piccolezza della molecola fa si che, all’interno dei corpi, ve ne sia un numero enorme. Prima di proseguire è conveniente introdurre il peso atomico ed altre utili grandezze, iniziando con il definire una unità di misura pratica (non appartenente cioè a nessun sistema di unità) che permette di non dover far ricorso ai piccolissimi numeri che fornirebbero i valori di massa per molecole, atomi e nucleoni. Si tratta dell’unità di massa atomica (uma), unità scelta arbitrariamente e corrispondente ad un dodicesimo della massa dell’atomo dell’isotopo 12 (quello con 12 nucleoni) del carbonio (6C12):

1 uma = 1,66.10-27 Kg.

          Il peso atomico, relativo ad una unità di massa atomica, ci dice quante volte un atomo di un elemento pesa più di questa unità di massa. Dire, ad esempio, che il peso atomico del fluoro è 19 vuol dire che l’atomo di fluoro pesa 19 volte di più di un dodicesimo dell’atomo di carbonio 12 (oppure, che è lo stesso, ha una massa pari a 19 uma). Stabilito cos’è il peso atomico è facile definire il peso molecolare: la somma dei pesi atomici di tutti gli atomi costituenti la molecola. Sapendo, ad esempio, che l’ossigeno ha peso atomico 16 e l’idrogeno 1, si trova facilmente che il peso molecolare dell’acqua (H2O) è 1+1+16 = 18.

            Vediamo ora cosa sono il grammo-atomo e la grammo-molecola: si definisce grammo-atomo di un elemento quella massa dell’elemento il cui numero di grammi è uguale al peso atomico dell’elemento (poiché, ad esempio, l’elio ha peso atomico 4, un grammo-atomo di elio equivale a quattro grammi di elio); si definisce grammo-molecola di una sostanza quella massa della data sostanza il cui numero di grammi è uguale al peso molecolare della sostanza stessa (per quanto già detto è facile riconoscere che una grammo-molecola d’acqua equivale a 18 grammi d’acqua).

         Avendo a disposizione queste definizioni è possibile definire il numero di Avogadro (N): è quel numero di atomi, uguale per tutti gli elementi, contenuti in un grammo-atomo dell’elemento in considerazione o quel numero di molecole, uguale per tutte le sostanze, contenute in una grammo-molecola. Il valore calcolato per N risulta essere all’incirca:

N = 6.1023.

 Se disponiamo, ad esempio, di una grammo molecola d’acqua, in essa vi sono 6.1023 molecole d’acqua. Quindi in un bicchiere, circa 200 grammi d’acqua, vi sono circa 1025 molecole. Quanto è grande questo numero? Prendiamo il nostro bicchiere e supponiamo si possano riconoscere le molecole d’acqua in esso contenute. Rovesciamo il bicchiere nel mare e supponiamo che le molecole d’acqua che vi si trovavano vadano a mescolarsi uniformemente con tutte le acque della Terra. Andiamo ora al rubinetto di casa nostra; prendiamo un bicchiere d’acqua; in esso troveremmo 2 000 molecole d’acqua appartenenti al bicchiere che avevamo versato nel mare. Se poi, invece di un bicchiere d’acqua, ne prendiamo la metà, gli atomi ( di idrogeno e di ossigeno) costituenti quell’acqua basterebbero per seminare l’intera superficie della Terra, nell’ipotesi di collocare un solo atomo per ogni centimetro quadrato. Si pensi poi che una sola goccia di pioggia contiene tanti atomi quante sono le gocce d’acqua contenute nel Mare Mediterraneo.

              In definitiva molecole ed atomi sono entità estremamente piccole. Possiamo dire che il diametro medio di una molecola è dell’ordine di 10-9 metri, mentre quello di un atomo è dell’ordine di 10-10 metri; e ciò vuol dire che una molecola ha, come ordine di grandezza, un diametro dieci volte più grande di un atomo, ci vogliono cioè dieci milioni di atomi in fila per fare la lunghezza di un millimetro. Se dal diametro passiamo al volume, si scopre facilmente che il volume di una molecola è mille volte quello di un atomo. Quando passiamo ai costituenti dell’atomo le dimensioni diventano di gran lunga più piccole. E’ abbastanza noto che la massa del protone è circa 1800 volte quella dell’elettrone; questo dato, messo insieme al precedente che ci forniva il diametro medio di un atomo ed al fatto – che vedremo tra qualche riga – che il raggio di un nucleo è dell’ordine di grandezza di 10-15 metri, ci fa pensare che se ingrandissimo idealmente il nucleo fino a che assumesse la massa di una arancia, l’elettrone, con la massa di un pisello, si muoverebbe intorno ad esso in un’orbita con un raggio di una trentina di chilometri (come dire che, se mettessimo questa arancia in mezzo a Piazza Venezia a Roma, il pisello ruoterebbe passando sul litorale, su Tivoli, i Castelli, ….).

           Insomma, stiamo parlando di entità infinitesime, infinitamente piccole e tali da sfuggire completamente ai nostri sensi ed anche ai più sofisticati microscopi (e ciò non per motivi tecnici ma per ragioni teoriche connesse con il Principio di indeterminazione di Heisenberg che abbiamo già visto). Inoltre tutti i modelli meccanici che si possono pensare o, peggio, tutti i cambiamenti di scala immaginabili, non sono altro che piccolissimi stimoli intellettuali perché si comprenda che trattiamo di un mondo completamente differente da quello macroscopico che ci circonda. Nessun modello, per sofisticato che sia, che noi possiamo costruirci è, neppure lontanamente, corrispondente alla realtà. Il modello serve a noi per crearci una qualche immagine cui appenderci. Infine le leggi che regolano questo microcosmo sono il più delle volte diverse da quelle che regolano ilo macrocosmo, allo stesso modo che le regole che governano una famiglia sono diverse dalle leggi che regolano la società.

            Per dare qualche numero più preciso cui riferirsi più oltre, possiamo dire che il nucleo ha un raggio R variabile (a seconda dell’atomo di cui è nucleo), in funzione del numero A di massa, tra i valori:

1,4.10-15 m  ≤  R  ≤  8,7.10-15 m;

 relazione, quest’ultima, che può anche essere scritta in modo più preciso facendo comparire esplicitamente in essa la dipendenza dal numero di massa A dell’atomo in considerazione:

 Il raggio, invece, di un nucleone è dell’ordine di grandezza di 10-16 m.   

          Se si confrontano questi ultimi numeri si scopre che l’atomo è nel suo insieme in massima parte vuoto (il rapporto tra raggio dell’elettrone e quello dell’atomo è circa lo stesso del rapporto tra raggio della Terra e della sua orbita intorno al Sole; inoltre – e qui propongo un’altra similitudine – : se si riuscisse ad eliminare tutto il vuoto esistente, ad esempio, negli atomi di 5 000 portaerei, si otterrebbe una palla da tennis con la massa però delle 5 000 portaerei!). Nel nucleo dell’atomo è concentrata la gran parte della massa dell’atomo (oltre il 99%) ma esso risulta 10 000 volte più piccolo dell’atomo. Tra questo nucleo ed i lontanissimi elettroni vi è un vuoto immenso.     

             Concludo questo paragrafo fornendo i valori di massa delle particelle fondamentali costituenti l’atomo: 

– massa dell’elettrone              Me = 0,9 . 10-31 Kg

– massa del protone                 Mp ≈ 1 836 Me

– massa del neutrone               Mn ≈ 1 838 Me

e, dai numeri dati, risulta evidente che:

Mp = Mn .

3 – LE FORZE NUCLEARI 

            All’interno del nucleo, abbiamo già detto, vi sono protoni e neutroni; mentre questi ultimi sono privi di carica elettrica, i protoni sono dotati di carica positiva. Sappiamo però che cariche dello stesso segno si respingono con una forza data dalla legge di Coulomb: 

(si deve notare che la costante K ha dimensioni tali da rendere omogenea la relazione di Coulomb); q1 e q2 sono le due cariche elettriche poste tra loro ad una distanza R.

           Proviamo a farci un conticino per vedere quanto dovrebbero valere le forze elettriche repulsive all’interno di un nucleo atomico.

            Supponiamo che un nucleo atomico sia costituito da due protoni alla distanza di 10-15 m. Ricordando che la carica del protone (opposta in segno a quella dell’elettrone) vale e = 1,6.10-19 C ed applicando la legge di Coulomb, si trova che la forza repulsiva tra i due protoni vale:

Risulta quindi che la forza Frepulsiva tra i due protoni dovrebbe essere più intensa di circa 2 miliardi di volte quella Fche tiene un elettrone legato in un atomo di idrogeno: i due protoni dovrebbero schizzare via come due proiettili supersonici!!!

 La domanda è allora evidente: come fanno a coesistere in uno spazio così piccolo, il nucleo, due o più protoni?

I fatti sperimentali mostrano che i nucleoni sono fortemente legati tra di loro nel nucleo, come è possibile?

Pensiamo per un momento ad una analogia: supponiamo di tenere in ciascuna mano una striscia di nastro adesivo a penzoloni. Avviciniamo ora le mani per far aderire i due pezzi di nastro. Se nel moto di avvicinamento ci passa tra le mani una forte corrente d’aria proveniente da un ventilatore i due pezzi di nastro svolazzeranno da parti opposte praticamente respingendosi; quando però siamo arrivati a mettere in contatto le due strisce di nastro, allora nessuna corrente d’aria riuscirà a separarle. Nell’analogia la corrente d’aria rappresenta la repulsione elettrostatica che si esercita quando i due nastri (protoni) sono ad una certa distanza tra loro; quando poi i due nastri (protoni) sono a distanza ravvicinatissima essi sono tenuti insieme da una forza diversa da quella della corrente d’aria (elettrostatica) che prima li divideva: ora entra in gioco un’altra forza, quella di adesione (nucleare) che si fa sentire solo a piccolissima distanza.

Nel nucleo bisogna quindi considerare un tipo di forza, diversa da quelle elettromagnetiche e gravitazionali con le quali comunemente siamo in contatto, che è molto più intensa solo a piccolissime distanze (inferiori alle dimensioni di un protone o un neutrone) e si annulla rapidamente quando queste distanze diventano maggiori o uguali alle dimensioni di un singolo nucleone (intorno ai 10-16 metri): la forza nucleare. Quindi i protoni del nucleo sono certamente respinti tra loro dalle forze elettriche ma queste forze sono di gran lunga più piccole di quelle nucleari che invece li fanno attrarre (si noti che, all’aumentare della distanza, le forze nucleari, come già detto, non si fanno più sentire ed invece si fanno sentire le forze elettriche; per distanze che diventano molto grandi anche le forze elettriche svaniscono e si cominciano a far sentire le forze gravitazionali). Ma queste forze nucleari assolvono anche ad un altro ruolo: oltre a tener legati tra loro i protoni, tengono insieme anche neutroni con neutroni, protoni con neutroni e neutroni con protoni.

Dire però forze nucleari non vuol dire averne spiegata la natura. Per molti anni una grande quantità di fisici ha lavorato alla soluzione di questo problema arrivando, con il fisico giapponese Yukawa, nel 1935 ad una teoria secondo la quale nel nucleo, tra nucleone e nucleone, vi sarebbe una specie di colla nucleare costituita da tante particelle diverse da quelle fino ad ora incontrate. A tali particelle Yukawa dette il nome di mesoni π leggi pai) o pioni (si scoprì successivamente che di questi mesoni ne esistono di tre tipi: quelli con carica positiva, π+, quelli con carica negativa,  π, quelli neutri, π0. Inoltre si è trovato che la carica del mesone π+ è la stessa di quella del protone e che la carica del mesone π–  è la stessa di quella dell’elettrone). Secondo la teoria di Yukawa, questa nuova particella, agente a livello di nucleo, doveva avere una massa circa 200 volte quella dell’elettrone. Il mesone verrebbe scambiato tra un protone ed un neutrone, tra un neutrone ed un protone, tra un neutrone ed un neutrone, tra un protone ed un protone, appartenenti al nucleo, senza appartenere né ad un protone, né ad un neutrone (forze di scambio). Vi sono immagini tratte dal mondo macroscopico che possono avvicinarci a quanto detto: innanzitutto si può pensare al fatto che due giocatori di tennis sono uniti da una palla che si scambiano e che non appartiene a nessuno dei due; si può poi pensare a due cani affamati (che in una situazione ordinaria si respingerebbero ringhiando) i quali restano fortemente legati tra loro mentre si disputano un saporito osso (questa immagine è del fisico russo Gamow). Ma è ore utile vedere in maggiore dettaglio come funzionano gli scambi di mesoni in un nucleo iniziando a considerare ciò che accade tra un protone ed un neutrone.

Nel nucleo un protone espelle violentemente da sé un π+ e nel far questo perde la sua carica e diventa un neutrone. Il neutrone che sta vicino all’originario protone assorbe invece il π+ convertendosi in protone. In accordo con questo modo di vedere, i neutroni ed i protoni in un nucleo si scambiano tra loro mesoni π+ e, nel far questo si trasformano gli uni negli altri. Un nucleone è quindi alternativamente un protone ed un neutrone. Analogo processo riguarda i π+. In questo caso il soggetto da cui partiamo è il neutrone: esso espelle un  π diventando conseguentemente un protone; il  πespulso viene catturato da un protone che diventa così un neutrone. I π0 vengono invece scambiati tra medesime particelle: essi agiscono tra protone e protone e tra neutrone e neutrone.

       E’ importante osservare che il mesone, nel suo rapidissimo tempo di volo (10-34 s), non può esistere libero all’interno del nucleo. Si suole dire che esso ha un’esistenza virtuale o che è una particella virtuale. Riguardo poi alla massa di questa particella essa è stata calcolata a partire da un’importante considerazione fatta da Yukawa: il raggio d’azione di una forza deve essere inversamente proporzionale alla massa della particella che la trasmette. Anche qui una analogia ci può aiutare: si pensi a due giocatori di rugby; una palla leggera se la lanciano a distanza, ma se la palla fosse di cannone se la dovrebbero passare stando spalla a spalla.

Prima di chiudere questo paragrafo, è utile dire ancora qualcosa sul mesone e sul neutrone. Il mesone è una particella molto instabile (vedi più avanti) e ciò significa che essa, in un tempo molto breve (10-8 s), chiamato vita media, si disintegra o meglio decade in altre particelle o radiazioni (vedi più oltre). La stessa cosa vale per il neutrone o, almeno, vale fino ad un certo punto. Il neutrone è una particella stabile fintantoché si trova legato all’interno di un nucleo, salvo in alcune occasioni che vedremo nel paragrafo 7. Al di fuori del nucleo, invece, il neutrone (n) è instabile ed in un tempo di circa 11 minuti (vita media) decade annichilandosi. Da questa annichilazione nascono nuove particelle in una reazione nucleare (decadimento beta o interazione universale di Fermi o interazione debole) che fu capita nel 1933/1934 da Fermi e Pauli. I fatti sperimentali mostravano che alcuni nuclei emettevano radiazione β (leggi beta e vedi più oltre). Questa radiazione era essenzialmente costituita da elettroni. Altro mistero. Com’è possibile che vi siano elettroni in un nucleo? Le cose stanno così: un neutrone, per un processo cui accenneremo più oltre, decade all’interno di un nucleo. Ma il neutrone è neutro e, per la legge di conservazione della carica elettrica, carica nulla si deve anche trovare nei prodotti di decadimento. Ebbene, due particelle che insieme hanno carica nulla sono il protone p+ e l’elettrone e. In termini di carica (e massa) le cose tornano. In termini di energia, impulso e spin: no. Se un neutrone decade in un protone ed un elettrone, sembra non valgano più le leggi di conservazione dell’energia, dell’impulso e dello spin. Fermi e Pauli si inventarono allora una nuova particella, il neutrino ν (leggi nu), che doveva far tornare i conti. Questa particella doveva essere priva di massa e di carica e dotata di energia (analogamente ai fotoni introdotti da Einstein ed ai raggi  γ – leggi gamma – che vedremo più avanti), impulso e spin appropriati. Essa fu poi effettivamente scoperta sperimentalmente nel 1956. In definitiva, la reazione nucleare di decadimento di un neutrone è la seguente:

e si legge: un neutrone decade in un protone, un elettrone ed un (anti)neutrino che ha per simbolo quello del neutrino con una barra sopra (il fatto che invece del neutrino si avesse un antineutrino, fu scoperto in seguito).

4 – EQUIVALENZA MASSA-ENERGIA

             La conservazione della massa è fatto ormai universalmente noto. Essa fu stabilita da Lavoisier verso la fine del Settecento. Allo stesso modo dovrebbe essere ben nota (anche se non capita) la conservazione dell’energia, ricavata da Helmholtz intorno alla metà dell’Ottocento. Per capire però che massa ed energia sono la stessa cosa occorre arrivare agli inizi del Novecento con i primi lavori di Einstein ed in particolare con quello che va sotto il titolo Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento, generalmente indicato come il lavoro di Einstein sulla relatività ristretta. Non è il caso qui di andare a discutere questo fondamentale capitolo della fisica, userò solo una conclusione che venne qualche mese dopo la pubblicazione del primo lavoro citato di Einstein di relatività, L’inerzia di un corpo è dipendente dal suo contenuto di energia? Questo breve lavoro concludeva con una delle formule più popolari al mondo anche se non altrettanto compresa:

E = m.c2       

Cerchiamo di avvicinarci alla sua comprensione. Innanzitutto E rappresenta l’energia, m la massa e c  la velocità della luce elevata al quadrato. Leggendo l’intera formula nel suo insieme, essa dice che l’energia è data dal prodotto della massa per la velocità della luce elevata al quadrato. Poiché c è una costante (c  =  9.1016 m2/s2), la relazione dice che l’energia e la massa sono, a meno di una costante moltiplicativa, la stessa cosa. Qual è allora la grande novità rispetto alla fisica classica? La prima semplice osservazione riguarda proprio il fatto che  c2  è una costante. Può sembrare banale ma qualcuno potrebbe osservare: l’energia totale in dinamica classica è data dalla somma dell’energia potenziale e dell’energia cinetica; l’energia cinetica ha come sua espressione ½mv2 mentre l’energia potenziale (gravitazionale) è data da mgh; con facili conti si può ricavare che mgh può essere scritta come ½mv2 (basta ricordare che, nel nostro caso, risulta g = v2/2h e sostituire questo valore in  mgh); cosi l’energia totale risulta uguale a due volte ½mv2 e cioè E = mv2 ; qual è allora la grande novità della relazione E = m.c2 ?

Nella relazione classica la massa è rigorosamente costante, per cui si ha:

E = k.v2

(graficamente, nel piano E,v,  una ordinaria parabola).

Nella relazione relativistica invece è rigorosamente costante, per cui risulta:

E = k.m

(graficamente, nel piano E,m, una retta con un enorme coefficiente angolare di modo che la retta quasi si confonde con l’asse delle ordinate).

          Nel primo caso l’energia risulta proporzionale al quadrato della velocità, nel secondo l’energia risulta proporzionale alla massa e la costante k = cnon è altro che un fattore di ragguaglio tra le unità di misura di massa e quelle di energia. Ciò vuol dire che l’energia e la massa relativistiche possono essere date con le stesse unità di misura potendosi parlare indifferentemente di grammi di energia o di joule di massa (un’energia pari a 9.1013 joule = 25.106 Kwh ha la massa di un grammo: si può allora dire la massa di 9.1013 joule oppure l’energia della massa di un grammo). Quanto detto ci può far intendere che parlare di conservazione dell’energia in relatività è la stessa cosa che parlare di conservazione della massa; e ciò può anche enunciarsi come conservazione della massa-energia. La cosa si può intendere pensando ad un corpuscolo materiale come se fosse un granello di energia enormemente concentrata e localizzata; e, viceversa, come se l’energia pura fosse una massa diffusa in un ampio spazio. Quella di Einstein è una sintesi stupenda che ingloba in sé perfino il primo principio della termodinamica: quell’energia termica che mancava all’energia meccanica, per far tornare la conservazione dell’energia meccanica, è tutta nella E = m.c2

           Dicevamo, qualche riga più su, che la massa relativistica è una grandezza variabile. La cosa è mostrata dalla teoria della relatività e non è qui il caso di soffermarcisi. Basti solo dire che le variazioni di massa (a cui si accompagnano variazioni di energia tali da mantenere fermo il principio di conservazione della massa-energia) sono legate alla velocità cui la data massa è portata. Cosicché ad un dato oggetto si associa una energia che è somma di due componenti: l’energia di massa, l’energia (cioè che il corpo ha per il solo fatto che esso esiste) e l’energia di movimento che già conosciamo (energia cinetica). In definitiva l’energia che spetta ad una particella immobile, o meglio a riposo, è proporzionale alla sua massa. Se poi essa è in moto ha un’energia in più, quella appunto di moto. Ma oltre a particelle dotate di sola energia di massa vi sono anche particelle dotate di sola energia di moto (e noi abbiamo già incontrato i fotoni). Esse sono particelle prive di massa che possiedono energia per il solo fatto di muoversi (le particelle prive di massa viaggiano sempre alla velocità della luce). Tra queste le più note sono certamente il fotone ed il neutrino.

            Purtroppo la prima  pratica applicazione della relazione di Einstein l’abbiamo avuta su Hiroshima e Nagasaki. Lì si è dimostrato al mondo che una piccola massa ha un’enorme quantità di energia (si pensi che un solo protone che trasformasse tutta la sua massa in energia, ne avrebbe a sufficienza per riscaldare un miliardo di atomi a temperature più elevate di quelle esistenti sul Sole).

            Per quel che ci servirà in seguito, conviene ora scrivere in forma leggermente diversa l’equazione di Einstein:

avendo indicato con  Δm  la variazione di massa e con ΔE la corrispondente variazione di energia. 

5 – ENERGIA DI LEGAME DEL NUCLEO

                    Nel paragrafo 2 abbiamo definito come unità di massa atomica la quantità:

1 uma = 1,66.10-27 Kg.

Esprimiamo ora in questa unità le masse dell’elettrone, del protone e del neutrone:

Me =  0,00055  uma

Mp =  1,00782  uma

Mn =  1,00866  uma

            Le masse di queste particelle sono state calcolate quando esse non partecipavano ad alcun tipo di legame. Ora tralascio l’elettrone per concentrarmi sui nucleoni. Ci si aspetterebbe che con queste masse fosse possibile, sommando, trovare la massa del nucleo di qualunque atomo. Invece non è così. La cosa strana è che la massa di un nucleo (di un nucleo qualsiasi meno quello dell’idrogeno in cui vi è un solo protone e quindi non vi sono legami) non è mai uguale alla massa dei nucleoni che lo compongono. Prendiamo l’esempio del deuterio 12  (o D) e calcoliamo la massa del suo nucleo come somma delle masse dei nucleoni costituenti quando sono tra loro separati e quindi diamo la stessa massa ma nella situazione di nucleo legato (così come lo conosciamo in natura). Si trova:

 MD (non legato) = Mp + M= (1,00782 + 1,00866) uma  =  2,01648  uma

 MD (legato)                                                                           = 2,01405  uma

 Come si vede tra queste due masse vi è una differenza Δm data da:

 Δm  =  MD  (legato)  –  MD  (non legato)  =  – 0,00238  uma =  –  0, 396.10-29 Kg.

A questa differenza Δm si dà il nome di difetto di massa. Questo difetto è equivalente all’energia che viene liberata quando i nucleoni si combinano per formare il nucleo. Usiamo allora la formula di Einstein per vedere a quanta energia corrisponde questo difetto di massa (ci riferiamo ancora all’esempio del deuterio):

ΔE =  c2 . Dm  = 9.1016 . 0,396.10-29 J  =  3,564.10-13  J.

 Per lavorare meglio conviene introdurre una nuova unità di misura per l’energia (in luogo del joule J), l’elettronvolt (eV) l’energia cioè acquistata da un elettrone quando passa attraverso la differenza di potenziale di un volt:

 1 eV = 1,6.10-19 J. 

Conseguentemente un milione di eV (1 MeV) sarà dato da:

1 MeV = 1,6.10-13 J,

 ed un joule varrà:

1 J = 0,625 MeV

 cioè circa mezzo MeV.

          Introducendo questa nuova unità di misura (cosa fatta solo per avere dei numeri più maneggevoli) nell’ultima relazione ricavata, si trova:

ΔE = c2. Δm  =  3,564.10-13  J = 2,22 MeV.

 Se poi, invece di avere il difetto di massa corrispondente alla formazione di un nucleo di deuterio, abbiamo il difetto di massa pari ad una unità di massa atomica, mediante la solita relazione di Einstein, si vede subito che ad esso corrisponde una energia pari a:

ΔE = 931 Mev;

 se, infine, il difetto di massa fosse pari ad un grammo, per ΔE avremmo:

ΔE = 5,6.1026  Mev !!!

 Senza fare troppi conti (comunque banali) esiste una relazione generale che permette di calcolare il difetto di massa Dm per qualunque nucleo:

Δm = Z.Mp + N.Mn – Matomica

dove, ricordiamolo, Z è il numero atomico ed N il numero dei neutroni del nucleo in considerazione, Mp  la massa del protone ed  Mn quella del neutrone.

            Ci si può a questo punto chiedere se le cose sperimentalmente, stanno così.

In laboratorio si può creare deuterio bombardando l’idrogeno con neutroni. Un modo per disporre di una sorgente di neutroni da utilizzarsi come proiettili da bombardamento fu ideato da Bothe e Becher (Germania) e Joliot e Curie (Francia) nel 1930. Il radio decade (si trasforma) spontaneamente in radon (un gas) emettendo radiazione alfa. Anche il radon decade spontaneamente emettendo radiazione alfa. Disponendo di una provetta contenente berillio e facendo penetrare in essa del gas radon (prodotto dal radio), la radiazione alfa, emessa dal radon, provoca l’emissione di neutroni da parte dei nuclei di berillio (in pratica si tratta di avvicinarsi a del radio – con ogni altra precauzione contro le radiazioni – con una provetta contenente berillio. Si inclina un poco la provetta verso il radio e si aspetta qualche secondo. A questo punto il berillio della provetta è diventato una sorgente di neutroni. Di questo metodo si servirono Fermi e la sua scuola per irradiare tutti gli elementi e, poiché la sorgente di neutroni si esauriva rapidamente, data la distanza del radio dal loro laboratorio, sono diventate leggendarie le loro corse per i corridoi dell’Istituto di Fisica di Via Panisperna). Bombardando allora idrogeno con neutroni, si ha la seguente reazione:

0n1  +  1H1    =>   1H2   +   γ

 che si legge: un neutrone che interagisce con un nucleo di idrogeno origina un atomo di deuterio ed un raggio g (radiazione  elettromagnetica ad alta energia – si veda oltre). Questa reazione emette dell’energia verso l’esterno (è esoenergetica): per formare cioè un atomo di deuterio da un neutrone e da un idrogeno si ha una certa quantità di energia che viene emessa verso l’esterno. Se si va poi a misurare l’energia che compete alla radiazione γ si trova che essa vale proprio 2,22 MeV. E questa è l’energia che corrisponde al difetto di massa che si origina nella creazione di un nucleo di deuterio (quando cioè nasce un nucleo di deuterio sparisce della massa e, a questa scomparsa, corrisponde dell’energia che viene creata ed emessa).

            Vediamo, viceversa, cosa succede se, in laboratorio, bombardiamo il deuterio con radiazioni γ. Si ha:

 γ + 1H2        =>    1H1   0n1 

 e cioè, quando un atomo di deuterio assorbe radiazioni γsi può creare un atomo di idrogeno più un neutrone. Ed abbiamo detto si può perché se la radiazione γ ha energia inferiore ai 2,22 MeV la reazione non ha luogo. Solo se questa radiazione ha valori maggiori o uguali ai famosi 2,22 MeV il processo viene innescato. Questa reazione è, ovviamente, endoenergetica: l’energia non viene emessa alla fine del processo ma, al contrario, viene assorbita al fine di produrre la reazione stessa. Siamo a questo punto arrivati a definire l’energia di legame di un nucleo: Nel caso del deuterio, l’energia di legame è l’energia che viene liberata quando un protone ed un neutrone si uniscono per formare il nucleo del deuterio medesimo (chiamato anche deutone), che, come visto, vale 2,22 MeV.

             Generalizzando allora quanto detto per il deuterio, si può dire che l’energia di legame di un nucleo qualunque (meno l’idrogeno) è pari al suo difetto di massa. Essa può venire interpretata come l’energia che occorre cedere ad un nucleo per spezzarlo nelle sue particelle costituenti. E, in definitiva, per tutti i nuclei di tutti gli elementi (eccetto l’idrogeno) si ha che:

 – per scindere un nucleo nei suoi componenti bisogna fornirgli l’energia di legame che gli compete (escludendo il caso, che vedremo nel prossimo paragrafo, di decadimento radioattivo naturale);

 – per formare un nucleo a partire dai suoi componenti si libera l’energia di legame che gli compete.

         Dovrebbe essere chiaro che si può anche parlare di energia media di legame per ogni singolo nucleone appartenente ad un ben determinato nucleo atomico (se l’energia di legame di un nucleo è 10 MeV ed i nucleoni che lo compongono sono 4, ogni nucleone avrà un’energia media di legame pari a 2,5 MeV). Questa energia media di legame per nucleone è la quantità di energia richiesta per strappare un neutrone o un protone da un nucleo (supponendo sia possibile disgregare un nucleo per estrazione successiva di tutti i suoi nucleoni!). Il grafico di figura mostra come variano le energie di legame per nucleone per differenti atomi dei vari elementi della tavola periodica, al variare del numero di massa A. 

Figura 4

Dal grafico si vede che la curva cresce rapidamente per piccoli valori di A, raggiunge il massimo per valori di A compresi tra 50 e 90, quindi tende a decrescere debolmente (i valori dell’energia di legame per nucleone restano compresi tra 8,4 e 7,5 MeV), all’aumentare del peso atomico del corrispondente atomo. La parte destra della curva si riferisce agli elementi pesanti come, ad esempio, l’uranio; la parte sinistra si riferisce invece agli elementi più leggeri come, ad esempio, il deuterio H2

            Una considerazione interessante può venire ricavata da quanto detto sull’energia di legame. Ci si può infatti chiedere come mai le masse atomiche non sono precisamente multiple della massa atomica dell’idrogeno, pur essendo tutti i nuclei formati dalle stesse particelle: protoni e neutroni. E’ proprio l’energia necessaria a legare un nucleo che fa sparire parte della massa, a volte diversa a seconda del nucleo in considerazione, come mostrato in figura.

             Un’altra notazione va fatta prima di chiudere il paragrafo: l’elio 4 (2He4), un isotopo dell’elio, pur avendo un piccolissimo valore di A (A = 4) si trova appena alla sinistra del massimo di figura con un alto valore dell’energia media di legame per nucleone (confrontata con quella di altri elementi vicini). Questo fatto indica la grande stabilità dei nuclei di elio 4, fatto confermato dall’esperienza. Infatti nel fenomeno della radioattività (paragrafo seguente) vengono emessi dai nuclei atomici dei pezzi che sono nuclei di elio 4 (2 neutroni e 2 protoni legati) e non altre possibili combinazioni di protoni e neutroni. Tali nuclei di elio 4, emessi da alcuni nuclei atomici, sono noti come radiazione  a o particelle a (leggi alfa e vedi più oltre).

            Da ultimo, diamo uno sguardo complessivo alla figura 4. Abbiamo già visto che c’è un massimo. In corrispondenza di esso si ha una maggiore energia media di legame per nucleone e ciò vuol dire che siamo nella situazione di nuclei più stabili, più fortemente legati. Ed allora è pensabile arrivare a questa zona di massima stabilità o costruendo dei nuclei più pesanti a partire da quelli più leggeri (strada che va al massimo da sinistra) o, viceversa, alleggerendo i nuclei più pesanti per farli diventare più leggeri (strada che va al massimo da destra). Il primo di questi processi va sotto il nome di fusione nucleare, il secondo di fissione nucleare; di essi ci occuperemo con qualche dettaglio nel seguito.

6 – ATOMI STABILI ED INSTABILI.  RADIOATTIVITA’.

   Da quanto detto nel paragrafo precedente risulta evidente che la stabilità di un nucleo (e quindi di un atomo) dipende dal valore della sua energia di legame. D’altra parte è già stato osservato, relativamente alla figura 4, che la zona più stabile è quella in cui il numero A di massa è compreso tra 50 e 90. Inoltre, quando si ha a che fare con atomi leggeri (piccolo valore di A), si osserva che lo stato più stabile si ha quando, nel nucleo, il numero dei neutroni è uguale a quello dei protoni (N = Z). Quando il numero di massa A aumenta, il nucleo assume delle dimensioni relativamente più grandi, tanto da far sì che i protoni localizzati in esso cominciano a sentire le forze repulsive di origine elettrica.

           Da un certo valore di A in poi, quando il nucleo assume dimensioni molto grandi (atomi pesanti), le forze elettriche prevalgono su quelle nucleari (con il crescere del numero dei nucleoni nel nucleo vi sono protoni che risultano a distanze tali per cui le forze elettriche prendono il sopravvento sulle nucleari) ed allora questi nuclei cominciano ad essere formati da un maggior numero di neutroni che di protoni. In questo caso ci troviamo di fronte ad elementi che presentano il fenomeno della radioattività naturale. 

 Va subito detto che la maggior parte degli elementi esistenti in natura è stabile. Solo pochi hanno la proprietà di essere radioattivi. Gli elementi dotati di radioattività naturale sono quegli elementi che emettono spontaneamente dal loro nucleo delle particelle dotate di carica elettrica e non; essi hanno il numero atomico Z compreso tra 84 e 92 (serie dell’Uranio, del Torio e dell’Attinio) oppure sono isotopi instabili di alcuni elementi, molto stabili nella loro condizione normale, con Z < 84 (in natura se ne conoscono circa 25 di tali isotopi instabili).

           Gli atomi di questi elementi instabili si trasformano, a seguito della perdita di particelle dal loro nucleo (decadimento spontaneo), in atomi diversi da quelli di partenza (trasmutazione nucleare). Molto spesso dall’ atomo di un elemento instabile si passa ancora ad un altro atomo di un altro elemento instabile e così via fino a quando non si giunge ad un tipo di atomo che è di un elemento stabile.

            Vediamo un esempio di catena di decadimento a partire da uno degli svariati isotopi instabili (o radioattivi) dello Xeno, lo Xeno 140 e cioè: 54Xe140. Dallo Xeno 140 si ha successivamente: Cesio (55Cs140), quindi Bario (56Ba140), poi Lantanio (57La140) ed infine Cerio (58Ce140) che risulta essere stabile. Ad ogni trasmutazione si accompagna l’emissione di radiazione β (si veda paragrafo seguente) di modo che lo schema del decadimento è quello di seguito riportato:

           Le radiazioni nucleari sono dunque emesse dai nuclei atomici dei materiali radioattivi al momento della loro disintegrazione. La capacità di emissione non dipende da variabili macroscopiche come temperatura e pressione, presenza di campi elettrici e magnetici, eccetera.

           E’ stato poi scoperto che oltre a questi elementi con Z compreso tra 84 e 92 ed agli isotopi naturalmente instabili o radioattivi, è possibile provocare artificialmente la radioattività bombardando gli atomi di certi elementi con neutroni. I nuclei degli elementi sottoposti a questo bombardamento catturano neutroni diventando degli isotopi diversi dall’elemento originale. Gli isotopi così ottenuti, a causa dei neutroni in più nei nuclei, si trovano con uno sbilanciamento tra numero di protoni e neutroni, risultano instabili e quindi radioattivi.

           Concludendo occorre ricordare che in natura esistono elementi con Z fino a 92 (è il caso dell’Uranio che esiste in tre differenti isotopi tra i quali il più abbondante percentualmente è l’Uranio 238: 92U238). Gli elementi con Z > 92 sono e sono stati prodotti artificialmente, risultano instabili, quindi radioattivi e chiamati transuranici.  

7 – RADIAZIONI ALFA (α), BETA (β) E GAMMA (γ) .

              La radioattività, sia essa naturale o artificiale, consiste nell’emissione da parte dei nuclei atomici di radiazioni alfa (α) e/o  beta (β)  e/o  gamma  (γ). Vi sono poi delle radiazioni neutroniche che vanno considerate a parte.

             Le radiazioni alfa sono costituite da tanti nuclei di elio (o elioni), 2He4, scagliati dai nuclei della sostanza emittente. Ogni particella a è quindi costituita da due neutroni e da due protoni legati insieme (poiché un legame di questo tipo è, come abbiamo visto, molto stabile con energia di legame pari a 28,2 MeV). La carica di queste particelle è evidentemente positiva, il doppio, in valore assoluto, della carica dell’elettrone. Esse sono inoltre molto pesanti (hanno una massa pari a 4,04 uma) e conseguentemente, pur essendo scagliate a grande velocità dai nuclei (circa 20000 Km/s), a causa della loro intensa reazione con le molecole d’aria, le ionizzano, perdendo gran parte della loro energia cinetica in tragitti che, in aria, vanno dai due agli otto centimetri. Nel caso poi queste particelle debbano attraversare materia solida, la loro perdita di energia avviene molto prima (sono bloccate da sottili fogli di carta o di alluminio, dai vestiti, dagli strati superiori della pelle). Si riassume tutto questo nel dire che la radiazione a è poco penetrante (Figura 5). Al contrario, se la sorgente è posta all’interno di un organismo vivente (per ingestione o inalazione di pulviscolo radioattivo), i danni che essa provoca sono enormi, veri disastri: in breve tempo i tessuti vicini alla sorgente sono distrutti da questi proiettili dotati di una buona dose di energia. Attraversando la materia vivente le particelle dotate di carica positiva, interagiscono con gli atomi provocandone la ionizzazione; come risultato si ha la distruzione o il danneggiamento delle molecole del tessuto in considerazione.

         Quando un nucleo emette una particella α il suo numero atomico Z diminuisce di due unità (dal nucleo se ne sono andati due protoni) mentre il numero di massa A diminuisce di quattro unità (dal nucleo, oltre ai due protoni, se ne sono andati anche due neutroni). Ad esempio, il nucleo del Radio 226 (88Ra226) decade, emettendo una particella α, in Radon 222 (86Rn222):

88Ra226                                86Rn222  +  α .

Figura 5

La radiazione beta è costituita da fasci di elettroni di carica negativa o di elettroni di carica positiva (positroni, particelle che hanno stessa massa e stessa carica, cambiata di segno, dell’elettrone e che si indicano con e+) espulsi a gigantesche velocità (vicine a quelle della luce) dai nuclei atomici. Ci siamo già imbattuti nel paragrafo 3 nel rompicapo di elettroni espulsi da un nucleo. Ritorniamoci un momento con qualche dettaglio in più.

         Il nucleo è formato da protoni e neutroni tenuti insieme dalla forze nucleari. I nuclei più stabili sono quelli che hanno un numero di neutroni pari a quello dei protoni. Ciò che accade è che, al crescere del numero di massa A, il numero dei neutroni N sopravanza, ed a volte anche di molto, il numero dei protoni Z. In questo caso si è in presenza di nuclei di atomi pesanti che, come abbiamo visto, da un certo punto in poi, sono instabili. Supponiamo allora di avere un nucleo di Radio (88RA226), già considerato. In esso si hanno Z = 88 protoni ed N = 138 neutroni (in modo che N + Z = A = 226). Il rapporto tra neutroni e protoni in un nucleo di questo elemento è:

N/Z  =  138/88  =  1,568.

Abbiamo già detto che il Radio 226 emette radiazioni alfa (e quindi perde dal suo nucleo due neutroni e due protoni) trasmutandosi in Radon 222. Nel nucleo di Radon si hanno allora 136 neutroni ed 86 protoni ed il rapporto tra essi vale ora:

N/Z  = 136/86  =  1,581,

sono cioè aumentati percentualmente i neutroni rispetto ai protoni. Quindi l’emissione di radiazione alfa provoca l’effetto ora visto. Al crescere del numero delle emissioni alfa i neutroni aumenteranno sempre percentualmente rispetto ai protoni, finché si arriva ad un certo punto in cui i nucleoni rimasti nel nucleo devono arrangiarsi in modo da poter continuare a coesistere.

           Ed allora, all’interno del nucleo si origina un processo che trasforma un neutrone in un protone ed un elettrone (oltre ad un neutrino). Il protone resta all’interno del nucleo andando ad aumentare la percentuale dei suoi simili; gli elettroni ed i neutrini vengono scagliati fuori. La reazione (decadimento beta) è quella che abbiamo già descritto nel paragrafo 3:

0n1                                        1p1  +  e   +   ν

o meglio:

0n1                1p1  +  β   +   ν

 ed in definitiva dei nuclei emettono elettroni accompagnati da energia emessa sotto forma di neutrini. Vi è poi il caso, raro per la verità, di un nucleo che ha un eccesso di protoni. Analogamente a quanto visto, può essere il protone nel nucleo a diventare instabile ed a disintegrarsi emettendo il positrone cui abbiamo accennato ed il solito neutrino. Questa eventualità ha senso solo all’interno del nucleo infatti, al di fuori di esso, il protone è una delle particelle più stabili che si conoscano. Un esempio di decadimento beta positivo (β+) è quello che dal Tulio 69 porta all’Erbio 68:

69Tu166                                               68Er166   +  β+   +   ν

 (ed in questo caso si ha a che fare con un vero e proprio neutrino e non con un antineutrino, come nell’ordinario decadimento beta che ora vedremo).

            L’elemento il cui nucleo abbia subito un decadimento beta aumenterà di una unità il numero atomico Z (a causa dell’acquisto di un protone da parte del nucleo) mentre manterrà invariato il suo numero di massa A (a causa del fatto che il protone acquistato va a bilanciare il neutrone perduto e del fatto che la massa dell’elettrone che è stato espulso è praticamente trascurabile). Vediamo alcuni esempi di decadimento beta (oltre quello già visto nel paragrafo precedente). Il Cobalto 60 (27Co60) mediante un decadimento beta diventa Nichel 60 (28Ni60):

27Co60                                                                      28Ni60 +  β   +   ν .

Allo stesso modo, bombardando con neutroni l’Uranio 238 (92U238), si ha l’elemento transuranico Nettunio 239 (93Np239):

on1  +  92U238                         93Np239  +  β   +   ν .

A sua volta il nettunio 239 decade, mediante emissione β, in Plutonio 239 (94Pu239):

93Np239                               94Pu239  +  β   +   ν .

             Vediamo ora ad alcune caratteristiche delle radiazioni β. Le particelle β, innanzitutto, non hanno tutte la stessa energia come le particelle α . Essa può variare in un’ampia fascia di valori (da alcune centinaia di KeV ad alcuni MeV). Anche le particelle β ionizzano l’aria che attraversano ma in misura molto minore di quanto fanno le particelle  α  (spesso si ha a che fare anche con una ionizzazione secondaria: gli ioni prodotti dalla ionizzazione delle particelle β vanno a loro volta a ionizzare altri atomi). Proprio perché ionizzano meno (e quindi cedono una minore quantità di energia) le particelle β possono penetrare più a fondo nella materia. Nell’aria, ad esempio, possono percorrere (con una traiettoria a zig-zag, contrariamente alla traiettoria rettilinea seguita dalla particella  α) tratti lunghi fino a 10 m; nella terra penetrano fino a 7 mm, nel calcestruzzo fino a 5 mm, nel piombo fino a circa 1 mm, mentre nella pelle possono penetrare per alcuni centimetri. In seguito a questo ultimo fatto le radiazioni β assorbite dall’uomo sono dannose per la pelle e, soprattutto, per gli occhi. Se l’assorbimento avviene invece all’interno dell’organismo, le lesioni che vengono provocate sono molto gravi. 

Figura 6

 La radiazione gamma è, contrariamente alle altre due, esclusivamente energetica: non si tratta di particelle dotate di massa ma di particelle o quanti di sola energia (che varia da alcuni KeV a 2 MeV). Le radiazioni gamma sono fisicamente identiche ai raggi X di alta energia, l’unica differenza (oltre allo spettro di frequenza) è che i raggi gamma sono prodotti dall’interno del nucleo atomico mentre i raggi X in modo diverso. Si tratta di onde elettromagnetiche della stessa natura di quella della luce, ma con lunghezze d’onda molto più piccole (da 3.10-9 cm fino a valori di gran lunga più piccoli) e quindi con frequenze molto più elevate; queste radiazioni si propagano sotto forma di pacchetti (d’onda) di sola energia (fotoni) alla velocità della luce, sono prive di carica elettrica e, rispetto alle radiazioni alfa e beta, hanno un potere penetrante molto superiore e, conseguentemente, un potere ionizzante molto inferiore. Si pensi che la radiazione gamma penetra in media spessori di 14 cm di terra, di 10 cm di calcestruzzo, di circa 2 cm di piombo, oltre a riuscire ad attraversare completamente il corpo umano (mentre i raggi X sono bloccati dalle ossa, queste ultime sono trasparenti per i raggi γ . Quest’ultimo fatto rende conto dell’estrema pericolosità per l’uomo di questo tipo di radiazione.                    

I raggi  γ accompagnano usualmente l’emissione di radiazione α  e β  e sono emessi da quasi tutti gli isotopi radioattivi artificiali e da alcuni elementi dotati di radioattività naturale. Il meccanismo di emissione di raggi  γ da un nucleo è analogo all’emissione di fotoni da un atomo. Quando in un atomo un elettrone si trova in uno stato eccitato (orbita più elevata di quella che gli compete) tende a ritornare al suo stato non eccitato. Il salto di un elettrone da un’orbita più alta a d una più bassa comporta la perdita di energia da parte di un atomo; questa energia perduta viene emessa verso l’esterno sotto forma di fotoni o quanti. Analogamente per il nucleo: quando esso ha emesso radiazione  α o β può trovarsi in uno stato anormale a cui compete una quantità di energia in più (stato eccitato). Il nucleo risulta eccitato e tende a perdere l’energia che ha in più emettendola sotto forma di radiazione γ o quanti γ o fotoni γ .

 Vediamo una delle possibili reazioni cui si accompagna l’emissione di raggi γ . Se si bombarda con neutroni il Cobalto 59 (27Co59) si ottiene Cobalto 60 (27Co60) che si trova in uno stato eccitato; dopo poco tempo questo Cobalto 60 emette energia sotto forma di raggi  γ raggiungendo il suo stato normale:

27Co59  +  0n1 =>  (27Co60)*  =>  27Co60  +  γ,

dove il termine della reazione contrassegnato con asterisco sta a denotare lo stato eccitato del Cobalto 60.

Figura 7

Prima di chiudere il paragrafo occorre accennare alla radiazione neutronica che non è propriamente l’emissione di neutroni da parte di un nucleo ma di neutroni che vengono liberati dai nuclei atomici durante i processi di fissione nucleare (vedi oltre); quando un nucleo pesante viene spezzato in due o più frammenti, alcuni neutroni appartenenti al nucleo iniziale vengono espulsi. Si tratta di una radiazione con una discreta massa e priva di carica. Proprio per questo ultimo motivo è estremamente pericolosa in quanto questi neutroni vengono facilmente catturati dai nuclei delle sostanze circostanti il luogo di loro produzione, alterando il rapporto di stabilità neutroni-protoni nei nuclei e rendendo quindi radioattive molte di quelle sostanze, tra cui aria, acqua, terra, … La radiazione neutronica è molto penetrante (ancora per l’assenza di carica, in quanto diminuiscono le interazioni di tipo elettrico con gli atomi e le molecole dei corpi attraversati), essa attraversa facilmente materiali che bloccano invece altri tipi di radiazione. I raggi neutronici, a parità di dose con i raggi gamma, sono da quattro a dieci volte biologicamente più efficaci. 

Figura 8

8 – TEMPO DI DIMEZZAMENTO. VITA MEDIA.

              Il tempo di dimezzamento di un elemento radioattivo, che si indica in genere con T½, è il tempo in cui la metà degli atomi radioattivi instabili inizialmente presenti, decade. Esso dipende evidentemente dal numero iniziale N0 di atomi dell’elemento radioattivo in considerazione. Supponiamo di avere un certo numero N0 di atomi di un elemento o isotopo radioattivo. Dopo un certo tempo (più o meno lungo, a seconda dell’elemento in considerazione) questi atomi decadranno. Ebbene, il tempo di dimezzamento, che è un valore caratteristico di ciascun elemento o isotopo radioattivo, è, come già detto, il tempo necessario a far sì che la metà del numero di atomi radioattivi inizialmente presenti decada. Passato questo tempo e decaduta la metà degli atomi radioattivi presenti, abbiamo ancora a che fare con un certo numero di atomi radioattivi, la metà dei quali, nello stesso tempo di dimezzamento, decadrà. In definitiva, dopo due tempi di dimezzamento, il numero di atomi radioattivi si è ridotto ad un quarto. Allo stesso modo, dopo tre tempi di dimezzamento, quel numero si riduce ad un ottavo, e così via.

          La relazione matematica che descrive questo andamento è un esponenziale decrescente (curva di decadimento):

N =  N. e-t/τ

 dove N rappresenta il numero di atomi radioattivi presenti al tempo tN0  il numero di atomi radioattivi inizialmente presenti, τ (leggi: tau)una costante caratteristica di ciascun  elemento o isotopo radioattivo chiamata vita media. La curva che rappresenta la legge ora vista è riportata in figura 9.

Essa ha la proprietà, ogni volta, di ridursi alla metà in un intervallo di tempo costante ed uguale a T½. Per i vari isotopi radioattivi il tempo di dimezzamento ha valori molto variabili. Ad esempio, per l’Uranio 238 esso vale 4,8 miliardi di anni; per il Radio 226 esso vale 1620 anni; per il Cobalto 60 esso vale 5,2 anni per lo Zolfo 35 esso vale 87 giorni; per l’Oro 198 esso vale 2,7 giorni; per il Rame 66 esso vale 4,34 minuti; per l’Indio 114 esso vale 72 secondi;  per il Germanio 72 esso vale 300 miliardesimi di secondo. In definitiva il tempo di dimezzamento può variare dal miliardesimo di secondo a vari miliardi di anni.

Figura 9

              Si definisce invece vita media di un dato elemento o isotopo radioattivo il tempo di esistenza che mediamente esso ha prima che decada (è il τ che compare nella curva di decadimento, appena vista). Il concetto di vita media è strettamente correlato a quello di tempo di dimezzamento. Per comprenderlo riprendiamo un momento in esame l’ultima relazione scritta, la curva di decadimento. Abbiamo detto che il tempo di dimezzamento è il tempo T½ necessario a che un certo numero N0 di atomi radioattivi inizialmente presenti, si riduca alla metà, cioè a N0/2. Inseriamo allora queste condizioni (N =  N0/2   per t = T½) nella relazione in oggetto e vediamo cosa succede:

 avendo semplificato per N0. Da questa relazione, passando al logaritmo dei due membri e operando un cambiamento di segno, si trova: 

E’ quindi solo un fattore numerico che differenzia la vita media dal tempo di dimezzamento (risultando la prima più grande del secondo).

             Si deve osservare che tanto più piccolo è τ, tanto più instabile è un nucleo e quindi tanto maggiore è la sua attività in un dato tempo. Viceversa, a  τ molto grandi, corrispondono elementi con poca attività. Al limite, gli elementi stabili sono quelli cui corrisponde un valore infinito di τ.

9 – LA FISSIONE NUCLEARE 

                    La parola fissione deriva dal verbo fendere che vuol dire rompere. Provocare la fissione nucleare vuol dire provocare la rottura di nuclei atomici. La reazione di fissione nucleare si realizza bombardando con neutroni, di appropriate energie cinetiche, i nuclei di elementi pesanti (i più instabili, i più facili da rompere). Questo bombardamento provoca la rottura dei nuclei in frammenti (due o più) più piccoli che sono, a loro volta, nuclei di elementi più leggeri (con diversi gradi di stabilità, a seconda delle percentuali relative di neutroni e protoni che rimangono in ciascun frammento). Il fatto comunque più interessante del processo di fissione nucleare è che, ad ogni rottura di un nucleo si accompagna l’emissione verso l’esterno di una grandissima quantità di energia. Ogni singola fissione libera una energia ΔE pari a:

ΔE  =  3 . 10-11 J  ≈   200 MeV

 Questa quantità è certamente piccola in assoluto ma si deve tenere conto che all’interno di 1 Kg di Uranio (per ora genericamente Uranio, senza precisare il tipo di isotopo) vi sono circa 2,5.1025 atomi. Se fosse possibile la completa fissione di tutti i nuclei di questi atomi (ma non lo è!), si avrebbe una energia pari a:

ΔE = 3.10-11. 2,5 . 1024 J    ≈ 7,5. 1013 J ≈ 5. 1026 MeV ≈   23 milioni di Kwh (termici)

 [L’aggettivo termici è stato introdotto per amore di precisione. Infatti, all’interno di una centrale nucleare, l’energia liberata dalla reazione nucleare va prima a scaldare acqua e quindi, dopo una o più trasformazioni, diventa energia elettrica. L’energia che noi abbiamo preso in considerazione è quella che scalda l’acqua. Per avere da questo valore l’energia elettrica occorre moltiplicare per il rendimento della trasformazione che è sempre un numero inferiore ad 1]. Poiché però una parte del materiale fissile a disposizione non produce energia poiché subisce solo delle trasformazioni senza essere fissionato, la quantità di energia fornita da 1 Kg di Uranio si riduce a:

ΔE = 19 milioni di Kwh (termici).

 Si pensi che per produrre la stessa quantità di energia occorrerebbero circa 2 300 tonnellate di carbone o 1 650 tonnellate di nafta.

             Il processo di fissione consiste quindi nel rompere un nucleo di un elemento pesante in due (o più) frammenti mediante bombardamento con neutroni. Va comunque detto che il bombardamento può avvenire anche con altre particelle o quanti (anche per fini pratici, si usano solo neutroni) e che i prodotti di fissione possono essere più di due (anche se ciò avviene con frequenze molto minori). Nella fissione i due frammenti principale prodotti (che sono poi, come abbiamo detto e vedremo ancora, nuclei di elementi leggeri) hanno un eccesso di neutroni e pertanto e pertanto risultano instabili. Essi, mediante successivi decadimenti, si trasformano in nuclei stabili. Oltre poi ai frammenti principali della fissione, vengono emessi anche neutroni (e questo è l’aspetto peculiare del fenomeno: questi neutroni, come vedremo, andranno a fissionare a loro volta altri nuclei) e radiazioni di vario tipo.

             L’elemento più usato nei processi di fissione è l’Uranio. Di questo elemento, in natura, esistono tre isotopi: l’Uranio 234 (92U234), l’Uranio 235 (92U235) e l’Uranio 238 (92U238). Tra questi isotopi solo l’Uranio 238 è presente in abbondanza (relativa), infatti ogni 100000 atomi di Uranio, che si trova in natura, solo 6 sono di Uranio 234, 720 di Uranio 235 ed i rimanenti di Uranio 238. Trascurando l’Uranio 234 per la sua irrilevanza, in natura si ha praticamente a che fare con Uranio 238 in cui vi è una piccola percentuale (0,7%) di Uranio 235. Ora, l’Uranio migliore per il processo di fissione è il 235 poiché è fissile, mentre l’uranio 238 è fertile. Un particolare elemento risulta fissile (può cioè dar luogo a fissione) se può essere fissionato da neutroni di qualunque energia, cioè sia da neutroni lenti che da neutroni veloci e particolarmente da questi ultimi dotati di velocità maggiori di 1,7.10 m/s. Si chiamano invece fertili quegli elementi che non sono fissili ma lo possono diventare a seguito della cattura, da parte dei loro nuclei, di neutroni. Vi sono poi altri elementi non fissili che possono essere fissionati solo da neutroni lenti mentre hanno la caratteristica di assorbire i neutroni veloci. Da quanto detto si può dedurre che i neutroni migliori per iniziare a sostenere un processo di fissione sono quelli lenti (il fenomeno fu scoperto da Fermi e collaboratori nel 1934). Intuitivamente la cosa si può capire nel modo seguente: un neutrone, in quanto privo di carica, si può muovere nella materia senza sentire interazioni di tipo coulombiano, nel far questo può urtare vari nuclei (ma si deve tener presente che non è l’urto in sé a rompere il nucleo); se l’energia cinetica di questo neutrone è elevata (neutrone veloce) esso può attraversare un nucleo senza produrre alcun effetto; viceversa un neutrone a bassa energia cinetica (lento o termico), nell’attraversare un nucleo, passando relativamente più tempo in esso, ha maggiore probabilità di essere catturato e di restare all’interno di esso (si usa dire che la sezione d’urto di svariate reazioni cresce enormemente al decrescere della velocità dei neutroni, la quale, si badi bene, non scende mai sotto i valori caratteristici dell’agitazione termica). Con il neutrone catturato al suo interno, il nucleo diventa instabile e si spezza in frammenti liberando energia.

Figura 10

            Esempi di materiali fissili sono: il già citato Uranio 235 ed il Plutonio 239 (94Pu239), elemento transuranico creato artificialmente in reazioni nucleari avente un tempo di dimezzamento di 24 000 anni (è importante osservare che questi due elementi, oltre ad essere importanti perché fissili, lo sono anche perché, a ciascuna fissione, si accompagna l’emissione di 1, 2 o 3 nuovi neutroni che vanno a realizzare nuovi processi di fissione in un processo a catena che discuteremo tra un poco).

Figura 11

Figura 12

 Esempi di materiali fertili sono: l’Uranio 238 ed il Torio 232. Infine esempio di materiale che può essere fissionato solo da neutroni lenti è ancora l’Uranio 238. Se ora si osserva che, data una prima fissione, tra i prodotti che vengono fuori da essa vi sono anche neutroni e che questi sono generalmente veloci, ci si rende conto che, provocata la prima fissione in nuclei di Uranio 238, essa non si può sostenere (questi neutroni liberati dalla rottura dei primi nuclei di Uranio 238, non sono buoni per rompere altri nuclei e tutto termina dopo le prime rotture provocate dall’esterno del materiale). Dopo le prime rotture, occorre procedere nell’operazione di rallentamento dei neutroni veloci in modo che, diventati lenti, vadano a fissionare altri atomi di Uranio 238. Il processo di rallentamento si realizza con particolari sostanze chiamate moderatori che devono avere alcune peculiari caratteristiche: essere costituite da nuclei di elementi leggeri (in questo caso un neutrone che urti uno di questi nuclei perde mediamente molta energia); essere una buona quantità (in modo che i neutroni non possano fuoriuscire da esse prima di essere stati rallentati); essere costituite da nuclei che non assorbano neutroni o ne assorbano il meno possibile (per non togliere un gran numero di proiettili ai nuovi processi di fissione). Nel caso dell’Uranio 238, che discutevamo, un ottimo moderatore è l’acqua pesante (D2O), acqua formata da molecole nelle quali l’idrogeno è sostituito dal suo isotopo Deuterio. Concettualmente si può procedere così (sarò maggiormente preciso più oltre) : vari pezzi di Uranio 238 (a geometria  ed in quantità opportune) sono disposti in una vasca (a geometria opportuna) contenente acqua pesante; si attiva dall’esterno una qualche fissione nel primo Uranio a disposizione; da queste prime fissioni si liberano dei neutroni veloci; questi neutroni fuoriescono da quel pezzo di Uranio e fanno un determinato tragitto dentro l’acqua pesante e, nel far questo, diventano lenti;  a questo punto incontrano di nuovo un altro pezzo di Uranio, dove provocano nuove fissioni e così via. Da quanto dicevo sembra chiaro che è di grande importanza, per il funzionamento della semplice macchina descritta, curare, come accennato, le quantità relative dei materiali in gioco e le geometrie di ogni componente dell’intero sistema.

            Altra possibilità è quella di lavorare con Uranio 235. Altri sono però i problemi che qui si pongono. La percentuale di Uranio 235 in Uranio 238 è, come visto, molto piccola. I pochi nuclei di Uranio 235 presenti in un campione di Uranio naturale, non sono sufficienti a mantenere il processo di fissione. Quando provocassimo la fissione in un primo nucleo di un isotopo qualsiasi dell’Uranio presente in quel campione, i neutroni che ne verrebbero fuori (con probabilità enorme, neutroni veloci) non avrebbero il tempo di incontrare un altro nucleo di Uranio 235 prima di venire assorbiti dall’Uranio 238. In questo caso si procede con l’arricchimento della percentuale di Uranio 235 in Uranio 238, portandola da quello 0,7% al 4 o 5% (usi pacifici) in modo che, quando il processo di fissione è iniziato, i neutroni che vengono via via prodotti siano sempre in grado di incontrare un nucleo di Uranio 235 da fissionare. In questo caso si parla di Uranio arricchito (i processi di arricchimento dell’Uranio sono molto complessi, costosi e richiedono una tecnologia sofisticatissima. Tale tecnologia è anche soggetta a segreto militare.

            La fissione di un determinato nucleo può avvenire in diversi modi e questo a causa del fatto che i neutroni ed i protoni del nucleo originario, quando avviene la fissione, si possono ripartire in modi diversi per formare nuclei più leggeri (prodotti di fissione), neutroni e radiazione. Come esempio consideriamo alcune delle reazioni nucleari che hanno luogo bombardando, con neutroni, nuclei di Uranio 235 (tenendo conto che le reazioni possibili sono oltre 40):

92U235  +  0n1  =>    38Sr94  +  54Xe140  +  2 0n1

92U235  +  0n1  =>    38Sr93  +  54Xe140  +  3 0n1

92U235  +  0n1  => 32Kr92  +  56Ba141  +  3 0n1

92U235  +  0n1  =>    50Sn127  +  42Mo105  +  4 0n1

dove: Sr = Stronzio; Xe = Xeno; Kr = Kripton; Ba = Bario; Sn = Stagno; Mo = Molibdeno. Nella figura 13 è riportata una delle tante reazioni che riguardano l’Uranio 235, con i successivi decadimenti fino ad arrivare ad isotopi stabili.

Figura 13 

          Quando allora un neutrone va a colpire un nucleo di Uranio 235 viene assorbito dal nucleo stesso il quale, in un tempo brevissimo (un centomilionesimo di secondo), si spacca originando due nuclei più leggeri, due o tre neutroni e radiazione. Questi neutroni escono dal nucleo fissionato con grande energia e vanno quindi a fissionare altri nuclei di Uranio 235 i quali, a loro volta, originano altri nuclei di isotopi più leggeri oltre ad altri neutroni che continuano il processo. L’intero processo si chiama reazione a catena ed è schematicamente illustrato in figura 14.

Figura 14

              Reazioni a catena sono quei processi nucleari (e chimici) che una volta innescati si autosostengono interessando in brevissimo tempo tutta la massa del materiale a disposizione. Affinché la reazione si autosostenga occorre che la massa disponibile assuma un determinato valore (massa critica) per evitare che i neutroni sfuggano prima di aver prodotto fissioni.  Se infatti i neutroni prodotti dalla prima fissione non incontrano nel loro cammino altri nuclei da fissionare, la reazione a catena si blocca. Occorre allora che siano a disposizione tanti nuclei fissionabili in modo da sostenere la reazione a catena.

Figura 15

La prima fissione avrà prodotto 2 o 3 neutroni che andranno a provocare mediamente un paio di fissioni (non tutti i neutroni provocano fissioni), nella seconda fissione avremo quattro neutroni, nella terza 8, quindi 16, 32, 64, 128, 256, … arrivati all’ottantesimo processo vi saranno disponibili 1024 neutroni. La probabilità di interessare sempre un maggior numero di nuclei alla fissione aumenta enormemente ed il processo si autosostiene. Un numero caratteristico di questi processi è il fattore di moltiplicazione che indica il rapporto tra il numero dei neutroni prodotti e quelli che hanno provocato la fissione da cui sono nati. Se il fattore di moltiplicazione è inferiore ad 1 (massa subcritica) non c’è reazione a catena; se il fattore di moltiplicazione è uguale o di poco maggiore ad 1 (massa critica) si ha la reazione a catena controllata per l’uso in centrali nucleari; se questo fattore risulta molto maggiore di 1 (massa sovracritica) si ha la fissione non controllata che è alla base delle esplosioni atomiche (in questo caso occorre intervenire con un maggiore arricchimento della percentuale dell’Uranio 235 in Uranio 238, dell’ordine del 7%).

            Inoltre, se nella massa di materiale da sottoporre al processo di fissione, vi sono nuclei fissili (ad esempio di Uranio 235) mescolati a nuclei che assorbono neutroni (come è il caso dell’Uranio 238) e se la percentuale di nuclei non fissili è elevata, la reazione a catena non può sostenersi. Occorre quindi preparare i combustibili nucleari in modo si abbia una composizione critica tale da non far cessare la reazione (è quanto abbiamo già discusso a proposito dell’arricchimento dell’Uranio).

            Infine poiché, come abbiamo già detto, i neutroni prodotti dalla fissione sono sempre veloci, essi hanno scarsa probabilità di andare a fissionare altri nuclei. Per aumentare questa probabilità occorre rallentare tali neutroni immergendo la massa di materiale da fissionare (precedentemente organizzata in modo geometricamente opportuno, come già accennato) in opportuni moderatori (sostanze di basso peso peso atomico) che hanno lo scopo di assorbire l’energia cinetica dei neutroni senza assorbire i neutroni stessi. I moderatori più in uso sono: l’acqua, l’acqua pesante, il berillio metallico, l’ossido di berillio, la grafite.

                 I reattori nucleari funzionano sfruttando i processi di fissione (alcuni dettagli li vedremo più oltre).

                In alcuni reattori (LWR di tipo BWR o PWR: si legga “Reattori ad acqua leggera di tipo acqua bollente o acqua in pressione”) si usa come moderatore l’acqua mentre il combustibile è Uranio arricchito (e l’Uranio va arricchito perché l’acqua, oltre a moderare, assorbe anche dei neutroni). Abbiamo già visto quali sono i processi di fissione ce avvengono in questi reattori e che interessano l’Uranio 235. Vediamo ora cosa accade, parallelamente, all’Uranio 238 presente in gran quantità nel combustibile in uso. Quando un nucleo di Uranio 238 viene colpito da un neutrone si origina Uranio 239 che, essendo molto instabile, decade subito emettendo una radiazione β, in Nettunio 239; anche quest’ultimo è un elemento molto instabile che, emettendo ancora una particella β, decade in Plutonio 239. La reazione descritta è la seguente:

Figura 16

 Si dovrebbe comprendere quindi che, come effetto secondario del funzionamento di un reattore nucleare LWR si abbia la produzione di una grande quantità di Plutonio, elemento estremamente pericoloso sia dal punto di vista chimico (è velenosissimo) che dal punto di vista fisico (dato che il suo tempo di dimezzamento è di 24000 anni e che occorre attendere almeno 6 o 7 di questi tempi perché una sostanza radioattiva diventi praticamente inoffensiva, ci si rende conto che con il Plutonio occorre attendere un 160000 anni per stare tranquilli: basta un poco di pazienza …).

Figura 17

           In altri reattori (di tipo HWR o CANDU: si legga “Reattori ad acqua pesante o Reattori canadesi ad Uranio naturale moderati con acqua pesante”) si usa come moderatore l’acqua pesante mentre il combustibile è Uranio naturale. L’arricchimento in questo caso non è necessario in quanto l’acqua pesante ha la proprietà di assorbire molti meno neutroni (circa 600 volte meno) dell’acqua ordinaria; il maggior numero quindi di neutroni permette che la reazione si sostenga (andando a bilanciare il maggior numero di neutroni assorbiti dalla maggior percentuale di Uranio 238: sembrerebbe tutto più semplice ma i processi di fabbricazione dell’acqua pesante sono altrettanto complessi e sofisticati di quelli per arricchire l’Uranio, anche se qui viene meno, almeno direttamente, l’interesse militare).

           Nei Reattori  autofertilizzanti non si usano moderatori e quindi i neutroni non sono rallentati in modo da aumentare le frequenze delle fissioni. Per ottenere questo ultimo effetto in questi reattori si arricchisce l’Uranio naturale con atomi di materiale fissile come Plutonio 239 o Uranio 235. In questo modo i neutroni veloci sono in grado di mantenere la reazione. E, mentre essa va avanti nella parte centrale del reattore, intorno ad esso viene sistemato dell’uranio naturale i cui atomi di Uranio 238, assorbendo dei neutroni che sfuggono dalle reazioni che avvengono al  centro, si trasformano in Plutonio (con la reazione vista nella figura 16) che sarà utilizzata successivamente come combustibile nella parte centrale del reattore (il Plutonio prodotto in questo modo è in quantità maggiore di quello che occorre per l’arricchimento del combustibile: per questo motivo i reattori così concepiti sono detti autofertilizzanti).

             Altro elemento importante nel funzionamento di un reattore nucleare sono le barre di controllo che sono delle barre di materiali in grado di assorbire neutroni (cadmio, afnio, boro). Per regolare la potenza del reattore o per fermarlo si alzano o si abbassano queste barre sistemate tra gli elementi di combustibile, in modo da regolare la quantità di neutroni destinati alla fissione.

              L’effetto finale utilizzabile di una reazione nucleare è la produzione di enormi quantità di energia che vengono asportate dal reattore prima sotto forma di calore e quindi sotto forma di energia meccanica immediatamente trasformata in elettrica. Per prelevare calore dalla reazione nucleare si utilizza un refrigerante (molto spesso è lo stesso moderatore che funge anche da refrigerante; è questo il caso dell’acqua. Nei reattori autofertilizzanti, data la maggiore quantità di calore prodotta, l’acqua ed altri sistemi ordinari non sono sufficienti, occorre utilizzare la circolazione forzata di sodio liquido) che andando a contatto con il combustibile si scalda fino a diventare vapore ad alte temperature e pressione, in grado cioè di mettere in moto le turbine.

 10 – LA FUSIONE NUCLEARE

    Accennerò appena a questo tipo di reazione nucleare: essa è ancora allo studio e non ancora in grado di fornire energia utilizzabile per scopi pacifici. L’unico uso pratico e realizzato dall’uomo di reazioni di fusione è quello della bomba all’idrogeno o bomba H. Viceversa, dalla fusione dipende la vita del nostro sistema solare e, in particolare, della Terra: sono reazioni di fusione nucleare che avvengono (a centinaia di migliaia) sul Sole che ci permettono fornendo l’energia necessaria al ciclo delle acque, alla fotosintesi ed a tutti i processi vitali.

            Sulla Terra si sta studiando la possibilità di sfruttare questo tipo di energia. Se si riuscisse a farlo avremmo risolto per secoli i problemi dell’approvvigionamento energetico (con quali ricadute sull’ambiente ancora non si sa molto bene; sembra comunque che gran parte dei pericoli connessi con i fenomeni radioattivi e le scorie di una centrale a fissione debbano scomparire).

              La reazione di fusione consiste, come dice la parola, nel fondere insieme due nuclei leggeri per ottenerne uno più pesante. A questa reazione si accompagna l’emissione di una enorme quantità di energia (il rendimento è circa 6 volte quello che si ha con la fissione dell’Uranio. Ad esempio, fondendo 1 Kg di idrogeno in elio si liberano circa 180 milioni di Kwh di energia, mentre avevamo visto che con la fissione di 1 Kg di uranio si ottenevano 23 milioni di Kwh di energia) dovute al fatto che la massa del nucleo finale ottenuto è minore di quella dei costituenti iniziali e, come sappiamo, ad ogni perdita di massa corrisponde l’acquisto di enormi quantità di energia. Per innescare però una reazione di fusione vi sono problemi, in gran parte tecnici, considerevoli. Infatti, mentre il tramite delle reazioni di fissione era il neutrone (particella priva di carica), ora è necessario che i due nuclei che debbono fondersi vengano a contatto. Ma i nuclei sono dotati di carica positiva e quindi si respingono reciprocamente con una forza che, ricordiamolo, tende a diventare infinita mano a mano che la distanza tra le cariche dei nuclei tende ad annullarsi. Per riuscire ad avvicinare i due nuclei, vincendo la repulsione coulombiana, tanto che arrivino a fondere, occorre innalzare la temperatura a livelli impensabili (intorno ai 100 milioni di gradi kelvin, temperatura molto superiore a quella che c’è sulla superficie del Sole, solo circa 6000 °K) in modo che l’agitazione termica vinca la repulsione di origine elettrica.

            Come ben si capisce i problemi, a questo punto, diventano tecnici: occorre studiare una pentola dentro cui sia possibile cucinare nuclei, ad esempio, di Deuterio (in modo che divengano nuclei di Elio) ed in grado di resistere a temperature gigantesche. Svariate di queste pentole sono in studio nel mondo (Russia, USA, UE, Giappone, Italia). Non entrerò ora in qualche dettaglio di funzionamento (vedi la sezione relativa ai Reattori Nucleari) ma mostrerò alcune reazioni di fusione (con le relative energie liberate) ed in particolare quelle riguardanti gli isotopi dell’Idrogeno:

1H2  +  1H2 =>  1H3  +  1H1  +  4 MeV

        1H2  +  1H2  =>   2He3  +  0n1  +  3,3 MeV    

       1H2  +  1H3 =>   2He4  +  0n1  +  17,6 MeV

           1H2  +  2He3 =>   2He4  +  1H1  +  18,3 MeV

dove: 1H1 = Idrogeno; 1H2 = Deuterio; 1H3 = Trizio; 2He3 = Elio 3; 2He= Elio 4.

Figura 18

Figura 19

Figura 20


BIBLIOGRAFIA 

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2 – E. Persico – Gli atomi e la loro energia – Zanichelli, 1970.

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22 – D. J. Hughes – Fisica del neutrone – Einaudi, 1960.

REATTORI NUCLEARI A FISSIONE

            Passo ora ad una breve rassegna dei più noti e diffusi reattori nucleari per la produzione di energia ad uso pacifico, a partire dalla fissione nucleare che abbiamo appena studiato.

             Dunque, da una reazione di fissione nucleare controllata si ottiene energia, molta energia. Il problema è capire come prenderla e come trasformarla in apposite centrali. Le centrali per la produzione di energia hanno nomi diversi, a seconda da cosa sono alimentate. Così abbiamo a che fare con centrali idroelettriche quando utilizziamo l’energia di caduta di una massa d’acqua da una data quota; si hanno centrali a marea quando sfruttiamo il sollevarsi e l’abbassarsi del mare; si hanno invece centrali eoliche quando utilizziamo il moto di pale, originato dal vento. Fin qui per ciò che riguarda centrali fredde, centrali cioè che lavorano a temperatura ambiente, senza passare per il riscaldamento. Vi sono poi le centrali termiche che sono una classe di centrali che comprendono: centrali solari, centrali a carbone, centrali geotermiche, centrali a gas, centrali ad olio combustibile, centrali nucleari (di differenti tipologie)A parte alcuni tipi di centrali solari che lavorano a temperature relativamente basse, tutte le altre centrali funzionano sostanzialmente con lo stesso principio: vi è un fornello dentro il quale si genera il calore; questo calore viene scambiato con una qualche sostanza (generalmente acqua); questa sostanza acquista energia termica (se è acqua diventa vapore ad elevata temperatura e pressione) ed è in grado di muovere delle turbine; il moto delle turbine è connesso ad un alternatore che origina corrente alternata; questa corrente, dopo opportuna trasformazione, viene inviata negli elettrodotti per gli usi finali in fabbriche e città.

           Nel caso di una centrale nucleare il fornello è costituito da un arrangiamento che permette di sfruttare l’energia da fissione nucleare.

                     Per sfruttare una tale energia sono necessarie alcune condizioni:

– occorrono una enormità di nuclei che simultaneamente si fissionino;

– occorre innestare la reazione a catena che deve mantenere la combustione per produrre energia con continuità;

– occorre il controllo del processo: la possibilità di regolarne la potenza nel tempo e nella durata.

La struttura di un reattore nucleare deve quindi prevedere schematicamente:

– un fornello, detto nocciolo, nel quale si sviluppi la reazione a catena;

– un efficientissimo sistema di estrazione del calore (raffreddamento) dal nocciolo;

– una schermatura molto importante per fermare le radiazioni prodotte in modo ineliminabile dal processo di fissione;

– sistemi di regolazione dei processi mediante strumenti di controllo, al fine dell’uso pratico del reattore.

Figura 1

         Nella figura piccola, in basso a destra, sono schematicamente raffigurate le differenti situazioni di un nocciolo: nella prima la barra nera serve per bloccare completamente la reazione; nella seconda la barra nera si alza e la reazione aumenta di potenza; nella terza la barra nera è completamente sollevata ed il reattore funziona alla massima potenza. La figura grande mostra invece lo schema costruttivo di un nocciolo completo di tutti i suoi componenti: le barre rosse sono quelle del combustibile nucleare; le barre nere sono di sicurezza e controllo della potenza del reattore; le barre verdi servono per moderare le reazioni, per assorbire i neutroni eccedenti;  nel recipiente vi è dell’acqua che assorbe il calore prodotto; il recipiente è circondato da calcestruzzo che ha un ulteriore contenitore, generalmente di acciaio; lungo il bordo del contenitore (barre gialle) vi è una qualche sostanza che ha la proprietà di riflettere i neutroni prodotti dalle reazioni all’interno del nocciolo, al fine di non disperderli. La figura 2 mostra invece un nocciolo in fase di montaggio in una centrale da 1300 Mw (una taglia di centrale nucleare molto grande e di tipo PWR, come vedremo più oltre).

Figura 2

L’interno del nocciolo, sempre schematicamente ma in forma più dettagliata, è mostrato in figura 3.

Figura 3 

Si tratta di centinaia di barre di combustibile (uranio arricchito o plutonio) alternate con barre moderatrici (in genere berillio o grafite) e di controllo (in genere cadmio o boro, che possono scorrere verticalmente comandate dall’esterno per regolare la potenza della centrale).

             Ecco, dentro questo nocciolo viene realizzata la reazione nucleare a catena controllata che produce l’energia che ci interessa. Vedremo a breve come è connesso questo nocciolo al resto, ora vorrei dire due parole sulla peculiarità di questo fornello, rispetto agli altri delle centrali termiche. Innanzitutto il problema che si ha davanti riguarda le elevatissime temperature che si originano dalla reazione nucleare. Il sistema deve essere ben controllato per mantenerlo sempre a temperature (intorno ai 400 °C) tali da non danneggiarlo. Lo scorrimento delle barre è fondamentale per il controllo del reattore. Serve quindi un efficientissimo sistema di raffreddamento ed estrazione del calore prodotto. In pratica dell’acqua deve circolare per estrarre il calore prodotto con continuità. La quantità d’acqua è notevole e, a volte, la stessa acqua non ce la fa ad assorbire tutto il calore prodotto; è il caso di alcune centrali nucleari che debbono utilizzare del sodio liquido per la sua maggiore efficienza relativa allo scopo. Ma su questo tornerò tra un istante. Passiamo ora a vedere come questo nocciolo è collegato all’insieme della centrale, a partire dagli elementi fondamentali. Mi riferisco alla figura 4 ed avverto che il sistema che vi è rappresentato può essere relativo a qualunque centrale termica (che utilizza, appunto, un fornello per la produzione di energia elettrica).

Figura 4 

Il vapore d’acqua (mi riferisco ora al vapore d’acqua come intermediario per gli scambi di calore, ma ve ne sono anche altri) ad alte temperatura e pressione esce dal nocciolo ed in E entra nella prima parte (scambiatore) del sistema che va a produrre energia elettrica. Nello scambiatore il vapore proveniente dal nocciolo cede gran parte della sua energia termica all’acqua ivi presente. Questa, a sua volta, diventa vapore ad alte pressione e temperatura che è canalizzato verso turbine gigantesche che, a loro volta, fanno girare enormi generatori di corrente alternata (che dovrà poi essere trasformata prima dell’invio nell’elettrodotto). Nella figura 5 è mostrato lo statore di tali generatori, mentre nella 6 è riprodotto il rotore. Li mostro solo per dare un’idea delle dimensioni in gioco.

Figura 5

Figura 6

 Ma ora torniamo al vapore che ha fatto girare le turbine. Fuoriuscito da queste, esso si dirige verso un sistema (condensatore) che serve a raffreddarlo al fine di rinviarlo sotto forma di acqua nello scambiatore. La quantità di calore da sottrarre è enorme e, spesso, non basta lo scambio semplice con una sorgente fredda naturale, come acqua di fiumi, laghi o mare (grandi masse d’acqua vengono aspirate da queste sorgenti fredde, vanno a sottrarre calore all’acqua proveniente dallo scambiatore, vengono quindi riversate di nuovo nella sorgente fredda ma a temperature superiori di vari gradi). Occorre raffreddare queste masse d’acqua prima di riversarle di nuovo nelle sorgenti fredde, facendole circolare dentro delle gigantesche torri di raffreddamento (figura 7).

Figura 7

         A questo punto è possibile vedere un disegno (Figura 8) schematico dell’intera centrale (avverto però che non entro nei dettagli di ogni singola parte, ma ritrovo nel disegno i componenti ai quali ho accennato).

Figura 8

 Iniziando dalla sinistra del disegno: il primo edificio riceve le barre di combustibile nucleare da inserire nel nocciolo che è disegnato in rosso al centro della cupola dell’edificio seguente. Nel primo edificio vengono anche provvisoriamente alloggiate in una grande piscina le barre di combustibile già utilizzate. Sotto la cupola vi sono, oltre al nocciolo, i generatori di vapore (scambiatori). Dalla cupola escono dei tubi che portano il vapore nel grande edificio parallelepipedo che segue. Il vapore entra nella turbina ad alta pressione (indicata con il n° 24) e successivamente nelle turbine a bassa pressione (n° 25). Queste turbine fanno muovere i generatori di corrente che seguono (n° 26). Da qui la corrente passa ai trasformatori (n° 30) per poi andare nell’elettrodotto. Il vapore che esce dalle turbine a bassa pressione va invece ad essere raffreddato nel condensatore (n° 28) da dove poi torna agli scambiatori nella cupola. In accordo con quanto già detto, a parte il dimensionamento dei singoli componenti, con la sostituzione di quel nocciolo con altro generatore di calore si ha a che fare con altro tipo di centrale termica. 

VARI TIPI DI CENTRALI NUCLEARI 

            Ho fino ad ora parlato genericamente di centrali nucleari senza ulteriore specificazione. E’ ora utile entrare in un minimo di classificazione dei vari tipi di centrali nucleari in commercio.

             Le centrali più diffuse sono quelle ad acqua leggera (Light Water Reactor, LWR) che sono di due tipi, quelle ad acqua in pressione (PWR, brevetto Westinghouse) e quelle ad acqua bollente (BWR, brevetto General Electric). In tali centrali il combustibile è uranio arricchito ed il moderatore è acqua naturale.

             Vi sono poi le centrali ad acqua pesante (Heavy Water Reactor, HWR) che sono essenzialmente quelle brevettate in Canada (CANadian Deuterium-Uranium, CANDU). In tale centrale il combustibile è uranio naturale ed il moderatore è acqua pesante.

             Altro tipo di centrali è quello sviluppato principalmente in Francia, si tratta dei reattori autofertilizzanti o reattori veloci o breeders (LMFBR).

              Vi sono infine alcuni tipi di centrali sviluppate nella ex URSS che vedremo oltre, soffermandoci solo al tipo VVER 440 Non essendo comunque questo il reattore di tipo Chernobyl (per sapere qualcosa su quest’ultimo, vedi qui).

                Altre centrali hanno ormai solo un interesse storico come quelle a gas (Magnox ed AGR), sviluppate soprattutto in Gran Bretagna. Vi sono poi reattori raffreddati a gas ad alta temperatura (HTR), reattori di ricerca, … ma è inutile entrare in dettagli che non aggiungerebbero nulla alla comprensione di principio.

CENTRALI LWR DI TIPO PWR 

                    Riproduco lo schema di funzionamento di tale centrale (Figura 9) per illustrarla in breve (ne ho già parlato in precedenza perché le esemplificazioni che facevo riguardavano questo tipo di centrale).

Figura 9 

Fatto che distingue questo tipo di reattore dal BWR è il circuito chiuso dell’acqua che dal nocciolo va allo scambiatore. Un altro circuito d’acqua, completamente separato, è quello che muove le turbine. Inoltre, l’acqua che si trova nel nocciolo, oltre ad essere ad alta temperatura è anche ad alta pressione perché, ad essa, viene impedita ogni espansione. Le dimensioni standard di un nocciolo sono di circa 5 metri di diametro e di circa 15 metri di altezza con uno spessore del contenitore di acciaio che varia dai 150 ai 300 mm. La carica di combustibile prevede circa 90 tonnellate che permettono il suo funzionamento per circa un anno. La pressione dell’acqua è intorno ai 150 Kg/cm² e la temperatura intorno ai 280 °C. 

CENTRALI LWR DI TIPO BWR

           Parto anche qui qualche schema di principio di questi reattori (Figure 10).

Figura 10

Come si vede, l’acqua a diretto contatto con il combustibile nucleare, è quella che, bollendo, fornisce il vapore che fa muovere le turbine. Altro vapore viene fornito dallo scambiatore. In questa centrale, come nell’altra PWR, l’acqua svolge due ruoli: quella di raffreddamento del sistema e quella di moderatore dei neutroni generati nella reazione nucleare.

            Uno schema più dettagliato del nocciolo di una centrale PWR, lo ho mostrato in figura 3. Mostro ora, con lo stesso dettaglio, il nocciolo di una centrale BWR (Figura 11).

         Il contenitore degli elementi di combustibile è anche qui un recipiente a pressione ma con un volume triplo rispetto a quello previsto per il PWR. Un tale nocciolo ha un diametro di oltre 6 metri ed una altezza di oltre 20 metri. Lo spessore dell’acciaio di contenimento è di soli 150 mm. Carica una quantità di combustibile di circa 165 tonnellate. La temperatura dell’acqua è intorno ai 180 °C (la stessa del PWR) e la pressione intorno ai 70 Kg/cm² (la metà circa di un PWR).

Figura 11

CENTRALI HWR DI TIPO CANDU 

                     Anche qui parto da uno schema del nocciolo di un CANDU.  Cambia un poco la struttura ma il principio è il medesimo. Anche qui il vapore va ad azionare delle turbine ed è necessario un condensatore per il raffreddamento dell’acqua che dovrà tornare ad estrarre calore dal nocciolo.

Figura 12 

Qui il circuito dell’acqua a contatto con gli elementi di combustibile deve essere rigorosamente sigillato in quanto contiene acqua molto costosa, l’acqua pesante. La carica degli elementi di combustibile è circa di 130 tonnellate inserite nel contenitore che ha un diametro di meno di 10 metri, una lunghezza di circa 6 metri ed uno spessore di circa 30 millimetri. Più in dettaglio il nocciolo si presenta come in figura 13.

         Caratteristica importante di questi reattori è che il combustibile può essere cambiato in funzione, contrariamente ai LWR che richiedono circa un mese l’anno di stop per le ricariche.

Figura 13 

REATTORI RAFFREDDATI A GAS 

               Presento solo uno schema di una tale centrale, la GCR MAGNOX, che utilizza uranio naturale (in sbarre racchiuse in una lega di magnesio chiamata magnox) come combustibile,  anidride carbonica come estrattore del calore, barre di acciaio al boro come controllo e  barre di grafite come riflettore e come moderatore.

Figura 14

 Si vede facilmente che, a parte il nocciolo ed i dimensionamenti relativi alle potenze in gioco, la struttura è ancora simile a quella delle altre centrali termiche. La carica di combustibile è di circa 350 tonnellate.

 REATTORI VELOCI

          In questi reattori manca un moderatore. Di conseguenza i neutroni non sono rallentati molto. Ciò vuol dire che il combustibile deve essere dell’uranio arricchito con una percentuale maggiore di Uranio 235 o direttamente del plutonio. Questi reattori sono anche chiamati autofertilizzanti perché portano simultaneamente avanti due processi: da una parte producono energia e dall’altra si fabbricano il combustibile per il futuro arricchendo dell’uranio naturale disposto appositamente a mantello intorno al nocciolo. Come sappiamo se l’uranio naturale viene colpito da neutroni veloci, si realizza la reazione nucleare che dà origine al plutonio. E, come abbiamo visto, queste centrali funzionano proprio con barre contenenti buone percentuali di plutonio. Per rendere efficiente il processo di conversione di uranio in plutonio occorre che il reattore lavori a temperature più alte rispetto a quelle di altri tipi di centrale. Queste elevate temperature fanno si che è impossibile usare acqua per il raffreddamento, poiché la pressione sarebbe molto elevata mettendo a rischio la sicurezza delle canalizzazioni. E’ qui dove si usa del sodio liquido che ha la proprietà di mantenere basse pressioni ad elevate temperature. Ma ciò non basta: occorre anche che questo sodio venga fatto circolare ad elevate velocità per sottrarre tutto il calore al nocciolo. Nella figura 15 è mostrato un nocciolo di tali reattori. Si noti il mantello di uranio che, nel funzionamento, viene preparato per il successivo uso.

Figura 15

REATTORI VODO-VODYANOY ENERGETICHESKY REAKTOR (VVER 440) E REATTORI BOL’SHOI MOSCHNOSTY KANAL’NYI (RBMK 1000)

                  Poiché mi riprometto di trattare con un qualche dettaglio l’incidente nucleare di Chernobyl (Ukraina, ex URSS) oltre a quello di Three Mile Island (Harrisburg, USA), è necessario descrivere con un qualche dettaglio la tecnologia ex sovietica dei reattori nucleari. Si tratta di due filiere, quella dei reattori VVER che hanno nel numero, che segue la sigla, indicata la loro potenza elettrica in MW (come si vede, quindi, la potenza di 440 è circa un terzo della media delle potenze di una centrale in funzione in occidente) e gli RBMK 1000 (Reaktor Bol’shoi Moshchnosty Kanal’nyi, ossia reattori a canali di potenza elevata), tipo in funzione nell’unità 4 di Chernobyl, quella dell’incidente. Il sistema primario dei reattori VVER, mostrati schematicamente in figura 16, è costituito da 6 circuiti di refrigerazione in parallelo, ciascuno dei quali è dotato di un proprio generatore di vapore che va ad alimentare due turbine collegate a ciascuna unità (Figura 17 e Figura 18).

Figura 16

Si tratta di un reattore ad acqua in pressione che non ha struttura di contenimento (le cupole in cemento armato dei reattori precedentemente visti) ma solo una struttura di confinamento costituita da vari locali interconnessi e circondanti il nocciolo. Questo tipo di realizzazione è conseguente al massimo incidente di progetto previsto. Nelle successive versioni dei VVER (i 1000), si è passati a più sistemi di refrigerazione (e più sofisticati) ed anche al contenimento (per reattori progettati dopo il 1983, anno in cui l’ex URSS si dotò di un organo statale centrale di sorveglianza e di nuove regole di sicurezza).

Figura 17

Figura 18

            La seconda filiera si è evoluta, a partire dagli anni 50, fino ad arrivare ai reattori RBMK 1000 che debuttarono nel 1973 (Figure dalla 19 alla 22). Il corpo di tali reattori è costituito da circa 2500 blocchi di grafite, che ha il ruolo di moderatore, all’interno dei quali sono ricavate le aperture nelle quali sono inseriti i canali del combustibile. Tali canali, in numero di circa 1700, sono costituiti da tubi all’interno dei quali sono disposti, in due fasci di barre sovrapposti, gli elementi di combustibile che vengono direttamente lambiti dall’acqua refrigerante. Il sistema di refrigerazione è costituito nel suo insieme da due circuiti indipendenti, funzionanti in parallelo, ognuno in grado di raffreddare una metà del nocciolo. Il reattore RBMK è dotato di un sistema di refrigerazione di emergenza, mentre non è dotato di un sistema di contenimento ma, come il VVER 440, di un sistema di confinamento compartimentato. Le unità 1 e 2 di Chernobyl erano costituite dai primi reattori di questo tipo messi in funzione.

Figura 19

Figura 20

Figura 21

Figura 22                   

La peculiare tecnologia di tali reattori presentava, rispetto alle altre tipologie, ed in particolare rispetto alla filiera pressurizzata, una serie di vantaggi fra i quali è opportuno evidenziare:

– assenza di nuovi processi tecnologici nella costruzione,

– possibilità di incrementare la potenza con la semplice aggiunta di elementi modulari,

– carico e scarico del combustibile con reattore in funzione e quindi la possibilità di migliori prestazioni produttive.

Dopo svariate indagini internazionali si possono rilevare i seguenti difetti per i reattori della filiera VVER:

– insufficiente capacità di refrigerazione di emergenza nel lungo periodo;

– insufficiente ridondanza e separazione dei sistemi di sicurezza;

– assenza di un sistema di contenimento;

– insufficiente protezione dagli incendi e da altri eventi quali allagamenti, caduta di un aereo o l’onda d’urto di una esplosione.

La stessa filiera avrebbe invece le seguenti caratteristiche positive:

– bassa potenza del nocciolo;

– notevoli quantità d’acqua sia sul primario che sul secondario;

– semplicità impiantistica;

– possibilità di isolamento, in maniera separata, di ognuno dei circuiti costituenti il primario.

Riguardo alla filiera degli RBMK si possono individuare le seguenti carenze:

– instabilità dinamica del nocciolo (vibra!);

– limitata efficacia del sistema di protezione (insufficiente rapidità di inserzione delle barre di controllo);

– insufficienti caratteristiche della refrigerazione di emergenza (sistema complesso, insufficiente ridondanza);

– assenza di un sistema di contenimento (solo una parte dei circuiti primari è in compartimenti a tenuta);

– eccessiva dipendenza della regolazione e controllo dell’impianto da interventi degli operatori;

– incompatibilità chimica dei materiali presenti nel nocciolo (grafite-acqua, possibilità di produzione di idrogeno).

Più in generale si può aggiungere lo scarso controllo da parte di enti preposti e lo scarso addestramento del personale.


BIBLIOGRAFIA

1 – (a cura di Felice Ippolito) – Energia dall’atomo – Le Scienze “quaderni” n° 3,  dicembre 1982.

2 – M. Maggi, R. Mussapi, R. Spiegelberg – Il nucleare dell’Est – Sapere di febbraio e marzo 1993.


REATTORI NUCLEARI A FUSIONE

            La fusione nucleare, come sappiamo, si realizza in natura sulle stelle ed è stata realizzata dall’uomo in modo terribilmente distruttivo nelle bombe H che vedremo nella sezione “armi nucleari”. Sono molti anni che si lavora alla realizzazione di un reattore nucleare che renda possibile l’uso pacifico di energia da fusione. Ancora non ci si riesce ma si deve continuare perché, mediante questa tecnica, sarebbe possibile sfruttare fonti energetiche praticamente inesauribili esistenti sulla Terra, come ad esempio l’idrogeno.

            I problemi che si pongono sono enormi ed a tali problemi si sommano le inerzie dei governi nazionali che lesinano il denaro ed il freno delle multinazionali energetiche, particolarmente quelle del petrolio. I problemi tecnico-scientifici nascono da questioni primordiali molto comprensibili a tutti. Un fornello a gas ci dà una fiamma di circa 400 °C. Sopra questa fiamma, per cucinare, disponiamo una pentola, ad esempio, di alluminio che fonde a meno di 700 °C. Pensiamo ora che la fusione nucleare sul Sole si realizza a circa 6 000 °C (e con pressioni elevatissime) e che, sulla Terra, per realizzarla occorrono temperature che oscillano intorno ai 100 milioni di gradi (più di sei volte la temperatura all’ interno del Sole). Ecco questo cenno di dati dovrebbe far capire l’enorme difficoltà prima di raggiungere quelle folli temperature e poi di contenerle in un qualche recipiente. Nonostante le difficoltà, queste cose si sono fatte, resta da realizzare, simultaneamente svariate altre condizioni che tenterò di illustrare. 

UNA CRONOLOGIA MINIMA

                Gli avvenimenti importanti sulla strada della fusione sono cronologicamente elencati di seguito:

  • fine anni ’20: Atkinson e Houtermans avanzano l’idea che il Sole possa brillare a seguito di reazioni termonucleari; dieci anni dopo fu postulato il ciclo di produzione energetica mediante fusione nucleare nel Sole;
  • nel 1923 Rutherford, Walton e Cockcroft osservarono la cattura di un protone da parte di un atomo di Litio 7, e la disintegrazione di quest’ultimo in due particelle alfa con liberazione di energia;
  •  nel 1925 Rutherford, Oliphant ed Harteck ottennero la fusione di due deutoni che si trasformarono in un Elio 3 ed un neutrone o in un Trizio ed un protone, liberandosi in ambedue i casi, grande energia;
  • nel 1951 una bufala di Juan Perón, che aveva affermato di avere una centrale a fusione nucleare in funzione, spinse l’astrofisico Lyman Spitzer di Princeton a studiare il problema;
  • nel 1951 i fisici sovietici Andrej Sacharov ed Igor Tamm disegnarono quell’oggetto che più tardi si chiamerà tokamak;
  • da questo momento (ma anche prima) cade il silenzio su queste ricerche. Si lavora su di esse a fini militari … la bomba H ha già debuttato e suoi perfezionamenti bussano alla porta. Siamo in piena guerra fredda!
  • 1958, Ginevra. Vi è la Conferenza Atomi per la Pace. Si capì che era necessario studiare più a fondo i plasmi e si dette il via a studi di base che occuparono gli anni successivi;
  • nel 1968 il tokamak sovietico riuscì a mostrare una possibile strada del confinamento magnetico ed avviò il mondo su macchine dello stesso tipo;
  • negli anni ’70 la fusione entrò nella big science per la mole dei finanziamenti che richiedeva. Si capì che per andare avanti occorrevano piani di collaborazione internazionale;
  •  nel 1978 quella che allora si chiamava Comunità Europea mise in piedi uno dei progetti di studio di fusione più ambiziosi, il JET (Joint European Torus ovvero Toro europeo insieme) che si iniziò a costruire a Abingdon in Gran Bretagna. Nel giugno 1983 il JET produsse i primi plasmi e dette mostra di funzionare fino agli esperimenti del 1991 che con successo fusero deuterio e trizio;
  •  nel 1978 il PLT (Princeton Large Torus) statunitense ha prodotto plasmi ad oltre 60 milioni di gradi. Verso la metà degli anni ’80 iniziarono gli esperimenti con il TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor ovvero: reattore per provare la fusione di tipo tokamak) particolarmente con mescole di deuterio e trizio (1993).
  •  dal 1988 in Giappone si sono fatti esperimenti avanzati con il JT-60, tokamak di grandi dimensioni.
  •  dal 1989 è entrato in funzione il tokamak FTU (Frascati Tokamak Upgrade) nei Laboratori Nazionali di Frascati. Questa macchina è il risultato di ricerche iniziate nel 1976.

QUALCHE DETTAGLIO SUI TOKAMAK

              La prima macchina che ha studiato e tentato di realizzare la fusione in scala che sarebbe potuta diventare commerciale è ex sovietica e prende il nome di TOKAMAK, acronimo russo delle parole che la descrivono: TOroidalnaya KAmera MAgnitnaya Katushka, ovvero macchina a camera toroidale e avvolgimento magnetico. Fu sviluppata all’Istituto dell’Energia Atomica di Mosca alla fine degli anni ’60. Il toro è una figura geometrica che deriva il suo nome dal latino torus = cintura, cordone (da non confondere con taurus, da cui il più familiare toro del mondo animale). La figura geometrica toro (Figura 0) ha quindi l’aspetto di un tubo chiuso ad anello che è proprio la forma che generalmente ha la camera centrale delle macchine che lavorano intorno alla fusione nucleare (il contenitore dell’anello verde di Figura 1 che rappresenta molto schematicamente un Tokamak).

Figura 0

Figura 1 

            Dentro la camera toroidale vi è inizialmente un gas che deve essere portato a temperature gigantesche. Ed un gas, che ha la proprietà di ionizzarsi a temperature ordinarie, si ionizza completamente (i suoi atomi perdono tutti gli elettroni) alle temperature a cui si lavora. un gas in condizioni di totale ionizzazione si chiama plasma. Per far crescere la temperatura di quel gas si usa un sistema che ricorre a giganteschi campi magnetici. Sottoponendo un plasma a tali campi, si restringe in un toro a sezione sempre più piccola con due effetti: da una parte ci si allontana dalle pareti del contenitore evitando il contatto con alte temperature, dall’altra si portano sempre più vicini tra loro i nuclei del gas da fondere. Naturalmente quanto dico è assolutamente banalizzato. I plasmi possono essere le miscele di nuclei più favorevoli alla fusione, ad esempio deuterio e trizio. In questo caso abbiamo a che fare con la coppia di elementi che ha bisogno della più bassa temperatura di innesco, circa 50 milioni di gradi centigradi. Il contenitore di tale elevata temperatura sarà, come accennato, il campo magnetico. Ma vi è un altro criterio cui bisogna rispondere per ottenere la produzione di energia da fusione, si tratta del criterio detto di Lawson. Durante il tempo di contenimento mediante campo magnetico del plasma scelto, l’energia liberata dalla fusione, ad una temperatura più alta di quella d’innesco, dovrebbe almeno essere uguale alla somma dell’energia persa attraverso processi radiativi più l’energia necessaria ad elevare l’energia termica del plasma alla temperatura considerata. In definitiva i parametri importanti per ottenere la fusione sono tre: la temperatura caratteristica di fusione (temperatura di ignizione) per un dato plasma (che si ottiene dall’equazione del bilancio energetico tra la potenza prodotta dalla fusione e le perdite di potenza dovute a vari fattori); la densità del plasma ed il tempo di confinamento. In pratica, disponendo di un plasma ad una data densità, esso dovrà essere compresso magneticamente per un tempo minimo necessario a raggiungere la temperatura in cui iniziano a fondere i nuclei del plasma medesimo. A questo punto sarà la macchina a dare energia attraverso le reazioni di fissione nucleare.

            Per raggiungere la temperatura di ignizione si deve scaldare convenientemente il plasma (Plasma Heating) per differenti vie: 

1 – riscaldamento ohmico (n° 4 in figura 2 e figura 2a) che consiste nello ionizzare la miscela (ad esempio) di deuterio e trizio ottenendo un plasma e quindi agendo sui campi magnetici rapidamente variabili che inducono un campo elettrico il quale, a sua volta, origina una corrente nel plasma che lo riscalda;

2 – riscaldamento per compressione magnetica o adiabatica (n° 3 in figura 2) che si ha aumentando bruscamente il campo magnetico toroidale, fatto che fa aumentare l’energia cinetica e quindi la temperatura del plasma; un campo elettrico toroidale mantiene una corrente elettrica, pure toroidale, che fluisce nel plasma e questa corrente, a sua volta, genera una componente del campo magnetico che è poloidale (per questo tipo di riscaldamento si veda Figura 3);

3 – riscaldamento per pompaggio magnetico che si origina facendo variare periodicamente il campo magnetico;

4 – riscaldamento attraverso microonde (n° 1 in figura 2) che devono avere la stessa frequenza con cui vibrano le particelle del plasma; 

5 – riscaldamento per iniezione di fasci di atomi neutri di elevata energia (che possono penetrare nel plasma senza subire disturbo dalle cariche elettriche che lo costituiscono). Nel penetrare nel plasma questi fasci neutri si ionizzano e trasferiscono parte della loro energia cinetica al plasma per urto (n° 2 in figura 2). Tale procedimento può essere applicato in combinazione con altri;

6 – riscaldamento per onde d’urto è quello che si ottiene attraverso raggi laser di elevata potenza che vanno ad incidere sul plasma (si può anche operare attraverso elettroni accelerati o ioni pesanti). 

 Alcuni di questi metodi di riscaldamento sono illustrati nella Figura 2:

Figura 2                                                   

Figura 2a

           Questa temperatura elevata, tendenzialmente, lavora per separare i nuclei degli atomi del plasma, essendo questi carichi tutti positivamente. Occorre quindi restringere lo spazio a disposizione del plasma mediante un suo confinamento che, nel caso in discussione, è magnetico (vi è poi da considerare un altro tipo di confinamento, quello inerziale).

C’è da osservare che, mentre fino ad ancora poco tempo fa (anni ’80) si lavorava in modo semiempirico per modificare la geometria della macchina (o delle macchine), nei suoi infiniti parametri, proprio da allora iniziano delle teorie elaborate che ci fanno sperare sempre più nell’entrata in funzione commerciale di tali macchine. In Figura 3 vi è uno schema ancora più dettagliato di quello di Figura 1 di un tokamak. Nella Figura 4 vi è invece il dettaglio dei campi elettrici e magnetici dentro il plasma.

Figura 3

Figura 4

            Per rendere conto delle dimensioni delle macchine che si stanno costruendo e con le quali si sperimenta (si tenga conto che il volume del plasma con cui si opera oscilla intorno ai 150 metri cubi), è utile la Figura 5, in cui è rappresentato l’interno del tokamak JET. Si noti che in questa macchina la figura toroidale ha già subito modificazioni importanti nella geometria. E’ anche interessante vedere l’immagine della macchia precedente con il plasma riscaldato al suo interno (Figura 6).

Figura 5

Figura 6

La Figura 7 mostra invece la stessa macchina vista dall’esterno e collegata ad una montagna di apparecchiature.

Figura 7

             Con il progredire degli studi e con il variare delle tecniche e delle geometrie le camere toroidali si sono suddivise in almeno tre differenti tipi, a seconda del procedimento utilizzato per generare lo sviluppo ad elica del campo magnetico intorno al plasma:

  • i tokamak veri e propri (Figura 8);
  • gli stellatori (Figura 9);
  • macchine per costrizioni di campo inverso (reversed field pinch – Figura 10).

 Nelle figure seguenti sono mostrate schematicamente le linee di forza del campo magnetico agenti sul plasma nei tre casi:

Figura 8

La struttura dei campi magnetici in un tokamak, già visti (Figure 3 e 4).

Figura 9

In uno stellatore la forma ad elica delle linee del campo magnetico si ottiene mediante una serie di avvolgimenti che, a loro volta ed in alcuni casi, possono avere forma elicoidale. Poiché lo stellatore non richiede il passaggio di una corrente attraverso il plasma per generare il campo magnetico, non ha trasformatore e può quindi funzionare a regime con continuità.

Figura 10

Le macchine a costrizione mediante campo inverso sono dei tokamak in cui circola una corrente molto elevata che provoca una riorganizzazione interna al plasma dei campi magnetici tale da invertire la direzione del campo toroidale nella parte centrale del plasma. Le componenti toroidali e poloidali del campo hanno intensità dello stesso ordine di grandezza.

          Fin qui abbiamo parlato del solo confinamento magnetico. Resta ora solo da accennare al confinamento inerziale.

            In questo caso si tratta di far interagire fasci laser (con energia vicina ai 5 MJ) o elettroni accelerati contro una piccola pastiglia (circa 1,5 millimetri di raggio) di plutonio (circa 0, 200 grammi) circondata da una cappa sferica (di meno di 2 millimetri di spessore) di un composto del deuterio contenente impurità di trizio (ricordo che la reazione di fusione Deuterio – Trizio è la più facile da realizzare ed è anche la più efficiente al fine della produzione di energia). L’urto tra il fascio laser e la pastiglia origina la compressione del plutonio portandolo ad una densità di circa 250 volte quella iniziale e della buccia sovrapposta portandola a densità di oltre 4000 volte la iniziale. In linea di principio il plutonio nelle condizioni accennate origina una microesplosione nucleare (fissione) che eleva le temperature al punto da innescare la fusione nella cappa che lo ricopre. La superficie della sferetta evapora e, secondo il principio di azione e reazione, il combustibile viene compresso e riscaldato. Si realizza così la condizione di altissima densità del plasma anche se per tempi di confinamento molto brevi. Le figura 11 e 12 mostrano, rispettivamente, l’esterno e l’interno di una camera in cui si realizza il confinamento inerziale.

Figura 11

Camera di combustione dell’istallazione laser-fissione-fusione Nova. Lawrence Livermore Laboratory, USA.

Figura 12

Interno della camera di combustione dell’istallazione laser-fissione-fusione Nova. Lawrence Livermore Laboratory, USA.

                    Questo processo è interessante ma abbisogna ancora di laser di energia sufficientemente elevata. In ogni caso la Figura 13 mostra un possibile arrangiamento che permetterebbe lo sfruttamento della fusione prodotta in questo modo.

Figura 13

             Il modo, invece, di estrazione del calore, e quindi dell’energia prodotta dalla fusione, con un sistema di confinamento magnetico è mostrato nelle figure 14 e 15.

Figura 14

Figura 15 

                Per concludere, nelle figure 16 e 17 sono riportate le foto delle principali macchine per la fusione in studio nel mondo.

Figura 16

Figura 17

               Altri progetti, ancora più avanzati, sono oggi in studio (PBFA 2, la macchina Z, ITER, DEMO, …) e, presto o tardi li descriverò. Si spera di avere presto dei risultati (comunque non prima del 2040) che possano permettere l’utilizzo commerciale dell’energia da fusione. In linea di principio i problemi ambientali dovrebbero essere minimi a fronte di disponibilità di combustibile praticamente infinita. 

Un breve commento in chiusura lo merita il progetto internazionale ITER. 

 “Mentre esiste un discreto accordo (anche se non unanime) tra i ricercatori su come procedere, ed è stato anche redatto un progetto, la quantità di risorse necessaria ha dissuaso i singoli stati dall’imbarcarsi in questa impresa. Viceversa, è stato raggiunto un consenso sul fatto che questo progetto, denominato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), dovrà essere realizzato sotto forma di collaborazione internazionale.
Purtroppo, il raggiungimento di un accordo in materia si è dimostrato difficile. In particolare nel 1998, quando il progetto era praticamente pronto, gli USA si sono ritirati, e questo ha portato a un sostanziale congelamento delle attività. L’anno scorso gli Stati Uniti hanno cambiato idea, e questo ha portato nuovo impulso. Attualmente si stanno svolgendo dei negoziati tra i partecipanti all’impresa, cioè Europa, USA, Giappone, Russia, Cina e Corea del Sud, per suddividere i costi e decidere i dettagli “politici”, primo fra tutti la localizzazione del sito dell’esperimento. La scelta tra i due candidati, Cadarache nel sud della Francia e Rokkasho in Giappone, si sta rivelando non facile, non per ragioni tecniche ma per rivalità politiche, alle quali hanno contribuito le recenti vicende della guerra irachena e i conseguenti contrasti tra la Francia e gli USA (che difatti appoggiano il sito giapponese). E’ da notare comunque che il costo totale del progetto, che è di 4,7 miliardi di Euro, pur nella sua rilevanza ammonta ad appena lo 0,5% delle spese militari mondiali annuali. Ma quali sono le prospettive di questa tecnologia? Iniziamo col dire che si prevedono tempi molto lunghi perché sia effettivamente possibile immettere in rete elettricità prodotta da centrali a fusione. La sola costruzione di ITER, una volta che siano risolti i problemi negoziali, durerà 8 anni, a cui faranno seguito 10 anni di sperimentazione. Di seguito dovrebbe essere possibile costruire un vero reattore dimostrativo, al quale seguiranno le centrali commerciali. Complessivamente, sembra molto difficile che si arrivi a uno sfruttamento commerciale della fusione prima dell’anno 2040. Va notato che i problemi legati al progressivo esaurimento delle riserve di petrolio e metano e al cambiamento climatico indotto dall’uso di questi combustibili si manifesteranno ben prima
. [Emilio Martines, ricercatore CNR, Redazione Cunegonda Italia] 

BIBLIOGRAFIA

1 – Consorcio Fusion Expo – Dominar la energia de las estrellas – Opuscolo illustrativo dei programmi di fusione, 1995.

2 – B. Coppi, J. Rem – Il Tokamak e la fusione termonucleare controllata – Le Scienze n° 50, 1972.

3 – AA. VV. – Energy sources & development – Simposio internacional sobre fuentes de energia y desarrollo – Moneda y Credito, Madrid 1977.

4 – E. Bertolini – Il progetto JET – Il Saggiatore 5/6, 1996.

5 – (a cura di Carlo Bernardini) – Le risorse energetiche – Quaderni Le Scienze n° 129, dicembre 2002.

 ORDIGNI NUCLEARI

            Per seguire una traccia delle tappe principali che hanno portato alla costruzione delle prime bombe atomiche si può vedere qui. Parlavo lì del susseguirsi degli eventi, di coloro che erano impegnati in essi, del sottofondo storico: Hitler, USA, Giappone, URSS, … Credo sia ora utile dare un cenno schematico delle principali armi atomiche e nucleari. Non si creda che la cosa sia così segreta e servano particolari conoscenze. Ricordo solo che una rivista fai da te di Tokyo, nei primi anni ’70, fornì tutti i piani completi al dettaglio di una bomba H, il problema allora come ora era solo legato alla materia prima, all’esplosivo. Gli effetti delle radiazioni e delle esplosioni nucleari (con la galleria fotografica), anche in scenari di guerra li discuterò in un successivo articolo.

ALCUNI DATI

        Abbiamo già visto la relazione di Einstein dell’Equivalenza massa-energia, E = m.c2, che, lo ricordo, vuol dire una cosa semplice: se riusciamo a far scomparire della massa, alla sua scomparsa corrisponde la creazione di una immensa quantità di energia; e ciò proprio perché energia e massa sono la stessa cosa potendosi dire che la massa è energia estremamente concentrata. La relazione di Einstein, abbiamo visto, è alla base del funzionamento dei reattori nucleari, con la dicitura uso pacifico dell’energia nucleare. Vi è poi l’uso non pacifico ed è di quello che andiamo a discutere.

        Secondo la relazione di Einstein, se riuscissimo a disintegrare 1 grammo di materia, otterremmo l’energia sufficiente per elevare di 20 °C la temperatura della massa di un milione di tonnellate d’acqua. Si può quindi intuire quali siano le potenzialità distruttive di una tale energia. L’uranio ed il plutonio, nella loro fissione, liberano una energia venti milioni di volte maggiore della stessa quantità di tritolo. Sto dicendo che 1 chilogrammo di materiale fissile, nell’ipotesi che sia tutto fissionato, è equivalente a 20.000 tonnellate di tritolo, il carico di 20 treni merci ciascuno dei quali di cinquanta vagoni con 20 tonnellate di tritolo per ogni vagone.

        Tanto per dare un riferimento, gli arsenali nucleari disponibili e noti nel mondo corrispondono a circa un vagone di tritolo per abitante della Terra, quantità sufficiente a far scomparire la vita superiore sulla Terra per almeno 20 volte successive. Infatti, gli ordigni nucleari delle grandi potenze sono circa 60.000. Le grandi potenze (USA e Russia) hanno i seguenti potenziali distruttivi:

  • USA: 9200 testate nucleari per un potenziale di circa 6.000 milioni di tonnellate equivalenti di tritolo (che si usano scrivere 6.000 Mton e si usano pronunciare megatoni);
  • Russia: 5000 testate nucleari per un potenziale di 6000 ÷ 9000 Mton.

A questo armamento, considerato strategico (si parla di testate e non di bombe in quanto è previsto essere sistemato su missili balistici intercontinentali ICBM), occorre aggiungere quello tattico, armi nucleari leggere anche se più potenti di svariate volte quella di Hiroshima, che porta il potenziale distruttivo delle due superpotenze a circa 20.000 Mton.

IL PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UNA BOMBA ATOMICA (BOMBA A)    

            Abbiamo visto nelle sezioni precedenti che l’arricchimento dell’Uranio per il funzionamento di un reattore nucleare doveva essere intorno al 2 ÷ 4 %. Abbiamo anche accennato al fatto che per ottenere effetti esplosivi della reazione a catena, occorreva un arricchimento molto maggiore (oltre il 7 %). E questo è un primo elemento da tenere presente. Vi è poi il problema della massa critica necessaria a permettere l’esplosione dell’esplosivo nucleare o carica nucleare. Al di sotto di una certa massa, anche se l’arricchimento è quello adeguato, non vi può essere esplosione. Ora, una bomba a fissione è costruita tenendo conto di questi elementi:

  • si ha una carica nucleare arricchita opportunamente;
  • si ha una struttura costituita da tante parti di carica nucleare, ciascuna delle quali non è massa critica ma che, una volta messe a contatto, hanno una massa superiore a quella critica.

La figura 1 mi aiuta a spiegare.

         Le quattro parti colorate in rosso sono esplosivo nucleare, ciascuna di esse non raggiunge la massa critica (hanno massa subcritica). Per il raggiungimento di tale massa deve essere azionato il dispositivo 1 di innesco dell’esplosione di un esplosivo convenzionale (2). Ciò permette ai 4 pezzi di esplosivo nucleare di congiungersi e di raggiungere la massa critica (in realtà è una massa supercritica) che permette l’esplosione atomica di una primitiva bomba a fissione. Il resto del disegno è accessorio al miglioramento delle prestazioni: i gusci gialli sono dei riflettori di neutroni che servono per avere il massimo numero di neutroni che provocano fissione ed aumentare quindi la potenza dell’esplosione; l’involucro nero è di metallo duro, tipo acciaio; l’involucro tratteggiato è quello che si vede dall’esterno, sembra una ordinaria bomba che viene sganciata da un aereo, forse un poco più grande ma non per il materiale esplosivo che contiene (vi sono anche dei dispositivi di sicurezza che impediscono che l’esplosione avvenga prima che essa venga comandata).

Figura 1  

Un ordine di grandezza delle dimensioni delle prime bombe costruite a Los Alamos e poi sganciate su Hiroshima e Nagasaki lo si può avere con la figura 2.

Figura 2

 A sinistra vi è il disegno di come si presentava la bomba usata su Hiroshima, la Chico realizzata con U 235 e del peso di 4 tonnellate, e a destra quella utilizzata su Nagasaki, la Gordo realizzata con Pu 239 e del peso di 4,5 tonnellate. Per un confronto, al centro vi è la dimensione di un uomo medio. Ricordo solo che delle masse delle due bombe solo una piccolissima frazione era di esplosivo nucleare.

Armi di questo tipo possono avere potenze che vanno da decine di migliaia fino a centinaia di migliaia di tonnellate equivalenti di tritolo. C’è da notare che la potenza dipende moltissimo dalla durata del processo di fissione. Infatti, la reazione a catena provoca l’esplosione ad un dato momento, quando ancora non tutta la massa di carica è stata interessata. Evidentemente se si potesse far durare di più la reazione contenendo la massa in un recipiente più resistente (il guscio nero di cui prima), la potenza crescerebbe sempre più. Di fatto nelle esplosioni che si sono susseguite si è usata solo l’1,5  ÷ 3 % della massa di carica nucleare disponibile (il resto di essa si disperde con l’esplosione).   

LA BOMBA ALL’IDROGENO (BOMBA H)     

            L’idea di tale bomba fu del più guerrafondaio di tutti gli scienziati presenti a Los Alamos, di un personaggio abietto, consigliere militare di Reagan e grande amico del nostro Zichichi, tal Edward Teller. L’idea era quella di utilizzare la fusione nucleare mediante fissione, per ottenere così un rendimento esplosivo di gran lunga maggiore delle piccole bombette atomiche. Qui, contrariamente a quanto avviene per l’uso pacifico, è possibile usare un innesco esplosivo a fissione per realizzare la fusione. Una esplosione di una bomba a fissione produce le temperature necessarie alla fusione, basta organizzare il tutto come mostrato in figura 3.

         Come si vede, al centro della figura vi è una ordinaria bomba atomica (quella a fissione), tale bomba serve solo da innesco per l’esplosione nucleare, per la fusione cioè dell’idrogeno (o deuterio, o trizio, o le miscele più opportune) contenuto in un recipiente che circonda la bomba atomica (carica termonucleare). Data la prima esplosione, segue contestualmente (un milionesimo di secondo dopo) la seconda che rappresenta circa l’80 ÷ 90 % dell’energia esplosiva totale.

Figura 3

 Noto solo che la carica termonucleare non ha problemi di massa critica ed è quindi pensare di costruire bombe di questo tipo grandi a piacere, compatibilmente con le difficoltà tecniche connesse. Esse hanno potenze equivalenti da alcune migliaia a decine di milioni di tonnellate di tritolo.

ANCORA PIU’ DIFFICILE (BOMBE A-H-A)       

            La figura 4 rappresenta schematicamente uno degli sviluppi dell’industria (fiorentissima) delle armi nucleari.

Figura 4       

Ormai credo si sia capito come funziona: alla struttura precedente che prevedeva esplosione da fissione, quindi esplosione da fusione, ora si aggiunge una ulteriore esplosione da fissione. E’ il successivo involucro disegnato di rosso-quadrettato. Tale involucro è di uranio 238 perché tale materiale è fissionabile dai neutroni veloci, prodotti in enorme quantità dall’esplosione termonucleare sottostante.

       Questa bomba è anche nota come superbomba. L’energia preponderante che si libera è quella dell’uranio 238 fissionato.

       A questo punto mi fermo perché si dovrebbe essere capito che la fantasia di chi costruisce queste cose può fare ciò che crede. Le bombe possono essere infatti pulite o sporche (a seconda di quanta radioattività comportano). Possono danneggiare persone e cose o solo persone (bomba al neutrone). Insomma, fate voi …

COMPLEMENTI    

            Solo un cenno ai complementi di questi ordigni. Essi possono essere sganciati con aerei ordinari, con bombardieri, …; possono essere sparati con cannoni; possono essere sistemati sulla testata di missili a varie gittate e sistemati su rampe fisse o mobili in terra, su autocarri, su navi, su aerei; possono essere lanciati su missili in dotazione a sommergibili. Ultimamente si sono anche miniaturizzate le cose in modo che un ordigno nucleare può entrare in una valigetta tipo 24 ore e del peso di circa 6 chilogrammi. Ce n’è per tutti i gusti al mercato del terrore.

BIBLIOGRAFIA

Mihajlo Velimirovic – Atlante atomico – Capitol, Bologna 1970.

Alwyn McKay – The making of atomic age – Oxford University Press. 1984.

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