Come si ricava energia dall’uranio?

Nel disegno è illustrata la fissione nucleare, cioè il processo fisico attraverso il quale si ottiene energia dividendo il nucleo dell’atomo di uranio in due nuclei di elementi più leggeri; il termine “fissione nucleare” significa proprio “scissione del nucleo”. Il nucleo uranio (U), bombardato con un neutrone, si spezza e dà origine a un nucleo di bario (Ba) e uno di kripto (Kr) e tre neutroni ( a ). Ogni neutrone bombarda un altro nucleo di uranio liberando altri due neutroni ( b ), ognuno dei quali, a sua volta, colpisce altri nuclei di uranio e così via ( c ). Si tratta di una reazione a catena che libera una enorme quantità di energia.

La fissione nucleare dell’uranio fu ottenuta per la prima volta da un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi nel 1934 ed è la stessa reazione che avviene nella bomba atomica, dove l’energia liberata diventa esplosiva e distruttiva. Nel 1942 Fermi riuscì a trovare il modo per “controllare” la fissione e liberare lentamente l’energia prodotta; il primo dispositivo da lui ideato fu chiamato pila atomica o reattore nucleare ed entrò in funzione a Chicago (Stati Uniti).

Come funziona un reattore nucleare?

Nel reattore nucleare di Fermi, un involucro di piombo contiene un cubo di grafite, sostanza capace di rallentare il movimento dei neutroni; nella grafite sono inserite delle sbarre di uranio alternate a sbarre di boro e di cadmio, dette sbarre di controllo, con la funzione di assorbire la quantità di neutroni in eccesso. Sollevando o abbassando le sbarre di controllo è possibile innescare o bloccare la reazione a catena.

I reattori delle moderne centrali nucleari funzionano con sistemi simili ai quali sono state apportate alcune modifiche.

Durante la reazione di fissione nucleare, la somma delle masse di un nucleo di uranio e di un neutrone, utilizzato per il bombardamento, è leggermente inferiore alla somma delle masse dei nuclei di bario e di kripto e dei tre neutroni ottenuti. Si ha perciò la “scomparsa” di una piccola quantità di materia. Il fenomeno è spiegato dalla legge di Einstein che mette in relazione la massa e l’energia nella famosa equazione:

E = mc²

Anche una piccola quantità di materia (m), moltiplicata per un numero grandissimo,come il valore della velocità della luce al quadrato (c2), si può trasformare in unaenorme quantità di energia (E).Secondo la legge di Einstein, quindi, a una certa quantità di materia che “scompare”,corrisponde l’emissione di una certa quantità di energia.

Durante la fissione nucleare si producono degli elementi, dette scorie radioattive, che per migliaia di anni emettono radiazioni dannosissime per l’uomo e per l’ambiente. Tali scorie vengono racchiuse in capsule di vetro o ceramica rivestite in acciaio, conservate nelle centrali o in depositi sicuri. Fino a pochi decenni fa venivano usate a questo scopo le miniere in disuso, mentre ora si scelgono luoghi disabitati e privi di acque circolanti che potrebbero venire in contatto con le scorie e favorire la risalita in superficie delle sostanze pericolose. Un altro problema legato all’energia da fissioni nucleare è il pericolo di fuoriuscita di radiazioni delle centrali in caso di “errore umano” o di incidente, come è successo nel 1986 a Chernobyl, in Ucraina, quando uno dei reattori esplose e causò una nube di materiale radioattivo che si diffuse, trasportata dai venti, per centinaia di chilometri e raggiunse anche l’Italia. Il disastro di Chernobyl causò la morte immediata di molte persone, moltissimi casi di tumori nella popolazione e la contaminazione radioattiva dell’ambiente. Nel 2011, un violento terremoto seguito da maremoto, danneggiò alcuni reattori della centrale di Fukushima, in Giappone ( 21 ); anche in questo caso la fuoriuscita di radiazioni contaminò fortemente l’ambiente e costrinse all’evacuazione della popolazione.