OBIETTIVI DI QUESTA LEZIONE
Conoscere l'evoluzione nel tempo della produzione e dell'utilizzo di energia
Conoscere e classificare le fonti energetiche
Valutare le scelte e decisioni relative a problematiche (ambientali, sociali, economiche...) legate alla produzione di energia
Conoscere e classificare le fonti energetiche
Valutare le scelte e decisioni relative a problematiche (ambientali, sociali, economiche...) legate alla produzione di energia
COSA TI SERVE PER COMINCIARE?
Riconoscere i sistemi tecnologici e le relazioni che stabiliscono con l'ambiente
Riconoscere i principali processi di trasformazione delle risorse e delle materie prime e di produzione di beni
Riuscire a ipotizzare le conseguenze di scelte di tipo tecnologico
Riconoscere i sistemi tecnologici e le relazioni che stabiliscono con l'ambiente
Riconoscere i principali processi di trasformazione delle risorse e delle materie prime e di produzione di beni
Riuscire a ipotizzare le conseguenze di scelte di tipo tecnologico
INDICE
1.QUALE ENERGIA
2.COSA E' L'ATOMO?
3.COSA SONO LE REAZIONI NUCLEARI
4.COME FUNZIONA UNA CENTRALE TERMONUCLEARE
5.NUCLEARE E AMBIENTE
1.QUALE ENERGIA
Con il termine energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia a seguito della trasformazioni nei nuclei atomici. Tali trasformazioni sono dette REAZIONI NUCLEARI
L'energia nucleare è quindi una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura della materia; insieme alle fonti rinnovabili e le fonti fossili, è una fonte di energia primaria, ovvero è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia, ed è considerata una energia alternativa ai tradizionali combustibili fossili. Benché alcuni considerino tale fonte energetica anche come rinnovabile, recentemente la Commissione europea si è espressa affermando che il nucleare non è da considerarsi come rinnovabile.
Benché inoltre rappresenti in gran parte una forma di energia pulita dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica (CO2) in atmosfera, presenta altri problemi ambientali e di pubblica sicurezza per quanto riguarda lo smaltimento delle scorie radioattive.
2.COSA E' L'ATOMO?
L'atomo è la struttura nella quale è normalmente organizzata la materia nel mondo fisico o in natura. |
| l'atomo mappa concettuale |
Più
atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da
tre tipi diparticele subatomiche:
Protoni
= particelle con carica elettrica positiva concentrate nel nucleo,
Neutroni
= particelle con carica elettrica neutra, anche esse nel nucleo,
Elettroni
= che ruotano attorno al nucleo, attratti dai protoni.
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| schema della struttura di un atomo |
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| immagine fotografica di un atomo di Idrogeno |
3.COSA SONO LE REAZIONI NUCLEARI?
Le reazioni dalle quali può possiamo produrre energia nucleare sono di due tipi: reazioni di fissione e reazioni di fusione.
LA FISSIONE
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| schema di reazione a catena |
Il processi di fissione, ideato dal fisico italiano Enrico a Fermi nel 1934, consiste nello sparare un neutrone contro un atomo spaccandolo e ottenendo due nuovi atomi e la produzione di grandi quantità di energia.
Per ottenere la fissione si usano atomi di Uranio 235, un isotopo dell'Urano (cioè un atomo che ha gli stessi protoni dell'atomo di Uranio, ma un diversi numero di neutroni) e l'unica sostanza fissile (cioè capace di sviluppare una reazione di fissione se bombardato con neutroni) presente in natura. Quando il nucleo di Uranio 235 viene colpito da un neutrone si spacca in due nuovi atomi e lascia liberi altri due neutroni. Se questi ultimi incontrano altri atomi di Uranio 235 li spaccano liberando altri neutroni provocando così quella che viene definita reazione a catena e che ha una durata potenzialmente infinita
Per ottenere la fissione si usano atomi di Uranio 235, un isotopo dell'Urano (cioè un atomo che ha gli stessi protoni dell'atomo di Uranio, ma un diversi numero di neutroni) e l'unica sostanza fissile (cioè capace di sviluppare una reazione di fissione se bombardato con neutroni) presente in natura. Quando il nucleo di Uranio 235 viene colpito da un neutrone si spacca in due nuovi atomi e lascia liberi altri due neutroni. Se questi ultimi incontrano altri atomi di Uranio 235 li spaccano liberando altri neutroni provocando così quella che viene definita reazione a catena e che ha una durata potenzialmente infinita
Se potessimo controllare il peso degli atomi e dei neutroni liberi prodotti dalla fissione noteremmo che essi hanno una massa totale leggermente inferiore a quella
dell'atomo di Uranio 235 di partenza. Poiché in base al principio della conservazione dell’energia. in natura "nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma" la massa scomparsa si è trasformata in qualcos'altro e questo qualcos'altro è proprio l'energia liberata dalla fissione.
La massa "scomparsa" si trasforma in energia, secondo
l'equazione di Einstein E=mc2; vale a dire che l’energia ( E) liberata è data
dal prodotto di una massa (m) moltiplicato il quadrato della velocità della
luce (c2 )
Essendo la
velocità della luce pari a 300.000 m/s, il suo quadrato sarà pari a 300.000 x
300.000 cioè 90.000.000.000
m2/s2 (NOVANTA MILIARDI !!); basta quindi moltiplicare un valore infinitesimo
di materia per questo valore per ottenere una ENORME quantità di energia. Per
esempio per ottenere 1000 Megawatts di energia elettrica sono sufficienti 150
tonnellate di Uranio contro 2.100.0000 tonnellate di carbone o 10.000.000 di
barili di petrolio (pari a 1.500.000.000 litri).
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| equivalenza tra uranio e fonti energetiche fossili |
LA FUSIONE
La fusione, che è il meccanismo con il quale si alimentano il Sole e tutte le altre stelle, consiste nel far fondere due atomi di isotopi dell’idrogeno,
in modo da ottenere un nucleo di elio, che ha una massa leggermente minore degli atomi di partenza, e liberando così energia. Come nella fissione, anche in questo caso l'avvio del processo fa partire un reazione a catena potenzialmente infinita.
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| schema di fusione nucleare |
La fusione ha numerosi vantaggi rispetto alla fissione: produce maggiori quantità di energia rispetto alla fissione, l'idrogeno, dal quale ricavare gli isotopi reagenti, è un elemento estremamente disponibile sul nostro pianeta e i residui della reazione (le scorie) non sono radioattivi.
Il principale ostacolo consiste nel fatto che per far avvenire le reazioni di fusione sono necessarie una fortissima pressione e una temperatura pari a 100 milioni di gradi centigradi. Ad oggi, le tecnologie a nostra disposizione, non ci permettono di riprodurre queste condizioni, se non in modo sperimentale e, quindi, di produrre energia in una maniera che sia economicamente conveniente.
Osserva questo breve video sulla fusione nucleare
Il principale ostacolo consiste nel fatto che per far avvenire le reazioni di fusione sono necessarie una fortissima pressione e una temperatura pari a 100 milioni di gradi centigradi. Ad oggi, le tecnologie a nostra disposizione, non ci permettono di riprodurre queste condizioni, se non in modo sperimentale e, quindi, di produrre energia in una maniera che sia economicamente conveniente.
4.COME
FUNZIONA UNA CENTRALE TERMONUCLEARE
Il funzionamento di una centrale nucleare per la produzione di energia elettrica è simile a quello di una centrale termoelettrica, con la
differenza che l'acqua viene portata ad ebollizione in un contenitore a
pressione (reattore) all'interno del quale avviene la fissione.
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| schema di una centrale nucleare |
Il
reattore è un cilindro in acciaio speciale racchiuso in una struttura in
cemento armato dello spessore di almeno 150 centimetri in grado di non lasciare
fuoriuscire le sostanze radioattive che si sprigionano durante il processo di
fissione. All'interno del reattore si trova, immerso in acqua, il nòcciolo
o core (solitamente di forma cilindrica): qui avviene la fissione nucleare
controllata; il combustibile è formato da barre metalliche lunghe tre metri contenenti pasticche di uranio che vengono bombardate con elettroni per avviare la reazione di fissione.
La reazione, che potrebbe continuare all'infinito liberando enormi quantità di energia, non viene lasciata a sé stessa, ma viene regolata tramite le cosiddette barre di controllo formate da leghe di
elementi diversi in grado di assorbire i neutroni. Immergendo le barre di controllo nella vasca del nocciolo è possibile rallentare la reazione e quindi l'energia generata. In caso di guasti o anomalie le barre vengono introdotte
completamente nel nocciolo fermando la reazione.
L’energia
termica generata dalla fissione nucleare scalda l’acqua del circuito primario
che attraversa il nocciolo. A sua volta l’acqua del circuito primario passa attraverso
un circuito secondario nel quale l’acqua passa allo stato di vapore ad
altissima temperatura e mette in azione la turbina. Quest’ultima è collegata
tramite un rotore all’alternatore con il quale si produce elettricità.
Il
vapore che ha messo in funzione la turbina viene raffreddato da un condensatore
che lo riduce nuovamente in acqua e lo invia nuovamente al circuito secondario
video illustrativo sul funzionamento di una centrale termonucleare (dal minuto 2:02)
5.NUCLEARE E AMBIENTE
L’energia elettrica prodotta da una centrale nucleare non genera emissioni di inquinanti, come polveri o anidride carbonica,responsabili dell’effetto serra e al paragone di una centrale termoelettrica l'energia nucleare appare come una fonte energetica a basso impatto ambientale In realtà, su molti altri aspetti, il rapporto del nucleare con l’ambiente non trova ancora valide risposte.
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| mappa dei reattori nucleari attivi in Europa |
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| mappa degli incidenti e della produzione di scorie nucleari in Europa |
Una centrale nucleare è un sistema molto complesso di macchinari e i componenti usati devono soddisfare particolari requisiti. La sicurezza di questi impianti non interessa solo gli operai, ma anche tutta la popolazione che vive nell’ambiente circostante.
Per
classificare i vari guasti e incidenti è stata progettata la SCALA INES che si
basa su alcuni punti di riferimento:
- Il controllo della potenza termica ovvero il mantenimento della reazione nucleare di fissione;
- i problemi legati ai sistemi di raffreddamento dei reattori;
- La fusione delle barre di combustibile nucleare;
- Le esplosioni del reattore stesso;
- Il rilascio controllato di gas ed elementi radioattivi.
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| simulazione grafica della scala INES |
L’incidente
di Chernobyl
Il 26
Aprile 1986 a Chernobyl c’è stato il più devastante incidente in un reattore
nucleare.
La
direzione della centrale aveva deciso di effettuare una verifica dei sistemi di
sicurezza della centrale, ma, durante l’operazione, all’interno del reattore
scelto avvenne un improvviso surriscaldamento che, a causa del ritardo nell’attivazione
delle barre di controllo, provocò una serie di devastanti esplosioni sventrando
l’edificio del reattore e lasciando che i fumi radioattivi si disperdessero
nell’atmosfera.
Le
conseguenze dell’incidente e della cosiddetta nube di Chernobyl sugli operai
al laovro quella notte, sui soccorritori e sugli abitanti delle città vicine furono
devastanti. Anche nel resto d’Europa le conseguenze sulla salute delle persone
furono significative: si stima che in Italia il numero dei morti per malattie
derivate dalla contaminazione radioattiva sia stato circa 3000 persone.
L'incidente di Fukushima
L’11 marzo 2011 un terremoto, con epicentro in mare aperto, generò uno tsunami con onde anomale alte fino a 14 metri che si riversarono sulla costa orientale del Giappone. L’acqua del maremoto danneggia i sistemi elettrici di raffreddamento della centrale di Fukushima quattro distimnte esplosioni. Il governo giapponese ordinò l’evacuazione di un’area del raggio di 20 km intorno alla centrale. L’incidente nella centrale di Fukushima risollevò nell’opinione pubblica mondiale il problema della sicurezza degli impianti atomici in particolar modo perché, come avvenne anche per Chernobyl, il governo, inizialmente, minimizzò l’entità dei danni e i relativi rischi.
Le stime
più ottimistiche dicono che occorreranno circa cinquant’anni prima che le
emissioni provenienti dalla centrale possano ritenersi sotto controllo.
Le scorie
I rifiuti prodotti dalla fissione nucleare, ovvero le scorie di uranio esausto (cioè non più in grado di generare reazioni di fissione) derivante dalla fissione nucleare, risultano estremamente tossici a causa dell’elevata radioattività acquisita che comporta tempi lunghissimi, nell'ordine di centinaia di migliaia di anni, per il decadimento naturale (cioè per il passaggio ad una forma atomica più stabile e non radioattiva) e nessun paese al mondo è giunto a una soluzione definitiva per il loro stoccaggio. Le comunità locali sono inoltre restie ad accettare un deposito di scorie o una centrale nucleare vicino casa.
A tutto ciò vanno poi ad aggiungersi i costi militari per garantire la sicurezza dei siti di stoccaggio dagli attentati terroristici e i costi per smantellare la centrale nucleare al termine della sua attività. Tutte queste spese non sono sostenibili da un'industria privata. Lo Stato deve necessariamente intervenire a copertura delle spese, aumentando tasse e imposte ai contribuenti. In breve, il basso costo dell'energia in bolletta potrebbe essere più che compensato dall'aumento in termini di tasse.