martedì 3 maggio 2016

Come funziona una Centrale Nucleare?

Pochi giorni fa abbiamo ricordato il disastro di Chernobyl in occasione dei trent'anni trascorsi dall'incidente, e solo cinque anni fa la catastrofe di Fukushima ci ha rammentato i rischi dell'Energia Nucleare. Ma come funziona di norma una Centrale Nucleare? Come si può estrarre così tanta energia da una barra di Uranio? Cosa può andare storto durante il processo di Fissione e quali sono le conseguenze? Diamoci risposta ripercorrendo la storia della prima di queste Centrali così pericolose e al contempo straordinarie.




La Fissione Nucleare

 Ho già dedicato alla Fissione un intero articolo, ma riassumerò brevemente il processo per i lettori che se lo sono perso. Si tratta infatti del fenomeno che sta alla base del funzionamento delle Centrali Nucleari *(che non a caso vengono chiamate anche "Centrali a Fissione") .

 Innanzitutto è bene avere presente com'è fatto un nucleo atomico (ma anche qui è presente un articolo interamente dedicato all'argomento). Per il momento non ci interessa una descrizione dettagliata; possiamo quindi immaginarci un nucleo un po' alla buona come un insieme di particelle (chiamate nucleoni) che formano un agglomerato. Una sorta di piccola melagrana! Alcuni nuclei sono molto semplici, come quello dell'Atomo di Idrogeno, che è formato da un solo nucleone. Altri invece sono molto più complessi.

 I nucleoni si dividono in protoni, elettricamente carichi positivamente, e neutroni, privi di carica elettrica. A parte quest'ultima caratteristica, protoni e neutroni sono essenzialmente identici.

Enrico Fermi
 È possibile bombardare dei nuclei con altri protoni, neutroni, o persino altri nuclei! Il bombardamento con neutroni fu sfruttato in particolar modo da Enrico Fermi nei primi anni '30, che sondò profondamente le potenzialità di questa pratica. Intendiamoci: normalmente non accade nulla di eccezionale sparando un neutrone contro un nucleo: si ottiene semplicemente un nucleo identico a quello usato come bersaglio, ma con un neutrone in più!

 Tuttavia, alcuni nuclei particolarmente pesanti (ovvero ricchi di nucleoni) si comportano in maniera bizzarra. Quando questi vengono colpiti da un neutrone si spezzano in due nuclei più piccoli e liberano altri due o tre neutroni, oltre a sprigionare moltissima energia. Questo processo è chiamato Fissione Nucleare. È rilevante il fatto che vi siano alcuni neutroni tra i prodotti della Fissione, perché questi ultimi andranno a impattare su altri nuclei fissili **(cioè che possono dar vita al processo di Fissione) generando una vera e propria reazione a catena che libera una gran quantità d'energia; basti pensare la Fissione di poco più di 60 kilogrammi di Uranio è stata sufficiente a radere al suolo Hiroshima.

 Al di là delle applicazioni belliche, la possibilità di estrarre energia dai materiali fissili ha permesso la realizzazione delle Centrali Nucleari, di cui ci occupiamo ora. Per avere un'idea quantitativa dell'efficienza del processo è sufficiente pensare che la Fissione di un kilogrammo di Uranio permette di estrarre la stessa energia che si otterrebbe bruciando 3000 tonnellate di Carbone o più di 3 milioni di litri di Petrolio.

Il Progetto Manhattan e le prime difficoltà

 Erano i primi anni '40 quando il presidente Roosvelt autorizzò il Progetto Manhattan: un costosissimo programma di ricerca finalizzato alla costruzione della prima bomba atomica. Tale obiettivo poteva essere suddiviso in due fasi: in un primo momento si sarebbero dovuti effettuare diversi test sull'Uranio, al fine di verificare la fattibilità del progetto. Questo proposito poteva considerarsi raggiunto con la costruzione del primo Reattore Nucleare, ovvero con la realizzazione della prima Fissione autosostenuta tramite la reazione a catena che abbiamo appena descritto. A questo punto sarebbe potuta cominciare la costruzione della bomba atomica, ma non ci occuperemo di ciò in questo post.
Robert Oppenheimer

 Il primo problema con cui ebbe a che fare l'equipe di scienziati guidata da Robert Oppenheimer riguardò la produzione di materiale fissile. Al tempo, l'unico elemento che era stato possibile fissionare con un neutrone era l'Uranio. Il fatto è che fino a pochi anni prima quasi non esistevano applicazioni di questo elemento, per cui nessuno si era mai preoccupato di estrarlo dalla crosta terrestre (nella quale è comunque 400 volte più abbondante dell'oro). I primi successi in questo campo si ebbero nel 1942, quando dei ricercatori dello Iowa State College trovarono il modo di isolare l'Uranio dalle altre sostanze presenti nel suolo, ma fino ad allora fu possibile lavorare solo con piccole quantità di questo materiale.

 A questo punto emerse un problema ben più arduo da risolvere. In natura esistono essenzialmente due varietà di Uranio: l'Uranio 238 e l'Uranio 235. I numeri 238 e 235 si riferiscono alla somma tra il numero di protoni e quello di neutroni del nucleo in questione. Per farla breve:
  • L'Uranio 238, che comprende più del 99% dell'Uranio naturale, è composto da 92 protoni e 146 neutroni.
  • L'Uranio 235 è formato da 92 protoni e 143 neutroni.

 Entrambe le varietà - chiamate isotopi - sono fissili, ma non esattamente identiche. Più precisamente, il numero di neutroni è pari in un caso e dispari nell'altro. Oggi è risaputo che i nuclei atomici con un numero pari di neutroni (e protoni) sono più stabili dei loro isotopi con una quantità dispari, ma al tempo ciò non era del tutto chiaro. Fu proprio Niels Bohr, che abbiamo già incontrato nell'ultimo post, a intuire che l'Uranio 235 avrebbe rappresentato una scelta migliore per la costruzione del primo reattore. Questo isotopo è composto  infatti da un numero dispari di neutroni, pertanto è più instabile e più semplice da fissionare. La congettura si rivelò esatta quando, nel 1940, fu mostrato che i neutroni liberi dell'aria erano sufficienti a innescare la fissione dell'Uranio 235, mentre solo dei neutroni sufficientemente veloci riescono a spezzare un nucleo di Uranio 238.

 Il problema è che i due isotopi si trovano mescolati in natura, e nessuno aveva idea di come separarli. Era necessario isolare solamente gli atomi di Uranio 235 per realizzare una Fissione autosostenuta. Non solo non è possibile realizzare il processo con dell'Uranio 238, dato che i neutroni liberati da una Fissione non hanno l'energia necessaria a innescarne un'altra, ma non è nemmeno possibile utilizzare un miscuglio di entrambi gli isotopi, dato che l'abbondantissimo Uranio 238 assorbirebbe rapidamente tutti i neutroni liberi smorzando il processo ben prima che prenda piede ***(il problema è analogo a quello che incontreremmo se cercassimo di bruciare delle foglie bagnate. Si tratta di "separare" le foglie dall'acqua) . Insomma, occorreva una tecnica che permettesse di ottenere dell'Uranio 235 puro.

L'Uranio Arricchito

 Come abbiamo appena visto, per far funzionare una Centrale Nucleare non basta dell'Uranio qualsiasi, ma occorre separare l'Uranio 235 dall'isotopo 238. Una volta effettuata la divisione si ottiene quello che viene chiamato Uranio Arricchito. Ma come fecero i fisici del progetto Manhattan a scorporare lo 0,7% di Uranio 235 presente in un campione?

 Dopo una serie di tentativi fallimentari, venne individuato il metodo della diffusione gassosa. Quest'ultimo, come ogni altro metodo di separazione degli isotopi, si basa sull'unica differenza esistente tra gli atomi di Uranio 235 e di Uranio 238. Questi ultimi, essendo costituiti da 3 neutroni in più, hanno naturalmente una massa maggiore (di poco più dell'1%). Se si riuscisse quindi a rendere gassoso l'Uranio ci si aspetterebbe che gli atomi dell'isotopo 235 si diffondano più rapidamente degli altri. In altre parole, basterebbe "raccogliere" solo quegli atomi di gas di Uranio che si allontanano per primi dalla fonte.
Cristalli di Esafluoruro di Uranio
 Il problema è che l'Uranio evapora a più di 4000 gradi, e nel pieno della Seconda Guerra Mondiale non c'erano né il tempo né i soldi necessari a sviluppare una tecnologia che separasse gli isotopi in questo modo. Si decise quindi di combinare l'Uranio col Fluoro, in modo da produrre l'Esafluoruro di Uranio. Si tratta di un composto liquido, ovviamente molto più volatile dell'Uranio puro. Per lo stesso motivo di prima, le molecole di Esafluoruro di Uranio contenenti l'isotopo 235 sono leggermente più leggere delle altre. Si poteva quindi pensare di selezionare solo quelle che si allontanavano più rapidamente dalla fonte di Esafluoruro gassoso.

 I costi della tecnologia necessaria alla produzione di Uranio Arricchito erano esorbitanti, ma quando Hitler avviò una nuova offensiva la minaccia si fece abbastanza pressante da giustificare la realizzazione degli impianti di produzione di Uranio 235. Costavano circa un miliardo di dollari ciascuno, e consumavano tanta elettricità quanto l'intera New York

 Oggi esistono circa una decina di tecniche per separare gli isotopi, delle quali vorrei menzionare almeno la Centrifuga Zippe, inventata dall'ingegnere tedesco Gernot Zippe nel 1956. Non occorre illustrarne il funzionamento, non poi così diverso da quello della diffusione gassosa, ma si trattò di un congegno rivoluzionario. In poche parole, la Centrifuga Zippe permise di separare gli isotopi dell'Uranio a costi irrisori se paragonati ai sacrifici imposti dagli impianti del Progetto Manhattan. Ciò ci permette di capire com'è possibile che oggi un paese povero come la Corea del Nord possa permettersi economicamente di realizzare armi nucleari con cui sostenere la propria retorica belligerante.

La Massa Critica e i Moderatori

 Tuttavia i problemi non erano ancora finiti. Far funzionare la prima Centrale Nucleare non era certo una passeggiata!

 Il fatto è che, anche innescando la Fissione di una gran quantità di Uranio 235 non è detto che il processo a cui si da vita si autosostenga. Se infatti le dimensioni del blocco da fissionare sono troppo piccole, una frazione eccessiva dei neutroni prodotti fuoriesce dalla sua superficie senza impattare su altri nuclei. In altre parole, il processo è autosostenibile solo se avviene all'interno di una massa di Uranio abbastanza grande. Questa quantità viene chiamata Massa Critica. Ma anche dopo aver individuato la Massa Critica c'era un'altra questione da considerare...

 Come forse ricorderà chi ha letto l'articolo sulla Fissione Nucleare, l'Uranio 235 interagisce più facilmente con i neutroni lenti. Si poteva quindi pensare di rallentare i neutroni prodotti dalle Fissioni dei nuclei per aumentare l'efficienza del processo. L'idea era di introdurre una sostanza, che chiamiamo Moderatore, in grado di rallentare i neutroni liberi.
Schema di un atomo di Deuterio

 Una prima scelta ricadde sull'acqua, ma fu presto scartata: i nuclei di Idrogeno al suo interno assorbivano troppi neutroni, ostacolando il processo piuttosto che favorirlo. Si optò allora per l'Acqua Pesante, ovvero normalissima acqua i cui atomi di Idrogeno contengono già un neutrone. Questa varietà di Idrogeno è chiamata Deuterio, e assorbe molti meno neutroni dell'isotopo più comune. La separazione dell'Acqua Pesante dall'Acqua ordinaria avviene esattamente come quella descritta in precedenza per l'Uranio, con la differenza che non occorre combinarla col fluoro e non ha un costo proibitivo.

 Ma anche l'Acqua Pesante aveva un problema (piuttosto banale in effetti): evaporava a temperatura molto bassa. Di conseguenza questo Moderatore avrebbe corroso l'Uranio non appena la Fissione avesse innalzato la temperatura. La scelta cadde quindi sul Berillio, e sulle prime tutto sembrava andare per il meglio. Tuttavia, un giorno, uno degli operai del Progetto Manhattan si sentì male, e i medici imputarono il disturbo a una patologia fino ad allora sconosciuta: la Berilliosi. Indovinate da cosa era causata!

 Insomma, la lista dei possibili Moderatori cominciava ad assottigliarsi. Si decise di provare col carbonio puro, sotto forma di grafite. Non evapora a basse temperature, non assorbe troppi neutroni, veniamo a contatto con esso ogni volta che usiamo una matita,... Non c'era motivo di credere che stavolta non funzionasse! E in effetti tutto andò bene.

 Restava un'ultimo problema: il primo obiettivo del Progetto Manhattan era la costruzione di una Centrale Nucleare funzionante per scopi sperimentali. Fino a questo momento ci siamo riferiti alla Fissione come a una "semplice" reazione a catena, ma non dimentichiamoci che questa avviene in un tempo brevissimo. Ciò è auspicabile se il nostro obiettivo è costruire una bomba atomica, ma è di certo controproducente ai fini sperimentali. Bisognava in qualche maniera controllare la Fissione, in modo che avvenisse lentamente.
Cadmio

 Si decise perciò di lavorare con masse di Uranio di pochissimo superiori alla Massa Critica, in modo da avere a che fare con processi relativamente lenti. In questo caso è possibile inserire delle barre di un materiale che assorbe molti neutroni, come il Cadmio, e controllare la reazione. Tutto ciò consentì di effettuare ricerche molto più approfondite sul processo, finché non si giunse alla conclusione che era possibile realizzare la Fissione autosostenuta anche se il campione era composto in gran parte da Uranio 238 (anche se non al livello dell'Uranio naturale). A questo punto è bene fare delle distinzioni e considerare 3 diversi tipi di Uranio:
  • Uranio Naturale, del tutto inutile ai fini del Progetto Manhattan in quanto non è possibile che vi abbia luogo una Fissione autosostenuta.
  • Uranio Arricchito, contenente circa il 3-5% di Uranio 235, con cui è possibile realizzare una Fissione Autosostenuta. Questa è la varietà che permette il funzionamento delle Centrali Nucleari.
  • Uranio Fortemente Arricchito, contente fino al 90% di Uranio 235, utilizzato nelle bombe atomiche.

La prima Centrale Nucleare funzionante

 Finalmente sembrava che tutti i problemi fossero stati risolti! I fisici ottennero i fondi per costruire il primo Reattore Nucleare funzionante chiamato col nome in codice "Pila di Chicago". Vennero assemblati 57 strati di Uranio e grafite alternati, per un totale di quarantasei tonnellate di Uranio puro! Il cilindro era attraversato da numerosi fori, in cui erano state inserite le barre di cadmio per controllare la reazione.

 La pila di Chicago era costruita sotto lo stadio da football. Era lunga quasi 10 metri, larga 9 e altra 6 metri e mezzo. Il 2 Dicembre del 1942 vennero estratte progressivamente le barre di Cadmio, e poche ore dopo ebbe inizio la prima Fissione autosostenuta della storia.
Un disegno della Pila di Chicago

 Degli importanti passi avanti furono condotti negli anni seguenti. In particolare fu identificato un nuovo elemento in grado di fissionare: il Plutonio 239. Furono progettati nuovi reattori, con numerosi vantaggi rispetto alla Pila di Chicago. Ad esempio, i Reattori a Plutonio potevano essere raffreddati con l'acqua - e quindi fuzionare più a lungo - a differenza del Reattore di Chicago, che poteva essere raffreddato solo ad aria e doveva essere spento di frequente. Ma occorrerebbe un intero post solo per illustrare il funzionamento delle Centrali Nucleari a Plutonio.

Conclusioni

 In questo lungo articolo abbiamo cercato di capire come funziona una Centrale Nucleare. Dopo aver riassunto il fenomeno della Fissione Nucleare, e in particolare della reazione a catena che consente di innescare un processo autosostenuto, ci siamo occupati del Progetto Manhattan. Abbiamo analizzato tutti i problemi che i fisici incontrarono nella realizzazione della prima Centrale a Fissione funzionante e le soluzioni che furono adottate. Infine abbiamo descritto finalmente il Reattore di Chicago, le cui conseguenze avrebbero plasmato il mondo in cui viviamo oggi.
Grazie per aver letto fin qui,


Giulio


bagatin.altervista.org

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