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Introduzione alla Fissione Nucleare - Giuseppe Quartieri -
Per affrontare con un certo rigore limitato ad una trattazione pseudo-divulgativa dell’argomento della sicurezza delle centrali nucleari per la generazione di energia elettrica si può considerare necessario ricordare, in modo estremamente semplice, alcuni concetti elementari di fisica nucleare.
Già il grande filosofo greco Democrito sosteneva che tutta la materia è fatta di atomi” che in greco significa appunto “particella indivisibile”.
Successivamente è stato dimostrato che l’ATOMO è costituito da un nucleo e da una nuvola di elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno.
Modello planetario dell’ATOMO
Il nucleo è tenuto assieme da forze nucleari molto intense ed è costituito da protoni, particelle elementari cariche positivamente (rappresentate in figura con palline rosse con il segno +) e neutroni senza carica elettrica, ossia neutri (rappresentate con palline grigie senza alcun segno).
Le forze che tengono assieme il nucleo vengono quindi definite “forze forti”.
Gli elettroni orbitali sono attratti dal nucleo positivo per il tramite di forze elettriche che sono molto più deboli delle forze nucleari interne al nucleo stesso (le forze forti).
Gli elettroni che ruotano nelle orbite attorno al nucleo sono rappresentate con palline gialle e sono carichi negativamente.
Fenomeni nucleari all’interno del nucleo
I protoni hanno carica elettrica positiva e vivono all’interno del nucleo.
In altre parole, quando due protoni (o due nuclei) si avvicinano essi vengono assoggettati a forze di repulsione.
Come può avvenire che cariche dello stesso segno possano sopravvivere l’una vicina all’altra in uno spazio tanto piccolo come quello occupato dal nucleo atomico?
Di fatto, sino a quando i due protoni non si avvicinano a distanza molto breve (dell’ordine del raggio adronico Ra = 10-13 m = 1F (un fermi) la forza che interagisce fra di loro è di tipo repulsivo.
Quando la distanza fra i due protoni (dotati di “spin” opposti ossia che ruotano di singoletto) raggiunge o diventa inferiore ad 1F, allora improvvisamente la forza repulsiva cambia di segno e diventa attrattiva.
Una spiegazione moderna di questo fenomeno viene fornita in base all’attrazione magnetica che avvine fra i due protoni che ruotano attorno al proprio asse si comportano come due aghi magnetici che ruotano in verso opposto (ossia costituiscono una coppia di singoletto) e quindi si attraggono generando essi una forza fra i due protoni di natura attrattiva.
Secondo la interpretazione classica di fisica nucleare, i due protoni (nuclei) movendosi ad alta velocità si scontrano fra di loro e dall’urto viene generata una forza attrattiva che li unisce ma contemporaneamente si genera energia che viene irradiata all’esterno del nucleo.
Le attuali centrali nucleari a fissione si basano sul fenomeno della fissione del nucleo atomico.
Questo fenomeno di fissione di un nucleo pesante viene innescato da una (o più) particella elementare leggera, ad esempio un neutrone, che va ad incidere con una energia superiore ad un valore minimo sul nucleo stesso dell’ATOMO.
A seguito dell’innesco della fissione dell’ATOMO pesante da parte del neutrone incidente si producono (veder figura successiva) due o più atomi più leggeri con produzione ed emissione di energia ed emissione di particelle neutre appunto i neutroni.
Ne consegue che ad ogni reazione nucleare vengono emessi neutroni che a loro volta innescano altre reazioni nucleare che, a loro volta, dividendosi producono altri neutroni che accrescono il loro numero.
In altre parole la FISSIONE NUCLEARE è reazione a catena: ogni reazione di fissione da luogo, in media, a circa 2,5 neutroni che ognuno dei quali, a sua volta, può innescare una nuova reazione di fissione.
Avvicinamento del neutrone al nucleo pesante (fase 1)
Si dice che si produce, così, una reazione a catena.
Ogni reazione a catena una volta innescata e partita deve essere mantenuta sotto controllo.
Infatti, se non viene mantenuta sotto controllo, la reazione a catena diverge, ossia la energia prodotta, in brevissimo tempo, diventa esponenzialmente tanto grande da produrre la cosiddetta “bomba atomica o meglio bomba nucleare a fissione”.
Perché ciò avvenga è però necessario che la materia implicata ossia il combustibile U235 abbia una massa di valore superiore al valore della cosiddetta “massa critica”, come ha dimostrato già oltre 50 anni fa, il grande Enrico Fermi.
Appena dopo l’urto del neutrone sul nucleo pesante (fase 2) che si spezza in due, generando altri neutroni (in media 2,5) e emettendo energia (palla gialla).
Se quindi la massa di combustibile radioattivo è inferiore alla “massa critica”, è completamente impossibile che la centrale nucleare per la produzione di energia elettrica possa diventare una “bomba nucleare”.
In ogni caso, per fugare oltre ogni limite di pensiero, la massa di combustibile di centrali nucleari è sempre estremamente minore del più piccolo valore di “massa critica” che potrebbe, solo in linea di principio, innescare una scoppio nucleare.
Escluso quindi con estrema certezza questa possibilità, la progettazione della sicurezza (attiva e passiva) delle centrali nucleari è diventata una delle metodologie e tecniche più consolidate possibili nel campo della affidabilità, mantenibilità, disponibilità e sicurezza dei sistemi.
Solo un campo dello scibile ha ricevuto forse la stessa attenzione alla progettazione di sistemi sicuri: il campo aeronautico ed aerospaziale.
Gli altri campi di impiantistica (chimico, petrolchimico, elettromeccanico, termoelettrico ecc.) per la stessa generazione di energia non hanno mai ricevuto la stessa attenzione progettuale per la garanzia della sicurezza operativa in nelle peggiori condizioni ambientali e rispetto anche ad eventuali sabotaggi, intrusioni ed in genere attentati e (security).
In altri termini ed in assoluto, si può asserire con certezza che la centrali nucleari sono progettate e realizzare per raggiungere e mantenere operativamente la massima sicurezza di funzionamento.
Allontanamento degli spezzoni di nucleo (fase 3) con allontanamento dei neutroni prodotti
Differenza con le centrali a fusione
Si nota qui una grande differenza con eventuali centrali a fusione (processo di fusione di due nuclei con produzione di un terzo nucleo o più nuclei ed emissione di energia) rispetto ad una centrale a fissione.
Di fatto, in una eventuale centrale a fusione il combustibile deve essere fornito al reattore a fusione in modo continuo perché si continui a verificare il fenomeno di fusione.
Se l’apporto di combustibile venisse arrestato, la FUSIONE NUCLEARE si arresterebbe da sola automaticamente.
Pertanto, il reattore a fusione, una volta dimostrata la fattibilità concreta e reale, interrompe il suo funzionamento in modo automatico garantendo la sicurezza. Si dice che la FUSIONE NUCLEARE è intrinsecamente sicura.
