Ecco un minuscolo nucleo atomico. Come possono i nuclei atomici fornire energia elettrica sufficiente a intere città delle dimensioni di Toronto o Montreal? Nel 1939, gli scienziati scoprirono che un nucleo delle dimensioni di quello dell'uranio 235 diveniva instabile se bombardato da un neutrone. L'urto del neutrone causava la scissione in due nuclei all'incirca delle stesse dimensioni e l'emissione di due o tre neutroni.
Il processo fu denominato fissione nucleare. Se mettiamo su un piatto della bilancia i reagenti e sull'altro i prodotti, scopriamo che i prodotti sono sempre più leggeri. È evidente che nel corso della reazione nucleare è scomparsa una parte della massa.
Cosa accade quando si perde massa? L'equazione massa-energia di Einstein prevede la produzione di una grande quantità di energia. La massa si converte nell'energia cinetica dei prodotti della fissione.
La fissione di un nucleo di uranio rilascia altri neutroni. I neutroni a loro volta possono entrare in collisione con altri nuclei di uranio. Può quindi innescarsi una reazione a catena.
A questo punto serve qualcosa che consenta di sfruttare le reazioni a catena, qualcosa che utilizzi i materiali fissili come carburante, consentendo quindi di imbrigliare l'energia rilasciata durante la fissione per fini pratici e quotidiani. Oggi questo qualcosa esiste. Esistono diversi tipi di reattori nucleari in grado di sfruttare la fissione nucleare in tutti i casi.
La maggior parte dei reattori utilizza come combustibile l'uranio 235 che ha 92 protoni e 143 neutroni. Meno dell'1% dell'uranio esistente in natura è uranio 235. Oltre il 99% è uranio 238. Cosa accade quando un solo nucleo di uranio 235 subisce la fissione nucleare fra tanti nuclei di uranio 238? Una reazione a catena è improbabile perché molti dei neutroni rilasciati vengono assorbiti dai nuclei di uranio 238 a formare uranio 239. Un isotopo di uranio è estremamente radioattivo.
Altri neutroni semplicemente schizzano via dal campione perché sono troppo veloci per provocare la scissione di un altro nucleo. Solo i neutroni che viaggiano lentamente hanno buone probabilità di innescare la fissione nei nuclei di uranio 235. I neutroni che viaggiano a velocità elevate non possono essere rallentati dalle collisioni con altri nuclei di uranio, ma se è presente una massa relativamente piccola, come quella di una molecola d'acqua, bene, questa molecola è in grado di assorbire una grande quantità di energia dal neutrone. Il processo riduce la velocità del neutrone.
Un certo numero di collisioni di questo tipo rallenta il neutrone fino a rendere probabile il verificarsi della fissione. Il materiale utilizzato per rallentare i neutroni prende il nome di moderatore. L'acqua semplice è un buon moderatore, ma a volte assorbe neutroni, sottraendoli alla reazione.
L'acqua pesante è un moderatore molto efficace. Contiene un isotopo di idrogeno chiamato deuterio, che ha un protone e un neutrone. I neutroni vengono rallentati, ma solo di rado assorbiti.
Tuttavia con i neutroni lenti una reazione nucleare può diventare troppo potente. Se i neutroni lenti sono troppi, diventano troppo numerose anche le fissioni e viene rilasciata troppa energia sotto forma di calore. Una reazione a catena incontrollata può produrre tanto calore da fondere letteralmente il reattore. occorre un dispositivo di sicurezza. Nel nocciolo del reattore, circondato dal combustibile di uranio, sono inserite delle barre di controllo che possono essere sollevate e abbassate.
Di solito il materiale con cui sono costruite è il cadmio, perché il cadmio quando viene inserito tra gli atomi di carbonio assorbe i neutroni e questo rallenta la reazione di fissione. A questo punto analizziamo in che modo è possibile combinare tutte queste idee per progettare un reattore in grado di produrre energia elettrica. La fissione ha luogo in un edificio di contenimento.
Le sue pareti servono da schermo per proteggere l'ambiente circostante dalle radiazioni prodotte nel nocciolo. In questo reattore semplificato il combustibile utilizzato è l'uranio. L'acqua funge da moderatore per rallentare i neutroni. Serve anche da refrigerante per assorbire il calore dal nucleo.
Per innescare la fissione le barre di controllo vengono sollevate. La fissione non viene innescata dalla collisione dell'uranio 235 con un neutrone lento, ma tramite una reazione rara e spontanea di fissione di un nucleo di uranio 235. I neutroni rilasciati vengono rallentati dal moderatore che circonda le barre di combustibile. Se almeno un neutrone per ogni fissione innesca un'altra reazione di fissione, si produce una reazione a catena che può essere regolata o arrestata completamente utilizzando le barre di controllo.
L'energia cinetica dei prodotti di fissione provoca un aumento di temperatura del combustibile che a sua volta aumenta la temperatura del moderatore che lo circonda. Anche a temperature estremamente elevate, il moderatore non entra in ebollizione, perché la reazione ha luogo in un recipiente altamente pressurizzato, che surriscalda l'acqua. Questa viene pompata in uno scambiatore di calore. Nello scambiatore il calore viene trasferito all'acqua in un contenitore separato per produrre vapore. Il vapore aziona una turbina che fa girare un generatore che produce elettricità.
Le linee di trasmissione portano l'elettricità agli utenti. Non tutta l'energia prodotta raggiunge il consumatore. Una quantità considerevole si disperde in calore nei successivi processi di raffreddamento.
Il calore può essere pompato in un grande bacino d'acqua. In altri reattori, via l'atmosfera, passando attraverso una torre di raffreddamento. La maggior parte dei reattori commerciali utilizzati nel mondo è più complessa del modello semplificato che abbiamo appena analizzato.
Ma il processo di base che avviene al loro interno è lo stesso. Oggi l'energia nucleare copre una notevole percentuale dell'energia elettrica prodotta nel mondo. Ma i cambiamenti che avvengono nel combustibile ci presentano una serie di sfide insieme ai benefici.