L'energia nucleare si sviluppa in seguito a trasformazioni che avvengono nel nucleo dell'atomo. Per produrre questa forma di energia viene modificata la struttura chimica della materia.
Processo di fissione o scissione nucleare
Si può produrre energia nucleare mediante due processi:
- Fissione Nucleare: utilizza come materia prima l'uranio 235
- Fusione Nucleare: utilizza come materia prima l'idrogeno
Gli atomi, elementi di base della materia, sono costituiti da tre particelle fondamentali: protoni (carica positiva), neutroni (carica neutra) ed elettroni (carica negativa). Ogni atomo è composto da un nucleo in cui si concentra la maggior parte della massa, che è formato da protoni e neutroni. Attorno al nucleo ruotano delle particelle leggerissime chiamate elettroni.
Processo di fissione nucleare
Durante il processo di fissione, una parte da un neutrone colpisce il nucleo di uranio 235 dividendolo in due nuclei più piccoli e più leggeri. Viene emesso un grande quantitativo di energia termica e si liberano altri neutroni che colpiranno altri nuclei innescando una reazione a catena.
Durante il processo di fissione, il nucleo di un atomo viene diviso in due nuclei più piccoli la cui massa complessiva è minore della massa del nucleo di partenza. La piccola parte di materia "andata persa" si è trasformata in una grande quantità di energia. La materia prima con cui avviene questo processo è l'uranio 235, utilizzato in tutte le centrali a fissione nucleare. E' stato scelto perché è un atomo "instabile" cioè si rompe facilmente, è radioattivo cioè emette energia sotto forma di radiazioni.
Centrali nucleari
La centrale elettronucleare sfrutta l'energia termica che si sprigiona dalla reazione di fissione per produrre energia elettrica. La parte più importante della centrale è il reattore nucleare dove avviene la reazione di fissione. All'interno si trova il nocciolo, un cilindro di acciaio contenente acqua, pompa, acqua di restituzione, vapore, centrali nucleare, orbitali, barre di controllo, turbina, condensatore, alternatore, acqua dall'opera di presa, trasformatore.
Centrali nucleari e ambiente
- La produzione e l'utilizzo dell'energia nucleare non determina l'emissione di gas inquinanti nell'atmosfera (anidride carbonica)
- L'energia ha un costo inferiore rispetto a quella derivante dai combustibili fossili perché la quantità di materia prima da utilizzare è minore
- Le barre di uranio “esauste» sono radioattive e altamente dannose per la salute dell'uomo e per l'ambiente. È necessario dunque smaltire le scorie stoccandole in depositi sotterranei scavati a 400-900 m di profondità
- Costi elevati di gestione, costruzione e sicurezza della centrale. Questi costi derivano dalla necessità di mettere in sicurezza l'intera area per evitare l'uscita di materiale radioattivo.
Fusione nucleare
Il processo di fusione nucleare è un procedimento durante il quale due nuclei di atomi "leggeri" si fondono in un unico nucleo più grande la cui massa è leggermente inferiore alla somma della massa dei due nuclei di partenza. Anche nel caso della fusione, una parte di massa si è trasformata in energia.
Gli atomi leggeri coinvolti nella reazione sono il deuterio e il trizio, due atomi isotopi dell'idrogeno. Essi contengono infatti lo stesso numero di protoni dell'idrogeno ma diverso numero di neutroni. Dalla fusione si ottiene un nucleo più grande di elio (numero di massa 4), contemporaneamente si sviluppa energia e viene liberato un neutrone.
Dal punto di vista pratico, per poter attivare il processo di fusione nucleare è necessario soddisfare tre requisiti: restringere il campo d'azione (campo elettromagnetico) in cui si muovono gli isotopi, aumentare la concentrazione dei nuclei e aumentare la temperatura. Questo tipo di reazione è quella che avviene nel sole in cui si sviluppa energia luminosa e termica. Attualmente la tecnologia non è in grado di sfruttare questa reazione in modo controllato, soprattutto a causa della mancanza di un materiale capace di resistere alle elevatissime temperature.
