Tag: nucleare

Fusione nucleare: sfide e progetti.

by Giovanni Volpein Classi Terze, Energia

Principi fisici della fusione

La fusione nucleare richiede condizioni estreme di temperatura e pressione per superare la repulsione elettrostatica tra i nuclei atomici, che sono entrambi positivamente carichi. A temperature dell’ordine di decine di milioni di gradi Celsius, la materia esiste sotto forma di plasma, uno stato ionizzato in cui gli elettroni sono liberati dai nuclei atomici. In queste condizioni, i nuclei possono avvicinarsi abbastanza da permettere alle forze nucleari forti di vincere la repulsione elettrostatica e combinare i nuclei in un processo noto come fusione.

Metodi di confinamento per la fusione

Due dei principali approcci per ottenere la fusione in laboratorio sono il confinamento magnetico e il confinamento inerziale.

  • Confinamento magnetico: Il Tokamak e lo Stellarator sono i dispositivi più noti che utilizzano campi magnetici per confinare il plasma in un volume controllato. Il Tokamak, con la sua configurazione toroidale (a forma di ciambella), utilizza un campo magnetico per mantenere il plasma stabile e lontano dalle pareti del contenitore, mentre un campo magnetico aggiuntivo, generato da una corrente elettrica nel plasma, aiuta a riscaldarlo e a mantenerlo denso.

  • Confinamento inerziale: Questo metodo utilizza laser o fasci di particelle ad alta energia per comprimere e riscaldare piccole capsule di materiale fusibile, tipicamente deuterio e trizio, a densità e temperature sufficienti per innescare la fusione. La compressione deve essere estremamente rapida e uniforme per assicurare che il materiale non si disperda prima che la fusione possa avvenire.

Sfide e progressi recenti

Uno dei principali ostacoli alla realizzazione di un reattore a fusione commerciale è raggiungere un “guadagno energetico” positivo, cioè produrre più energia di quanta ne venga consumata per mantenere la reazione. Questo richiede un controllo estremamente preciso delle condizioni di fusione, oltre a materiali avanzati capaci di resistere alle intense condizioni all’interno del reattore.

Progetto ITER

Il progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) rappresenta uno degli sforzi internazionali più ambiziosi e significativi nel campo della fusione nucleare. Situato a Cadarache, nel sud della Francia, ITER è un consorzio globale che coinvolge l’Unione Europea, gli Stati Uniti, la Federazione Russa, il Giappone, la Cina, la Corea del Sud e l’India. L’obiettivo principale di ITER è dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione nucleare come fonte di energia pulita e praticamente illimitata.

Obiettivi di ITER

ITER mira a costruire il più grande tokamak mai realizzato, un dispositivo di confinamento magnetico a forma di ciambella progettato per mantenere il plasma di fusione a temperature e pressioni estremamente elevate per periodi prolungati. Gli obiettivi specifici del progetto includono:

  • Produrre un plasma di fusione auto-sostenuto, in cui l’energia generata dalla fusione è sufficiente a mantenere il processo senza un input energetico esterno continuo.
  • Dimostrare un guadagno energetico significativo, puntando a produrre 10 volte più energia di quanta ne venga consumata per mantenere il plasma (500 MW di potenza di fusione da un input di 50 MW).
  • Testare materiali e tecnologie chiave per un futuro reattore a fusione commerciale, inclusi sistemi di estrazione del calore, materiali resistenti alle radiazioni e tecnologie per la gestione del combustibile di fusione.
Design e tecnologia

Il design del tokamak ITER incorpora numerosi avanzamenti tecnologici, tra cui potenti magneti superconduttori per confinare e stabilizzare il plasma, sistemi di riscaldamento ad alta potenza per portare il plasma alle temperature necessarie per la fusione (oltre 150 milioni di gradi Celsius), e una sofisticata camera a vuoto rivestita di materiali speciali per gestire il calore intenso e la radiazione proveniente dal plasma.

Sfide e progressi

ITER è un progetto di ingegneria e ricerca di portata senza precedenti, che affronta molteplici sfide tecniche, scientifiche e logistiche. La costruzione del sito ha richiesto sforzi internazionali coordinati per la progettazione, la fabbricazione e il trasporto di componenti estremamente grandi e complessi da tutto il mondo. Nonostante i ritardi e i superamenti di costi, il progetto ha compiuto significativi progressi, con l’inizio dell’assemblaggio principale del tokamak nel 2020.

Impatto e significato

La riuscita di ITER avrà un impatto profondo sul futuro della produzione energetica globale, offrendo una dimostrazione pratica della fusione nucleare come fonte energetica sostenibile e a basse emissioni. Al di là della produzione di energia, il successo di ITER fornirà preziose conoscenze scientifiche e tecnologiche che accelereranno lo sviluppo di reattori a fusione commerciali e potrebbero giocare un ruolo cruciale nella transizione verso un mix energetico più pulito e sostenibile a livello mondiale.

Progetto NIF

Il National Ignition Facility (NIF) è un impianto sperimentale situato presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, Stati Uniti. Diversamente da ITER, che si basa sul confinamento magnetico per realizzare la fusione, il NIF utilizza un approccio noto come “confinamento inerziale” per ottenere la fusione nucleare. Inaugurato nel 2009, il NIF ospita il laser più potente al mondo, progettato per avvicinarci alla realizzazione della fusione nucleare come fonte di energia pulita e sostenibile.

Obiettivi del NIF

L’obiettivo principale del NIF è quello di raggiungere l'”ignizione” del plasma di fusione, un punto critico in cui la reazione di fusione diventa autosostenente, producendo più energia di quanta ne venga assorbita per innescare la reazione. Questo traguardo rappresenterebbe un passo significativo verso lo sviluppo di una fonte di energia a fusione praticabile. Gli obiettivi specifici del NIF includono:

  • Dimostrare la fattibilità tecnica della fusione nucleare tramite confinamento inerziale.
  • Fornire una piattaforma per esperimenti di fisica avanzata, compresi studi sulla materia a condizioni estreme e la sicurezza nucleare.
  • Sviluppare le conoscenze e le tecnologie necessarie per la progettazione di un futuro impianto di fusione che potrebbe fornire energia pulita in modo sostenibile.
Tecnologia e funzionamento

Il NIF utilizza 192 potenti fasci laser per riscaldare e comprimere un piccolissimo bersaglio, solitamente una capsula contenente una miscela degli isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio. I laser convergono sulla capsula con precisione estrema, riscaldandola a temperature di milioni di gradi e comprimendola a densità molto elevate. Questo processo incrementa la probabilità che i nuclei si fondano, rilasciando energia.

Sfide e progressi

Il raggiungimento dell’ignizione è estremamente difficile, richiedendo condizioni precise di temperatura, pressione e uniformità nella compressione del bersaglio. Nonostante queste sfide, il NIF ha realizzato importanti progressi scientifici e tecnologici, compresa la dimostrazione di alcuni degli impulsi laser più potenti e precisi mai generati.

Impatto e significato

Il successo del NIF nel fare avanzare la comprensione della fusione tramite confinamento inerziale ha implicazioni profonde non solo per lo sviluppo futuro dell’energia pulita ma anche per la sicurezza nazionale e la fisica fondamentale. Gli esperimenti condotti al NIF aiutano a modellare come la materia si comporta sotto condizioni estreme simili a quelle trovate nelle stelle o durante esplosioni nucleari.

Conclusioni

La fusione nucleare offre la promessa di una fonte di energia pulita, sicura e praticamente inesauribile, ma realizzare questa promessa richiede superare sfide tecniche e scientifiche sostanziali. I progressi nella fisica del plasma, nella tecnologia dei materiali e nei metodi di confinamento stanno gradualmente portando la fusione più vicina alla realtà commerciale, promettendo una rivoluzione nel modo in cui l’umanità genera energia nel futuro.

Il Nucleare in Italia.

by Giovanni Volpein Classi Terze, Energia

L’inizio del programma nucleare in Italia si colloca nel contesto del dopoguerra, quando il Paese, in pieno miracolo economico (vedi Piano Marshall), iniziava a sperimentare una crescita economica significativa che portava con sé una crescente domanda di energia. Questo periodo vide anche l’inizio di una campagna internazionale promossa dal Presidente americano Dwight Eisenhower, nota come “Atoms for Peace”, che mirava a promuovere l’uso pacifico dell’energia nucleare.

Contesto Internazionale e Nazionale.

Negli Stati Uniti, già dal 1951, erano stati realizzati i primi prototipi di reattori che fornivano energia elettrica adatta all’uso civile. La campagna “Atoms for Peace” lanciata nel 1953, e a partire dalla metà degli anni ’50, iniziò la costruzione delle prime grandi centrali nucleari, prima negli USA e poi anche in Europa.

L’Italia e il Nucleare.

L’Italia, pur partendo svantaggiata rispetto ad altri Paesi a causa di un apparato industriale fragile e debole post-seconda guerra mondiale, iniziò rapidamente a recuperare terreno. La crescita economica e l’industrializzazione portarono a una maggiore richiesta di energia. Le centrali idroelettriche esistenti e l’importazione di energia non bastavano a soddisfare il fabbisogno crescente, spingendo il paese a cercare nuove fonti di energia.

La risposta al bisogno energetico.

La risposta a questo bisogno energetico fu l’interesse verso l’energia nucleare. L’ENI, guidata da Enrico Mattei, e altre società private iniziarono a interessarsi all’energia nucleare come mezzo per garantire l’autonomia energetica dell’Italia. Questo interesse portò, alla fine degli anni ’50 e all’inizio degli anni ’60, alla realizzazione delle prime tre centrali nucleari italiane, segnando l’inizio ufficiale del programma nucleare nel paese.

Le Prime Centrali Nucleari.

Le prime centrali nucleari italiane furono:

  1. Centrale di Borgo Sabotino: Vicino a Latina, fu la prima ad operare, realizzata tra il 1958 e il 1963. Inizialmente promossa dall’ENI, entrò in funzione grazie agli sforzi congiunti di società statali e private.
  2. Centrale del Garigliano: Vicino a Caserta, iniziò ad operare nel 1964. Era intesa a supportare lo sviluppo industriale del Sud Italia, ma fu chiusa nel 1982 a causa di problemi tecnici e proteste locali.
  3. Centrale di Trino Vercellese: In Piemonte, iniziò ad operare nel 1965. Fu realizzata con capitali sia statali che privati, inclusi investitori americani, e rappresentò un successo dal punto di vista della produzione energetica.

Queste centrali segnarono l’inizio dell’era nucleare in Italia, un periodo di speranze e aspettative per l’indipendenza energetica del paese. Tuttavia, il cammino del nucleare in Italia sarebbe stato segnato da alti e bassi, influenzato da fattori interni ed esterni, compresi incidenti nucleari internazionali e cambiamenti nella percezione pubblica e politica riguardo alla sicurezza e all’ambientalismo.

Il declino del programma nucleare in Italia è stato influenzato da una serie di eventi, cambiamenti politici e sociali, nonché da incidenti nucleari internazionali che hanno modificato radicalmente la percezione pubblica e la politica energetica del Paese.

Qui puoi visualizzare un tour virtuale tra le centrali nucleari italiane.

Tour virtuale tra le centrali nucleari italiane

Cambiamenti politici e sociali.

Negli anni ’60 e ’70, l’Italia vide significativi cambiamenti politici e sociali che influenzarono direttamente il programma nucleare. La nazionalizzazione dell’energia elettrica nel 1962, con la creazione dell’ENEL (Ente Nazionale per l’Energia Elettrica), portò tutte le centrali elettriche, comprese quelle nucleari, sotto il controllo statale. Questo cambiamento mirava a ottimizzare la produzione e distribuzione dell’energia elettrica ma introdusse anche nuovi livelli di complessità e burocrazia nella gestione del nucleare.

Crisi energetiche e ambientalismo.

La crisi petrolifera del 1973 e l’emergere di un movimento ambientalista globale portarono a un ripensamento dell’energia nucleare. L’aumento dei prezzi del petrolio avrebbe potuto favorire un maggiore investimento nel nucleare, ma contemporaneamente cresceva la consapevolezza dei rischi ambientali e della sicurezza legati all’energia nucleare. In Italia, come nel resto del mondo, si sviluppò un forte movimento ambientalista che iniziò a sollevare dubbi sull’energia nucleare, soprattutto per quanto riguarda la gestione delle scorie radioattive e il rischio di incidenti.

Incidenti nucleari Internazionali.

La percezione pubblica del nucleare in Italia fu fortemente influenzata da due incidenti nucleari di rilievo internazionale:

  1. Three Mile Island (1979): L’incidente alla centrale nucleare di Three Mile Island negli Stati Uniti evidenziò i rischi associati all’energia nucleare, anche in un paese con elevati standard di sicurezza. Sebbene non ci fossero state vittime dirette, l’incidente sollevò preoccupazioni globali sulla sicurezza delle centrali nucleari.
  2. Chernobyl (1986): L’esplosione del reattore nella centrale nucleare di Chernobyl in Ucraina (allora parte dell’URSS) ebbe un impatto devastante, con conseguenze ambientali e sanitarie a lungo termine. La nube radioattiva che raggiunse anche l’Italia e altri paesi europei accentuò ulteriormente le preoccupazioni sulla sicurezza nucleare e alimentò il dibattito pubblico contro l’uso dell’energia nucleare.

Il Referendum del 1987.

Il culmine del declino del programma nucleare in Italia fu il referendum del 1987, indetto a seguito del disastro di Chernobyl. Il referendum propose la cessazione del programma nucleare italiano, e l’esito fu una netta vittoria dei “sì”, con una larga maggioranza degli italiani che si espresse a favore dell’abbandono dell’energia nucleare. Di conseguenza, tutte le centrali nucleari esistenti furono gradualmente dismesse, e i piani per nuove centrali furono cancellati.

Dopo il Referendum.

Nonostante il chiaro verdetto del referendum, il dibattito sul nucleare in Italia non si è mai completamente spento. Periodicamente, si sono riaccese discussioni sull’opportunità di rivisitare l’opzione nucleare, soprattutto in risposta alle crisi energetiche e alla necessità di ridurre la dipendenza energetica dell’Italia dall’estero. Tuttavia, eventi come il disastro di Fukushima nel 2011 hanno rafforzato la posizione anti-nucleare, confermando la scelta dell’Italia di non perseguire ulteriormente lo sviluppo dell’energia nucleare.

Mettiti alla prova

Svolgi il test ed ottieni il tuo Badge

Giochiamo?

Flashcards

Ordine cronologico

Il nucleare: un po’ di storia.

by Giovanni Volpein Classi Terze, Energia, Materiale didatticoLeave a Comment on Il nucleare: un po’ di storia.

Non è semplice trovare una scoperta scientifica che abbia avuto un impatto più grande sulla popolazione e sulla politica mondiale di quello dell’energia nucleare. L’umanità ha preso coscienza di questa nuova forma di energia il 6 agosto 1945 quando si diffuse nel mondo la drammatica notizia dell’esplosione di una bomba nucleare sulla città giapponese di Hiroshima (80.000 morti immediati).

La storia del nucleare ha inizio 1916 con il fisico tedesco Albert Einstein attraverso la teoria della relatività ristretta, principio di equivalenza massa-energia, espressa nell’equazione:

                                                                    E = mc²

in cui :

E è l’energia, espressa in joule; m è la massa, espressa in chilogrammi; c² è la velocità della luce al quadrato, espressa in m/s;

la quale rappresenterebbe il fondamento teorico dell’energia nucleare. Questa formula suggerisce in linea di principio, la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche in questa scoperta. Intuì però che il principio di equivalenza massa-energia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi elementi emettono energia spontanea, e una qualche reazione che implicasse l’equivalenza poteva essere la fonte di luminosità che accende le stelle. L’idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente, cioè sotto forma di reazione a catena, fu sviluppata in seguito alla scoperta del neutrone che avvenne 1932 quando il fisico Chadwick ottenne la conferma sperimentale della sua esistenza (scopriremo che i neutroni sono di fondamentale importanza per indurre il processo di fissione con successiva liberazione di energia).

Nel 1934 il gruppo di fisici italiani (i ragazzi di via Panisperna) diretti da Enrico Fermi bombardano sperimentalmente alcuni atomi con i neutroni e, quasi inconsapevolmente, realizzano la prima rudimentale fissione nucleare.

Nel 1938, si capì che, bombardando con neutroni il nucleo di certi tipi di atomi, come l’uranio, si poteva indurne lo divisione (in termine tecnico: la «fissione»), con la produzione di energia. Si apriva in tal modo la possibilità di sfruttare a nostro piacimento le gigantesche quantità di energie presenti nei nuclei. Si ebbe un’idea che si dimostrò fatale: si sarebbe potuto sfruttare l’atomo per nuove e dirompenti applicazioni nel settore militare, grazie alla cosiddetta reazione a catena. Prendeva piede la possibilità di una “superbomba” dalla potenza sino ad
allora inimmaginabile, davvero fantascientifica per quei tempi. Con questa prospettiva, essendo ormai alla vigilia della seconda guerra mondiale, fu inevitabile che gli studi sul nucleare, fino a quel momento compiuti in competitiva collaborazione tra gruppi delle diverse nazioni, venissero secretati; non si poteva certo permettere che stati nemici potessero avvantaggiarsi, imparando a gestire reazioni che generavano cento milioni di volte più energia rispetto alla classica reazione chimica impiegata nell’esplosivo tradizionale di dinamite o tritolo.
In questa corsa alla bomba, come è noto, il successo arrise agli Stati Uniti. Il loro programma nucleare militare, battezzato Progetto Manhattan, iniziò nel 1942 (spinto anche da una lettera scritta da Einstein al Presidente Roosevelt) e godette di risorse mai viste in precedenza in nessun settore tecnico-scientifico. Sotto la direzione del fisico Robert Oppenheimer e con il fondamentale contributo di Fermi, i più brillanti esperti mondiali di fisica si impegnarono nella più audace e difficile applicazione concreta degli studi scientifici. Il risultato del loro lavoro si ebbe già nell’estate del 1945, quando le esplosioni atomiche, prima nel deserto di Alamogordo nel New Mexico e, poco dopo, sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki, cambiarono per sempre il modo di immaginare la guerra, che divenne improvvisamente capace di uccidere in un istante milioni di persone.

Leggi l’articolo su Focus

La potenza del nuovo ordigno lo rendeva però inadatto a discriminare tra personale militare e popolazione, rendendo così il conflitto ancor più sanguinario e con effetti sempre più gravi per i civili, che per le leggi internazionali dovrebbero essere protetti.

La prima bomba al plutonio (nome in codice “The Gadget”) fu fatta esplodere nel “Trinity test” il 16 luglio 1945 nel poligono di Alamogordo, in Nuovo Messico. La prima bomba all’uranio (“Little Boy”) fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto 1945. La seconda bomba al plutonio, denominata in codice “Fat Man“, fu sganciata invece su Nagasaki il 9 agosto 1945. Questi sono stati gli unici casi d’impiego bellico di armi nucleari, nella forma del bombardamento strategico.

Leggi l’articolo

L’Unione Sovietica recuperò abbastanza rapidamente il ritardo e sperimentò la prima bomba a fissione il 29 settembre 1949, ponendo così fine al monopolio degli Stati Uniti d’America. La Gran Bretagna, la Francia e la Repubblica Popolare Cinese sperimentarono un ordigno a fissione rispettivamente nel 1952, nel 1960 e nel 1964. Le testate nucleari, basate sia sul principio della fissione nucleare che della fusione termonucleare possono essere installate, oltre che su bombe aeree, su missili, proiettili d’artiglieria, mine o siluri.

Nel 1954 il presidente degli Usa, Eisenhower, inaugurò il progetto “Atom for Peace”, allo scopo di favorire l’applicazione civile dell’energia nucleare. In soli 12 mesi venne realizzata la prima centrale nucleare della storia, il reattore civile Borax III in grado di fornire energia elettrica a una piccola città dello Stato dell’Idaho (Usa).

Dopo che Enrico Fermi aveva trovato il modo di «addomesticare» la reazione a catena, facendola procedere in modo controllato, si realizzarono le prime centrali nucleari, il cui scopo iniziale fu esclusivamente militare: creare artificialmente un materiale non presente sul pianeta Terra, il plutonio, che ci si aspettava avesse caratteristiche ottimali per produrre bombe atomiche. Solo vari anni dopo la guerra, nei primi anni ’50, ci si impegnò per la realizzazione di centrali civili, capaci di produrre calore e soprattutto elettricità. Nacquero a quel punto tanti sogni (che oggi possiamo definire ingenui), che promettevano di fornire energia illimitata e a costi irrisori ad un’umanità attonita di fronte all’enorme potenza dell’atomo. Ma si posero anche le radici per alcuni
incubi che ancora ci accompagnano al giorno d’oggi. 

Definizioni
neutrone

Il neutrone è una particella elementare che agisce come «collante» per i protoni responsabili della carica positiva dei nuclei, che altrimenti, per repulsione elettrostatica, non potrebbero restarsene assieme. Non avendo carica elettrica (da cui il suo
nome) può venir utilizzato come efficace sonda per giungere fin nel cuore dell’atomo,
dove può venirvi catturato oppure viceversa causarne la spaccatura. Questo ha permesso di produrre tanto le bombe quanto i reattori nucleari.

Fissione nucleare

Nella fissione nucleare si parte con un nucleo di un atomo (adatto), contro cui si spara un neutrone di energia appropriata per riuscire a spaccarlo (fenomeno della fissione) con la liberazione di grandi quantità di energia. A seguito di questa rottura vengono anche liberati due o tre neutroni i quali, se si sono fatte le cose per bene (purezza dei materiali, densità adatta, …), possono indurre la fissione di altri nuclei circostanti. Si liberano così altri neutroni che possono continuare il processo, come in una valanga, fin quando tutti, o almeno una buona parte dei nuclei presenti, hanno reagito. Se la «reazione a catena» si sviluppa in modo incontrollato, selvaggio, si ha la bomba; se invece la si riesce a controllare, si può realizzare una centrale nucleare.