Reattori a fissione

Dividi et impera, ovvero spacca l'atomo e guadagna energia.

Siete pronti per la prossima puntata della nostra serie nucleare? Lo voglio proprio sperare. Vorrei anche aggiungere una nota di attualità che però visto il carattere opinabile, la troverete solo in fondo al post e che potrete tranquillamente saltare. Allora se siete pronti possiamo partire, come sempre dal principio...

Spaccare ci fa guadagnare

Abbiamo concluso la puntata precedente osservando il grafico con l'andamento dell'energia di legame verso il numero di nucleoni nel nucleo. Avevamo osservato che è proprio questa energia di legame che dobbiamo spremere fuori dall'atomo per ricavare energia utilizzabile e per farlo avevamo due possibilità: o spaccare in due nuclei molto grandi, oppure fondere insieme quelli molto piccoli. In questo capitolo ci occuperemo proprio del primo caso, noto con il nome di fissione nucleare e di come queste reazioni vengano controllate all'interno di un reattore nucleare.

Cominciamo con il capire perché mai un nucleo atomico dovrebbe rompersi in due. Sempre la volta scorsa abbiamo introdotto l'interazione nucleare come una forza molto intensa, ma dal raggio d'azione molto piccolo. D'altro canto la repulsione elettrostatica che particelle con la stessa carica esercitano le une sulle altre, tende a mantenere una certa distanza tra i protoni nel nucleo. Il risultato è che quando cominciano ad esserci tanti protoni, allora le dimensioni del nucleo si allargano e la forza nucleare con il suo breve raggio d'azione perde di efficacia nel tener tutto insieme. Capita così che gran parte degli elementi ciccioni tendano a spaccarsi naturalmente in due parti più piccoline e più stabili. Questo processo prende il nome di fissione spontanea, perché avviene in modo in tutto indipendente dalle condizioni esterne e si differenzia dalla fissione stimolata, in cui è l'urto di un neutrone contro il nucleo a farlo deformare e quindi a favorirne la rottura.

Demolizione automatica e controllata

Possiamo immaginare un reattore nucleare come una fabbrica per la demolizione automatica e controllata dei nuclei pesanti che compongono il combustibile nucleare. Infatti, ogni evento di fissione è caratterizzato dai seguenti prodotti:

• due nuclei figli più piccolini che però hanno ciascuno un surplus di neutroni
• un certo qual numero di neutroni prompt, ovvero emessi contestualmente alla scissione
• un bel po' di energia, sotto forma di energia cinetica dei figli che scappano via dalla mamma con una certa velocità

Questo è vero per qualunque fissione (spontanea o stimolata) e per qualunque nucleo fissionabile, ovvero grosso abbastanza da poter essere spaccato con guadagno di energia. È chiaro però che noi vogliamo che questa reazione sia seguita subito da un'altra e poi un'altra ancora; vogliamo, cioè che, una volta innescata la combustione questa continui fino a quando non saremo noi a volerla spegnere. Per esempio, se uno dei neutroni prompt fosse in grado di raggiungere un altro nucleo e di farlo spaccare allora avremmo la cosidetta reazione a catena che ci permette di mantenere accesa la combustione. Perché questo avvenga, non tutti i materiali fissionabili vanno bene, ci vogliono quelli fissili; questi infatti, per ogni fissione generano un numero sufficiente di neutroni prompt con l'energia giusta per generare un'altra fissione.

Non tutti i fissionabili sono anche fissili: come abbiamo già visto nel post sull'arricchimento, l'isotpo 235 dell'uranio è fissile, mentre quello con 238, molto più comune in natura, è solo fissionabile. Ad essere più precisi dovremmo dire che l'uranio 238 è fertile, ovvero può essere trasformato in un materiale fissile - il plutonio 239 - se opportunamente irraggiato.

Dalla teoria alla pratica

Veniamo finalmente alla nostra centrale nucleare. Come in tutte le centrali elettriche, quello che si vuole ottenere è la rotazione di alcune turbine, che collegate a degli alternatori, producono energia elettrica da immettere nella rete di distribuzione. Le centrali nucleari sono concettualmente simili a quelle termiche: la reazione nucleare scalda un fluido, molto spesso acqua pressurizzata o bollente che inizia ad espandersi per far girare le turbine e così via. Nei reattori nucleari di III generazione l'acqua ricopre due ruoli: quello di fluido la cui espansione generare il moto delle turbine e quello di moderatore di neutroni, ovvero serve per ottimizzare l'energia dei neutroni per aumentare le possibilità di attivare un nuovo evento di fissione.

Domande e risposte

Come si scalda l'acqua nel reattore?
Ottima domanda, in fondo nel reattore nucleare non c'è niente che brucia nel senso classico del termico. Per ogni reazione di fissione, i nuclei figli vengono emessi con una certa energia cinetica che perdono frenando all'interno delle barre di combustibile o nell'acqua stessa. Frenando dissipano energia sottoforma di calore e di conseguenza, sia le barre sia l'acqua tendono ad aumentare in temperatura.

Come si accende un reattore?
Una volta partita la reazione a catena questa tende ad autosostenersi, ma bisogna partire. Si potrebbe aspettare un evento di fissione spontanea, ma questi non sono troppo frequenti e a seconda delle configurazioni potrebbe essere necessario aspettare anche mezzora per avviare la reazione. Per questo motivo si aggiungono delle sorgenti di neutroni all'interno del reattore la cui intensità può essere controllata. I neutroni termici, ovvero quelli dell'energia giusta per far continuare la reazione a catena giocano un po' il ruolo della manopola della temperatura sul termostato di casa vostra. Aumentando il numero di neutroni termici, aumentano il numero di eventi di fissione per unità di tempo e quindi la temperatura del reattore e quindi la potenza elettrica prodotta. Per modificare il numero di neutroni termici ci sono differenti metodi: uno è quello di usare delle sorgenti come quelle usate per l'accensione, oppure quando sono troppi possiamo o assorbirli con delle apposite barre di assorbimento, oppure non portarli alla giusta temperatura rimuovendo elementi di moderazione.

E per spegnerlo?
Per spegnere un reattore non basta mettere a zero la manopola del termostato. La reazione a catena continuerà per lungo tempo prima di arrestarsi naturalmente. Per spegnere artificialmente una reazione si deve diminuire in modo sensibile il numero di neutroni all'interno del reattore e per farlo si possono inserire delle barre di assorbimento che catturano i neutroni rubandoli alla catena di fissioni. Un meccanismo noto con il nome di SCRAM prevede di lasciar cadere nel nocciolo del reattore tutte le barre di assorbimento in modo da arrestare in pochi secondi l'intera produzione di energia. Anche quando completamente spento però, un reattore continua a produrre un po' di calore (qualche per cento della sua potenza massima) a causa del decadimento dei nuclei figli, cosa però del tutto trascurabile e che non influisce in caso di emergenza

E le scorie?
Le scorie sono il prodotto della combustione nucleare. Sono i prodotti della reazioni di scissione, in altre parole sono nuclei atomici di dimensioni modeste, ma caratterizzate da un surplus di neutroni che li rende beta-emettitori. Per farla facile, questi nuclei sono generalmente radioattivi ed emettono elettroni di medio/alta energia che possono essere dannosi per la salute umana.

Quindi fanno male vero?
Certo che le scorie fanno male, proprio come l'anidride carbonica prodotta nelle centrali termiche a combustibili fossili sta avvelenando il nostro pianeta. Al termine del ciclo di combustione, nel combustibile esausto si misurano frazioni intorno al 2% di elementi transuranici e un 3.5% di prodotti di fissione, mentre tutto il resto è uranio 238 solo leggermente radioattivo. È proprio questo 3.5% di prodotti di fissione a destare maggiore preoccupazione. Dei cento e più possibili prodotti di fissione, solo 7 (Sr-90, Cs-137, Tc-99, Se-79, Zr-93, Cs-135 e I-129) hanno tempi di dimezzamento superiori a 25 anni, ovvero solo di questi dobbiamo seriamente preoccuparci perché gli altri sono destinati a morire molto prima che possano essere un problema. Però per questi 7 dobbiamo trovare un modo sicuro per eliminarle.

Come si può fare ad eliminare le scorie ?
Esistono diversi approcci e ancora non si sa quale sia il migliore. Per esempio l'approccio francese è diametralmente opposto a quello americano. I Francesi preferiscono riprocessare il combustibile esausto separando tutto quello che è ancora bruciabile da quello che invece è solo rifiuto e quest'ultimo viene vetrificato, cementificato e imballato in contenitori a tenuta stagna. Gli Americani credono che questa riprocessatura possa dare adito ai paesi canaglia di appropriarsi indebitamente di materiale fissile con il quale costruire ordigni nucleari. Per questo oltre-oceano si butta via tutta, anche quello che potrebbe essere riusato.
Anticipo già la prossima domanda circa i luoghi dove conservare le scorie. Anche qui abbiamo differenti possibilità ognuna con i suoi pro e i suoi contro. Vado ad elencarle...

• Profondità geologiche: ovvero restituire alla terra quello che ci aveva dato. È decisamente la soluzione più sicura. Infatti se avessimo accesso allo strato terrestre subito al di sotto della piattoforma continentale (il mantello), allora questo si porterebbe via i nostri fusti, li fonderebbe all'interno delle profondità della terra e nessuno ne sentirebbe più parlare per sempre. Peccato che non abbiamo accesso al mantello e fare una buca (!) è decisamente al di fuori della nostra portata!
  
• Profondità oceaniche. Anche questa situazione è abbastanza sicura, infatti i fusti e il trattamento delle scorie assicura una buona tenuta all'acqua, ma nessuno ha mai potuto verificare per quanto a lungo resistono. Inoltre a quelle profondità risulta molto difficile tenerle sotto controllo, infatti se ci fosse un sisma e i fusti si dovessero rompere sul fondo del mare, il loro recupero e messa in sicurezza sarebbe quasi impossibile.
  
• Lanciarle sul sole. Anche questa sarebbe perfetta. Il sole sarebbe felicissimo di riavere la materia che la terra gli aveva rubato qualche miliardo di anni fa e sicuramente non lo inquineremmo! Il sole è un'immensa centrale nucleare a fusione e quella spruzzatina di nuclei pesanti è come aggiungere una molecola d'acqua ai nostri oceani. Non serve nemmeno guidare astronavi fino al sole, ma basta lanciarle in direzione del nostro astro e poi lasciare che sia lui a tirarle. Soluzione perfetta? Peccato per due soli punti a sfavore: il costo di un vettore spaziale e il fatto che se in fase di lancio qualcosa andasse storto le scorie verrebbero distribuite nell'atmosfera e sulla terra.
• Trasmutarle. Questa potrebbe essere una buona idea. Gli isotopi radioattivi contenuti nel combustile esausto può essere trasformato in altri isotopi con una vita media molto più brevi irraggiandoli con fasci di particelle. Questa trasmutazione renderebbe le scorie molto più facili da trattare, ma questo riprocessamento non è privo di rischi soprattutto per gli operatori che devono maneggiarle.
  
• Seppellirle in miniere in disuso. Questa è la soluzione attualmente adottata che pur essendo estremamente sicura, è considerata come l'inferno dagli ambientalisti. I siti individuati devono essere geologicamente stabili e facilmente monitorabili.
  

Ci sono pericoli con i reattori a fissione?
Certo che ci sono pericoli. Nella nostra vita ci troviamo spesso obbligati ad affrontare situazioni pericolose, e molte volte non ce ne rendiamo neppure conto. La cosa importante è valutare in modo razionale e corretto il rischio che si corre nell'affrontare ogni situazione. Vi siete mai chiesti quanto male fa all'ecosistema terra l'emissione di gas serra e di biossido di carbonio legato alla combustione del petrolio e dei suoi derivati? Vi siete mai chiesti quali siano i danni legati al riversamento negli oceani del combustile fossile contenuto nelle petroliere? Molto probabilmente lo avete fatto, ma avete valutato il rischio tollerabile. Se avete paura delle centrali nucleari è perché valutate il rischio molto più elevato, anche se non ci sono emissioni di gas serra; forse la paura verso il nucleare è solo psicologica e non basata su effettive valutazioni razionali di rischio. I moderni reattori nucleari sono sicuri almeno quanto le centrali convenzionali.

E perché è successo il disastro di Chernobyl?
Tipica domanda di chi ha una paura d'inferno e che viene alimentata da motivi irrazionali. L'incidente di Chernobyl è avvenuto a causa di una errata manavra di verifica di sicurezza effettuata fuori orario e da personale non qualificato. Facciamo un esempio, l'aereoplano è di gran lunga il mezzo di trasporto più sicuro. Adesso facciamolo pilotare ad un autista di camion e gli facciamogli fare una manovra complessa senza il supporto di un pilota qualificato mentre sta trasportando 200 passeggeri. Le probabilità che il velivolo arrivi sano e salvo a terra sono poche, ma non perché l'aereo è un mezzo pericoloso, ma perché è stato utilizzato in modo incauto e pericoloso. Lo stesso identico discorso vale per un reattore nucleare: servono scienziati, ingegneri e tecnici qualificati ad operarlo e tutte le norme di sicurezza vanno periodicamente controllate nel rispetto delle procedure operative.
Se volete leggere una lista degli incidenti nucleari civili, li trovate tutti elencati sulle pagini inglesi di wikipedia.

Attenzione il testo seguente contiene delle opinioni discutibili

Nota di attualità

Proprio oggi, 31 Ottobre, mentre scrivo questo post, a Montalto di Castro avviene una manifestazione anti-nucleare a partire da quella che era nata come una centrale a fissione e che poi era stata convertita a carbone. Ci tengo a dire la mia: ovviamente non sono per un no secco al nucleare, sarebbe - secondo me - un errore imperdonabile. Sono per il nucleare ad una condizione: che non sia inteso come la salvezza del nostro Paese e l'unica fonte di energia sulla quale basare i nostri piani di sviluppo. Il nucleare a fissione con i reattori attuali ci deve servire per uscire da questa fase di dipendenza energetica, ci deve aiutare a supportare la ricerca verso nuove tecnologie, nucleari e non, e ci deve guidare sulla via del progresso e della salvaguardia del nostro pianeta.

Una meteorite a forma di bufala

In poche ore è diventata la notizia più letta su tutti i giornali e nessun telegiornale si è astenuto dal mandare in onda le riprese amatoriali di quello che doveva essere un evento dalla portata eccezionale: l'impatto al suolo di una meteorite con tanto di cratere e fuoco e fiamme in abbondanza.

Di qualche ora fa, invece la smentita: niente impatto, soltanto l'ennesima trovata pubblicitaria di una compagnia telefonica che ha visto bene di mettersi un po' in evidenza. Un po' come era successo qualche giorno fa con quella storia ambientata in Colorado con un bambino apperentemente volato via con un pallone aerostatico.

Ma torniamo alla nostra meteorite a forma di bufala. Sull'edizione on-line del Corriere si dice che i ricercatori hanno svelato la truffa non trovando contaminazione radioattiva nei dintorni dell'impatto. La cosa mi ha un po' stupito: perché mai l'impatto di un corpo extraterrestre dovrebbe generare una contaminazione radioattiva? Così ho investito cinque minuti di tempo - mentre con un occhio controllavo lo stato del ciclotrone che oggi sta lavorando proprio bene - per studiare un po' gli eventi di impatto. Come dubitavo, i giornalisti hanno fatto un po' di confusione, quello che gli scienziati non hanno trovato è la caratteristica firma di sostanze extraterrestri contenuta nella distribuzione isotopica degli elementi; un tipico esempio è la misura della concentrazione dell'isotopo 14 del carbonio rispetto al carbonio totale. Questo ha si a che fare con la radioattività, ma non si tratta di contaminazione.

Questa breve escursione nel mondo delle meteoriti mi ha fatto conoscere il cosiddetto evento di Tunguska che all'inizio del 1900 aveva terrorizzato a morte interi villaggi siberiani. In quel caso si è stimato che l'impatto, per altro avvenuto in aria, sia l'equivalente di 1000 bombe di Hiroshima, e le teorie a riguardo si sono veramente sbizzarrite. Chiaramente, non a tutti i comuni mortali poteva andare bene la storia di una meteorite che si avvicina alla terra ed esplode in atmosfera, quindi oltre alla più classica immenente fine del mondo, sono stati scomodati il buon Tesla, che a complotti non si fa mancare nulla, gli alieni - figuriamoci se questi potevano mancare, ma persino i buchi neri e l'antimateria!

Quella sui buchi neri ho voluto proprio leggerla nel dettaglio, e su un numero di Nature del 1974, Beasley and Tinsley dimostrano che l'evento di Tunguska non potè essere causato dall'impatto con un micro buco nero, perché - per farla molto semplice - non è stato trovato il foro di uscita, ma solo quello di ingresso!

Un nucleo pieno di energia

Visto il grande successo riscosso dal post sull'arricchimento dell'uranio e visto che la situazione di tensione con l'Iran sembra ancora non essersi sistemata del tutto, ho pensato che potrebbe essere utile per i nostri lettori, proporre una mini serie di post sulle applicazioni civili del nucleare in modo particolare sulla produzione di energia.

L'idea è di proporre quattro o cinque articoli con una cadenza che dipenderà più o meno dai miei impegni con i seguenti titoli e argomenti:

• Un nucleo pieno di energia. Come ottenere preziosa energia da quel microcosmo che è il cuore di ogni atomo (link).
• Reattori a fissione. Dividi et impera, ovvero spacca l'atomo e guadagna energia.(link)
• Reattori a fusione. Quando 1 + 1 non fa 2 e la differenza è energia. (link)
  
• Polvere di stelle. Ma quanto siamo vecchi in realtà? (link)
• Reattori nucleari naturali. La centrale a fissione di madre natura (link).
  

Lo stile di questi post sarà il solito, brevi paragrafi squisatamente tecnici senza però utilizzare un linguaggio incromprensibile e in cui cercherò di rispondere a tutte quelle domande che potranno insorgere. Fatta questa premessa, è tutto veramente pronto per iniziare con la prima puntata ovviamente cominciando dal...

Dal principio...

Lo scopo di questo post è quello di capire come sia possibile spremere energia dai nuclei che compongono gli atomi, ma prima è dovuta una necessaria precisazione. Come forse già saprete, non è possibile creare energia, ma possiamo soltanto cambiare la forma in cui essa ci si presenta. Facciamo un'esempio molto semplice da capire. L'acqua accumulata in un bacino di alta montagna è caratterizzata da una certa quantità di energia potenziale gravitazionale dovuta al fatto che si trova ad una quota superiore al livello del mare. Quando quest'acqua scende dal bacino alla valle sottostante, parte dell'energia potenziale viene trasformata in energia di movimento (cinetica) che può essere sfruttata per far girare delle turbine e infine trasformata in energia elettrica.

Da questo esempio particolare possiamo imparare una lezione generale. Prima di arrivare nelle nostre case sottoforma di energia elettrica, l'energia subisce parecchie trasformazioni di stato, purtroppo non senza perdite, ma l'origine di tutto questo processo è una qualche forma di energia potenziale che agisce come una sorta di serbatoio per l'energia.

L'energia potenziale del nucleo

Se siete riusciti a seguire il ragionamento fino a questo punto, allora è arrivato il momento di fare un grande balzo nella comprensione e capire dove si nasconde l'energia all'interno del nucleo dell'atomo. Il nucleo è quella parte piccolissima situata al centro di ogni atomo ed è composto da due tipi di particelle subatomiche: i protoni e i neutroni. I primi hanno carica positiva, mentre i secondi come suggerisce il loro nome sono privi di carica elettrica. All'interno del nucleo queste particelle sono tenute saldamente incollate le une alle altre da quella che i fisici chiamano forza nucleare forte. Di questa interazione ci interessano principalmente due aspetti:

• È molto forte. Molto più forte di quella elettrostatica che tenderebbe a far allontanare i protoni - che hanno la stessa carica elettrica - all'interno del nucleo.
• Ha un raggio d'azione molto limitato. I suoi effetti decrescono molto velocemente con la distanza, contrariamente a quanto avviene per la forza elettrostatica.

È proprio questa forza l'origine dell'energia potenziale contenuta nell'atomo. Ma vediamo meglio come funziona...

Pesare un nucleo

Per meglio capire il funzionamento dell'interazione forte, facciamo questo esperimento mentale: prendiamo una bilancia immaginaria in grado di pesare anche le particelle subatomiche come protoni e neutroni. Adesso se andiamo a prendere un singolo protone e lo appoggiamolo sul piatto della bilancia, sul display ci apparirà il numero 1. Adesso ripetiamo l'esperimento sostituendo il protone con un neutrone e ancora sulla bilancia apparirà il numero 1 (per il nostro esperimento la piccola differenza di massa tra protoni e neutroni può essere tranquillamente trascurata). Fino a qui tutto chiaro vero? Andiamo avanti nel nostro esperimento: prendiamo 2 protoni e 2 neutroni e appoggiamoli sulla bilancia, ci aspettiamo di misurare 4 e così è. Adesso prendiamo un nucleo di elio, composto da 2 neutroni e 2 protoni e appoggiamolo sul piatto della bilancia; qualunque persona ragionevole si aspetterebbe di misurare quattro, visto che quattro era il peso dei suoi costituenti e inceve no! La bilancia ci dice che il nucleo di elio pesa leggermente meno di 4 come se parte della massa fosse misteriosamente sparita.

Massa sparita

Quattro nucleoni (il nome comune per protoni e neutroni) pesano 4 unità, ma il nucleo composto da questi pesa leggermente meno. Questo fenomeno è noto con il nome di difetto di massa ed è dovuto esclusivamente all'interazione forte: infatti se prendiamo i quattro nucleoni sul piatto della bilancia e li avviciniamo l'uno all'altro tanto da entrare nel raggio d'azione della forza nucleare forte e vedremo diminuire il valore della pesata. Questo fenomeno è perfettamente descritto da una delle più famose leggi della fisica e dovuta al grande Einstein:

che ci dice che l'energia (E) può essere vista come una massa (m) moltiplicata per il quadrato della velocità della luce (c). Vediamo di ricapitolare: l'interazione nucleare forte esercita un intenso legame tra i costituenti del nucleo e si traduce in un'energia potenziale di legame che in base alla legge di Einstein si traduce in una variazione della massa del nucleo.

Crescere per dimagrire

Se avete capito questo passaggio, siete sulla buona strada per diventare fisici nucleari! E non sto scherzando! A questo punto viene spontaneo farsi la seguente domanda: l'eneriga di legame aumenta con il crescere delle dimensioni del nucleo? La risposta non è né sì né no, ma è ben descritta dal grafico qui sotto riportato.


Sull'asse delle x è rappresentato il numero di nucleoni nel nucleo, mentre su quello verticale c'è l'energia di legame divisa per il numero di nucleoni. L'andamento dell'energia di legame inizialmente cresce molto velocemente fino a raggiungere un massimo in corrispondenza dell'atomo di ferro per poi lentamente diminuire verso gli atomi più grossi come l'uranio e i suoi amici giganti. Se tiriamo una riga verticale in corrispondenza del numero 56, possiamo dire che a sinistra di questa riga ci sono tutti gli elementi per cui una reazione di fusione è accompagnata da un rilascio di energia, mentre a destra avremo un guadagno di energia nello spaccare atomi grossi in atomi più piccoli.

Questa dovrebbe apparirvi come una rivelazione, abbiamo capito qual è l'energia potenziale che il nucleo conserva al suo interno e abbiamo anche capito che possiamo trasformarla o fondendo insieme nuclei piccoli oppure spaccando nuclei grandi. Questa è l'idea alla base delle centrali nucleai che però tratteremo nelle prossime puntate.

Fusion

Vi sembra una roccia lunare o un frammento di meteorite? No ma ci siete andati vicini. Questo è il risultato del nostro primo esperimento di fusione. Traquilli nessun allarme nucleare, si tratta di una fusione termica, come quella che facevano gli antichi ferraioli. Si tratta di una lega di alluminio, rame e zinco le cui proprietà sono ancora sconosciute - almeno a noi - e l'utilità pressoché nulla.

A dire la verità, lo scopo dell'esperimento era verificare che la piccola fornace che abbiamo trovato in cantina fosse ancora perfettamente funzionante e possa tranquillamente raggiungere i 1200 gradi centigradi. Visto che la fornace è ok, adesso possiamo programmare la serie vera e propria di esperimenti volti a studiare la conducibilità termica delle nanoparticelle e comparare il danneggiamento da radiazione e quello termico.

Per essere venerdì pomeriggio, ci siamo divertiti parecchio!

Ho imparato a disegnare

E anche questo grazie a Google! Il disegno non è mai stato il mio forte: in quello artistico sono proprio negato, in quello tecnico appena sufficiente. Ma da oggi non più! Va be forse è meglio non esagerare, non si tratta di un miracolo, ma di un supporto informatico che mi permette di disegnare in modo semplice, intuitivo e velocissimo qualunque cosa mi serva.

Mi riferisco ad un programma CAD, che sta proprio a significare programma da disegno computerizzato, ma non di uno pesante, complesso e costosissimo. Anzi tutto il contrario, questo è leggero (~70 MB), si impara in 8 minuti ed è completamente gratis. È sketchup, il CAD di Google!

Quando l'ho scaricato e installato ero piuttosto scettico. La pagina web dice che bastano 8 minuti per imparare ad usarlo e il resto è facile come giocare ad un videogioco. Questi otto minuti servono per guardare i video tutorial disponibili su youtube che i principianti possono guardare, mettere in pausa e attuare immediatamente le istruzioni suggerite. Da non credere... anch'io so disegnare!

Il miracolo del buon samaritano

Questa sera sono andato in piscina per la mia ormai consueta nuotata infrasettimanale. Non sono un gran nuotatore, di solito mi accontento di un chilometro e mezzo in 45 minuti circa e poi striscio sfinito fino a casa dove crollo addormentato. Prima di entrare in vasca non mi sentivo particolarmente in forma, c'erano solo due corsie destinate al nuoto libero ed erano eccessivamente affollate. Fatico a prendere il ritmo, ma quando arrivo alla soglia del chilometro mi sento bene ed mi convinco che sarei arrivato al mio traguardo. Stavo ultimando la 54esima vasca quando sento una fitta durissima al polpaccio della gamba destra: era tanto che non avevo un crampo e questa era la prima volta che mi colpiva in acqua. Mi fermo subito, cercato di recuperare, ma nulla: la gamba è come paralizzata. A fatica, esco.

Mi ci vogliono dieci minuti buoni per riprendermi e con tutta calma mi rivesto e mi avvio a prendere la mia auto nel posteggio. Piove a dirotto. Non ho l'ombrello. Salgo in macchina come se non mi fossi asciugato e penso che tanto peggio di così non mi potrà andare. Parto.

Non sono ancora uscito dal posteggio, che una giovane signora mi ferma con un gesto della mano, abbasso il finestrino e mi dice: Sarebbe così gentile da darmi una mano, ho lasciato le luci dell'auto accesa e credo che la batteria si sia scaricata. Potrebbe aiutarmi con una spinta. Il mio cervello cerca disperatamente una scusa, ma l'istinto ha il sopravvento. Va bene, aspetti che posteggio - rispondo.

Scendo dall'auto e piove più di prima, ma non lo sento visto che sono tutto bagnato. Mi avvicino all'auto in panne e giusto per sfizio chiedo: Signora potrebbe provare ad avviare così sento che rumore fa? Non so cosa mi ha spinto a domandare, ma lei volentieri accetta il mio consiglio: gira la chiave e Miracolo! È partita! Grazie mille è stato veramente molto gentile - esclama tutta contenta lei. Sono io che dovrei urlare al miracolo - rispondo io sotto voce - se avessi spinto l'auto probabilmente ora sarei morto...

Un milione di facce

Capita che stiamo vedendo un vecchio episodio della serie tv Senza Traccia quando, prima in sottofondo e poi in primo piano, si distingue un motivo musicale molto appropriato. La melodia è affascinante e in pochi secondi sono completamente catturato da quelle note. La scena finisce e con lei il tema musicale, ma quella canzone mi resta conficcata nella testa, tanto che decido di cercala e risentirla. Ma come?

Decido di chiedere aiuto all'oracolo dei tempi moderni. Non avevo prestato attenzione alle parole, ma ero sicuro di aver sentito il cantante pronunciare "milion faces", ovvero un milione di facce. Ma questo è troppo poco, allora cerca disperatamente di associare la voce al nome di un cantante o per lo meno ad un gruppo. Non so perché, mi vengono in mente i REM. Allora apro Google, scrivo "song million faces rem" e clicco su Mi sento fortunato.

Risultato è una pagina di un forum di un fan club dei mitici REM in cui un utente disperato è alla ricerca del titolo di una canzone nel cui testo si dice appunto un "milione di facce". La risposta è subito sotto: primo non sono i REM, ma Tears for Fears e secondo nella canzone non si dice milion faces ma familiar faces e il titolo è Mad World di cui ne esiste anche una cover acustica utilizzata come colonna sonora nel film Donnie Darko. Insomma, google è veramente un mago, anche dandogli tutti gli indizi sbagliati, il risultato è sempre quello giusto.

Ah dimenticavo questa è decisamente la canzone del giorno...

Senza parole

Un'altra settimana

Sembra ieri che vi scrivevo dell'oro e delle altre amenità e invece un'altra intera settimana è trascorsa con tutte le sue attività che l'hanno fatta letteralmente volare via. Non vorrei ridurmi a pubblicare un resoconto settimanale delle cose fatte e delle belle nuove esperienze, ma al momento sembra l'unica cosa che riesco a fare, almeno fino a quando non riuscirò ad organizzarmi meglio.

In settimana sono andato alla bibliteca centrale del JRC, principalmente perché un libro che avevo richiesto in prestito interbibliotecario era arrivato e mi aspettava comodamente adagiato su uno scaffale. La biblioteca è in un edificio non particolarmente grande, ma è ben organizzata con parecchi scaffali allineati, indicazioni chiare su dove trovare i volumi, ampli tavoli da lettura, un religioso silenzio e, come in tutte le biblioteca che si rispettino, quell'odore che emanano i libri che da troppo tempo attendono di essere sfogliati. Prima di ritirare il mio librio, mi sono volutamente distratto e messo a curiosare tra gli scaffali delle riviste; mi ha stupito il fatto che nonostante il centro non sia più da anni ormai un sito nucleare, ci siano ancora così tante riviste del settore. Mi sono concesso 5 minuti di lettura nei quali ho approfondito la mia conoscenza sul torio come possibile combustile nucleare e sostituto dell'uranio. A detta di alcuni: il torio sarà il combustile del futuro, a detta di altri, forse la maggioranza, resterà un qualcosa di secondario che non riuscirà mai a prendere il giusto slancio. È un po' la stessa diatriba tra i sostenitori dell'arseniuro di gallio (GaAs) come semiconduttore del futuro che presto rimpiazzerà il ben più comune silicio.

Il mio libro, Introduction to physics and nuclear engineering, me lo immaginavo polveroso e stantio, invece si tratta di una nuovissima edizione finita di stampare nel 2008 e completamente rivista e corretta dagli autori alla luce degli enormi passi in avanti in conoscenza e tecnologia avvenuti negli ultimi anni. Sulla strada di ritorno al mio laboratorio, apro il libro in una pagina a caso e lo sguardo mi cade su una foto a colori, che pensate un po', è un ciclotrone prodotto da GE, grande come una cella frigorifera e utilizzato in molti ospedali per la produzione di radioisotopi. La cosa interessante è che il primo centro italiano di GE per la produzione di questi radiofarmaci è stato proprio il nostro ciclotrone e che ancora continua ad essere centro di riferimento italiano anche grazie al supporto tecnico e scientifico offerto dalla nostra unità.

Altro fatto degno di nota si è verificato proprio ieri mattina: uno dei nostri campioni di nanoparticelle di biossido di titanio, radiomarcate con vanadio 48, è partito alla volta di Monaco in Germania dove verrà utilizzato in un esperimento di assimilazione in una linea cellulare e un susseguente studio di tossicità. L'ossido di titanio è la sostanza a cui si deve il colore bianco brillante delle creme solari ad altissima protezione, usate dai bambini e anche dai surfisti. Le industrie cosmetiche si stanno orientando a sostituire o aggiungere ai loro prodotti del TiO2 anche in forma di nanoparticelle, ma nessuno ancora al mondo sa dire con certezza, se queste possono avere degli effetti indesiderati sulla salute umana.

L'oro e le altre amenità

Un post per riassumere una settimana di lavoro e non solo. Cominciamo dall'oro, quel metallo giallo e tanto desiderato dalle creature umane specie quelle di sesso femminile. Mercoledì abbiamo in parte realizzato il sogno degli antichi alchimisti: ovvero creare l'oro dal piombo. Noi ci siamo limitati a trasformare dell'oro comune in oro radioattivo e la cosa, apparentemente semplice, ci è riuscita solo al terzo tentativo. Nel primo non siamo riusciti a cavare nemmeno un ragnetto dal buco: niente di niente. Nel secondo siamo riusciti a creare mercurio dall'oro (!) e anche il terzo sembrava essere cominciato con una brutta piega. Infatti pochi minuti dopo aver iniziato a spare il fascio di protoni contro la soluzione contenente oro, la pressione all'interno della capsula bersaglio ha cominciato a salire. Questo è normale, in genere, perché l'interazione con le particelle provoca un riscaldamento della soluzione e conseguentemente un innalzamento della sua pressione. La cosa strana è che la pressione non scendeva nemmeno dopo aver interrotto l'irraggiamento. Fatto sta che abbiamo dovuto lavorare mantendo la pressione della capsula sempre vicina, anche troppo, a quella di rottura e interrotto l'irraggiamente dopo nemmeno un'ora.

Ci aspettavamo il terzo insuccesso di fila, invece quando abbiamo aperto la capsula, con sommo stupore, abbiamo individuato subito la presenza di quell'isotopo radioattivo dell'oro che stavamo cercando. Per farlo abbiamo eseguito una spettroscopia gamma: ovvero abbiamo piazzato la soluzione sopra un rivelatore al germanio e osservato quali radiazioni emettesse. Questa tipologia di radiazioni prende il nome di raggi gamma - fotoni di altissima energia - emessi dal nucleo dell'atomo quando si rilassa in una posizione più comoda dopo essere stato eccitato.

L'aspetto interessante è che l'energia di questi raggi gamma è caratteristica di un ben preciso nucleo, ovvero non ci sono due nuclei differenti che emettono raggi gamma con la stessa energia. È chiaro allora che se il nostro rivelatore è in grado di misurare in modo sufficientemente accurato e preciso l'energia dei raggi gamma emessi, è possibile risalire a quali radioisotopi sono presenti nel campione. Fondamentale è avere una tabella con tutte le energie emesse da tutti gli isotopi, che fortunamente, ora esiste in un fantastico sito web che vi raccomando.

Altro evento interessante della mia settimana è stata la presa di confidenza con Access, l'applicativo per database di casa Microsoft. Dopo anni di lontananza dal sistema operativo con la finestra e i suoi applicativi, sono ripiombato indietro nel tempo e mi ritrovo a doverlo usare. Volendo, come mio solito, trarre il massimo da ogni cosa, visto che non avevo mai avuto nessuna esperienza pregressa con Access, ho deciso di costruire la base dati contenti tutti i componenti elettronici in uso nella mia unità proprio con questo strumento.

Nel passato avevo già utilizzato Database, e ne avevo persino creato uno tutto mio, il (poco) famoso TotoDB, ma questa era la mia prima volta con il mostro di Bill Gates. Devo dire che dopo una prima fase di completo disorientamente, ho cominciato a intravedere qualche punto fermo, e ieri pomeriggio, con l'aiuto di Giulio, abbiamo anche aggiunto le prime funzionalità aggiuntive programmando in Visual Basic for Applications. Dopo anni di programmazione avanzata in C++ è stato come tornare all'asilo, ma la cosa ci ha comunque richiesto parecchie ore prima di vedere la fine.

Avrei altre cose da dirvi, tipo il mio stupore quando ho visto che il Premio Nobel per la fisica è stato assegnato a tre praticoni come me, e quello ancora più grande quando ho visto assegnato quello per la pace al presidente americano. Ma questa è un'altra storia che vi racconterò un altro giorno...

Io lodo, tu lodi, egli loda: essi esultano

L'atmosfera è quella che precede un calcio di rigore nella finale di coppa del mondo. Lo stadio è tutto un fermento, una metà aspetta in silenzio il concretizzarsi del loro sogno bisbigliando preghiere a bassa voce, mentre l'altra metà lancia fischi di paura che sembrano squarciare il cielo. Il pallone è posizionato con cura, la rincorsa è breve, ma il tiro è secco, deciso senza ripensamenti. Il pallone gonfia la rete alle spalle del portiere sconfitto e la folla esulta, grida, si abbraccia: la consulta ha detto no, basta lodo, basta ingiustizie, l'Italia è ancora una democrazia! Manca solo che qualcuno gridi: crocifiggilo!, o a piazzale Loreto! per richiamare scene ancora più tristi. Sale ancora l'urlo degli sconfitti: avete imbrogliato! Noi andiamo avanti, non è ancora finita la partita.

Non è mia intenzione impegolarmi in un dibattito politico che non saprei gestire e forse nemmeno capire fino in fondo. Volevo solo riportare l'atmosfera che si respirava e si continua a farlo nella blogosfera intorno alla decisione della consulta di bocciare il famigerato lodo Alfano. Finalmente non ci saranno più ingiustizie! Finalmente avremo una giustizia giusta, veloce, che manda in prigione i cattivi e assicura ai buoni una vita tranquilla. Finalmente quel dittatore non avrà più privilegi e sarà trattato come tutti. Forse, finalmente, metà degli italiani si renderà conto di quanto sono stati cretini a metterlo al governo.

La mia domanda è: ma abbiamo veramente vinto?

Ma quanto è ricco questo uranio?

Mi è venuto in mente di scrivervi di questo argomento dopo che nelle ultime settimane l'arricchimento dell'Uranio è diventato argomento di discussione comune, come le previsioni del tempo e le ultime affermazioni di Mourinho. Come al solito è mia intenzione darvi una descrizione del problema fondata su una basa squisitamente scientifica senza però utilizzare troppo linguaggio tecnico e incomprensibile. Prima di parlare di uranio arricchito e del perché è così importante e allo stesso tempo temuto, facciamo un po' di chiarezza.

Cos'è l'Uranio?

L'uranio è l'elemento chimico con 92 protoni nel nucleo e altrettanti elettroni che gli girano attorno. In condizioni normali, si prensenta in forma solida e di colore grigio metallico come potete ammirare nella foto qui a fianco.

Da notare l'elevata densità dell'elemento, circa il doppio di quella del piombo e 19 volte più denso dell'acqua. Questo significa che se una bottiglia da un litro d'acqua pesa un chilogrammo, lo stesso peso in uranio lo si ottiene riempiendo un bicchierino da grappa.

Nella crosta terrestre circa 3 parti ogni milione sono costitutite da uranio. Potrebbe sembrarvi un numero piccolo, ma se lo confrontate con l'argento che è 40 volte meno abbondante, vi rendete subito conto di quanto l'uranio sia particolarmente diffuso.

In natura esistono tre differenti isotopi dell'uranio: 234, 235 e 238. Questi numeri identificano il numero totale di protoni e neutroni nel nucleo. Il numero dei primi infatti definisce il tipo di elemento (92 per l'Uranio) mentre il secondo contribuisce alla stabilità del nucleo stesso. In genere quando un nucleo ha troppi neutroni, tenderà a perderli, mentre quando ne ha troppo pochi cercherà di prenderli o comunque di cambiare la configurazione protoni / neutroni per cercare la massima stabilità. Se prendo un campione di uranio da una miniera, questo sarà formato al 99.3% da uranio 238, ovvero quello formato da 92 protoni e 146 neutroni. Solo lo 0.7% circa del campione sarà uranio 235 e piccolissime tracce saranno di U-234.

Ma l'uranio è radioattivo?

Sì tutti e tre gli isotopi naturali dell'uranio sono radioattivi, ovvero emettono delle radiazioni e cambiano il loro stato e hanno una vita media lunghissima. Per esempio l'U-238 ha un tempo di dimezzamento di 4.5 miliardi di anni: il che significa che se prendo un kilogrammo di uranio (il nostro grappino all'uranio per intenderci) e aspetto 4.5 giga anni, nel bicchiere ci sarà solo 1/2 chilo di uranio e il resto sarà diventato qualcosa d'altro. Che cosa di preciso è difficile dirlo, infatti, l'U-238 decade principalmente in Th-234 che però a sua volta decade dopo pochi giorni in proattinio-234 e così via sulla scala dei decadimenti riportata nella bella figura qui a destra. La catena dei decadimenti si arresta definitivamente, dopo 15 scalini, quando si raggiunge l'isotopo 206 del piombo che è stabile, ovvero non radioattivo.

È radioattivo, quindi pericoloso. È per questo che tutti ne hanno paura?

Mi si permetta di spezzare una lancia a favore del povero uranio. Si è radioattivo, ma questo non significa che sia pericolo, anzi è decisamente molto meno pericoloso di parecchi altri elementi radioattivi. Innanzitutto perché decade emettendo una particella alfa che ha uno scarsissimo potere penetrante. Questo significa che se non lo si inala o ingerisce e si evita di toccarlo a mani nude, allora è completamente innocuo. Però nella sua catena di decadimenti ci sono anche modi un po' più pericolosi di cui è meglio stare alla larga, ma in definitiva non è poi così cattivo come lo si dipinge. La paura dell'uranio è più che altro psicologica e ne entreremo nel dettaglio nei prossimi paragrafi.

Ma quanto è ricco questo uranio?

Torniamo alla domanda iniziale che ha scatenato anche tutte le altre. L'uranio-238, quello più comune per intenderci, non è particolarmente prezioso perché non può essere utilizzato negli impianti nucleari. Quello buono è l'uranio-235 che purtroppo, anzi per fortuna, è presente solo nello 0.7% della disponibilità. Quindi possiamo dire che l'uranio naturale è ricco allo 0.7% e necessita di un processo di arricchimento in modo da far aumentare la percentuale di 235 rispetto al 238.

Aspetta, però. Com'è questa storia dell'uranio buono e quello cattivo?

In una domanda precedente, vi avevo detto che l'uranio decade diventando torio emettendo una particella alfa, ma questa non è la fine della storia. Infatti essendo un nucleo molto grosso (ben 238 condomini nella stessa abitazione!) tende a spaccarsi letteralmente in due in un processo noto come fissione spontanea. Fissione significa appunto divisione del nucleo in due parti dette nuclei figli e un certo qual numero di neutroni. Attenti però perché prima della parola fine, ci sono anche i titoli di coda: ovvero la fissione indotta, che si differenza da quella spontanea per il fatto che la spaccatura avviene se il nucleo subisce un urto con una particella esterna, per esempio un neutrone. Se prendo un atomo di uranio-238 e lo bombardo con neutroni molto energetici (si dicono veloci), allora questo si spaccherà in due parti ed emetterà altri neutroni che però saranno troppo lenti per spaccare altri atomi e contiuare la reazione. Per dirla in parole molto povere è come se per tener acceso il motore della macchina, dovessi sempre tenere girata la chiave, oppure sempre tener acceso l'accendino per mantenere vivo il fuoco nel caminetto. Si capisce subito che questo carburante fatto solo da U-238 ha qualcosa che non va.

La situazione è ben diversa con l'U-235, infatti, questo si spacca molto facilmente e anche, anzi meglio, con neutroni lenti. In questo modo, una volta che la reazione è partita continuerà ad autosostenersi fin tanto che tutto l'uranio sarà esaurito.

Ma quindi il combustibile nucleare è fatto solo da uranio-235?

In realtà no, ne basta una percentuale relativamente piccola per innescare e mantenere la reazione a catena. La percentuale minima si aggira intorno al 6%, ovvero 10 volte superiore a quella presente in natura, ma questo numero può variare di parecchio a seconda della disposizione geometrica e dalla presenza di altri elementi. In definitiva possiamo dire che un arricchimento al 20% dovrebbe essere sufficiente per qualunque tipo di reattore nucleare per la produzione di energia.

Ma allora perché tutti hanno paura dell'arricchimento in Iran?

I timori degli occidentali verso il nucleare Iraniano è che non sia per scopi civili, di ricerca o per produzione di energia. Ovviamente si teme che gli scopi degli impianti di arricchimento siano militari in particolare per la produzione di ordigni atomici. In questo caso però, un arricchimento al 20% sarebbe troppo basso! La regola è che per una bomba, più alto è l'arricchimento, maggiore sarà la sua potenza deflagrante. Se dal punto di visto militare più alto è l'arricchimento meglio è, dal punto di vista civile la situazione è ben diversa. Al fine di poter controllare la combustione nucleare, questa deve procedere piuttosto lentamente perché sia sempre possibile interromperla e spremere al massimo tutto il combustibile.


L'arricchimento dell'uranio avviene attraverso tecniche di ultracentrifugazione. Ma questo non è l'unico modo per produrre combustibile nucleare.


E il plutonio?

Ovvero quelle barrette verdi luminiscenti che maneggia Homer Simpson nella centrale di Springfield. L'isotopo 239 del plutonio è un ottimo combustibile nucleare, nel senso che come l'U-235 può sostenere una reazione a catena. Il Pu-239 viene generato a partire dall'uranio 238 (quello comune e disponibile in grandi quantità). Il processo è molto semplice: si prende U-238 e lo si espone a neutroni piuttosto lenti in modo da favorirne la cattura anziché la fissione indotta. Il risultato è che l'U-238 diventa U-239 che però è instabile e decade abbastanza velocemente diventando Neptunio 239 e questo a sua volta decade finalmente nel desiderato plutonio.


La produzione di plutonio è decisamente molto efficace se si ha a disposizione un reattore nucleare già in funzione, perché tutti i neutroni in eccesso generati nella reazione primaria possono essere inviati su barre di uranio naturale (non arricchito) per produrre nuovo combustibile. In realtà i reattori per produzione di energia sono poco adatti a questo genere di processo, ma particolari reattori da ricerca, detti breeder, sono in grado di produrre altissime quantità di plutonio a partire dal comunissimo uranio.


E' ovvio che se un Paese volesse cominciare a sviluppare una sua tecnologia nucleare, dovrebbe innanzitutto partire da piccoli reattori di ricerca, quindi arricchire uranio e poi, volendo, anche prodursi ottimo combustibile a basso costo partendo da uranio non arricchito.



Ma con il plutonio si possono fare anche le bombe?



Purtroppo sì! Delle uniche due bombe atomiche mai usate in guerra (Hiroshima e Nagasaki), la seconda fu realizzata con plutonio.




E con l'uranio impoverito?



Se ne esiste uno arricchito, ne deve esistere anche uno impoverito... Adesso dovrebbe esservi immediatamente chiaro di cosa si parla: uranio in cui la percentuale di 235 è stata notevolmente ridotta. Questo materiale potrebbe essere utilizzato nella manifattura del plutonio, oppure, ancora una volta, nella produzione di armi. L'enorme densità dell'uranio lo rende ideale per costruire proiettili che riescono a penetrare parecchio in profondità anche gli strati di roccia più dura. L'uso di uranio impoverito per applicazioni belliche è controverso perché, anche se il livello di radiazione emessa è inferiore a quello dell'uranio naturale, non sono ancora chiari gli effetti a lungo termine.


Dopo questa lunga discussione, che spero non abbiate trovato troppo noiosa, credo vi sarete fatti un'idea del ruolo che gioca l'uranio e in generale i combustibili nucleari nell'economia mondiale e nei rapporti tra Paesi.

Ma facebook si è rotto?

Ho sentito tanti lamentarsi delle prestazioni, decisamente scarse, del social network per antonomasia, ma oggi le ho toccate con mano. Dopo un'intera giornata in cui gli aggiornamenti dai miei virtual-amici mi arrivavano e poi misteriosamente sparivano, questo è quello che mi è apperso questa sera al login:

Ovvero, mi dovrei cercare qualche nuovo amico perché gli oltre 400 che popolano il mio profilo sul faccia libro sono così pigri da non fare assolutamente nulla. Vista la situazione, vi avviso tramite blog che domani prevedo una domenica tranquilla con il solito tran-tran. Poi visto che l'Inter ha vinto contro l'Udinese, anche calcisticamente sarà una domenica normalissima.