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.