IL NUCLEARE - 'Le principali applicazioni del nucleare'

TESI: Il nucleare non solo come mezzo di distruzione di massa ma anche come

strumento diagnostico, terapeutico ed industriale

La questione del nucleare e soprattutto il problema della produzione di energia nucleare è uno dei tanti dilemmi che affligge l'umanità da molti anni.

E' indispensabile per il pianeta Terra trovare al più presto un'energia alternativa rinnovabile prima che le risorse naturali si esauriscano.

L'inizio dello sfruttamento dell'energia nucleare per la produzione di energia risale agli anni 50 del XX secolo.

Di decennio in decennio si è andata affermando come una promettente forma di energia alternativa alle fonti energetiche non rinnovabili, soprattutto grazie alla sua convenienza economica. Poi in seguito a storici incidenti come quello di Cernobyl, la crescita dei reattori nucleari ha subito un rallentamento.

Oggi solo il 17% di energia elettrica è di origine nucleare, una percentuale bassissima se si tiene conto che l'altro 83% viene fornito da fonti energetiche non rinnovabili.

Molti paesi non hanno aderito alla produzione di energia nucleare; in Italia per esempio, non si produce energia nucleare dal 1987; data del referendum popolare che ha bocciato questa alternativa.

Produzione di energia nucleare nel mondo

Energia nucleare: produzione

Fonte: United States Energy Information Administration (EIA)

I pro e i contro sono alla base della questione del nucleare.

PRO:

• La quantità di energia che si può ricavare da un nucleo atomico, è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene da qualunque reazione chimica (e quindi anche dalla combustione).
• la produzione di energia nucleare non comporta l'emissione di gas nocivi quali anidride carbonica, ossidi di zolfo e di azoto che sono contenuti principalmente nei combustibili fossili (petrolio, carbone...etc), che sono i principali responsabili di fenomeni negativi quali le piogge acide e l'effetto serra.
• l'alto rendimento del combustibile nucleare rispetto a quello fossile comporta anche vantaggiosi risparmi di spazio, sia in fase di trasporto che nella dimensione degli impianti.
• il costo di produzione dell'energia nucleare è in assoluto il più basso di tutte le fonti di energia, rinnovabili e non rinnovabili.

Ma a tanti vantaggi corrispondono altrettanti svantaggi.

SVANTAGGI:

• Tra gli inconvenienti dello sfruttamento dell'energia nucleare vi è l'elevato livello di radioattività che è presente in tutte le fasi del processo produttivo, dalla reazione di fissione allo smaltimento dei rifiuti.

Tutta questa radioattività impone una serie di rigorosissime misure di controllo e

protezione nelle diverse fasi di produzione.

Inoltre bisogna tener conto, anche se i sistemi di sicurezza e controllo sono sempre più affidabili, che c'è sempre il rischio di gravi incidenti come quello di Cernobyl.

Una delle questioni più delicate riguardanti la produzione di energia nucleare è quella poi dell'immagazzinamento a lungo termine delle scorie. Per scorie radioattive si intende tutto il complesso dei materiali entrati in qualche misura nel processo di produzione dell'energia nucleare, già radioattivi in origine o contaminati successivamente. Questi materiali rimangono radioattivi per tempi lunghissimi, dell'ordine di milioni di anni, il che impone che vengano stipati in siti geologicamente stabili, e protetti da strutture capaci di schermare tutti i tipi di radiazione. La quantità di scorie prodotte non è eccessiva. Le attuali tecniche di smaltimento delle scorie prevedono un primo trattamento chimico o meccanico di riduzione del volume e un successivo stoccaggio in contenitori di acciaio inox, all'interno di cavità sotterranee. I ricercatori stanno vagliando altre possibilità, quali l'eliminazione delle scorie mediante invio nello spazio. I siti geologici più adatti ad accogliere materiali radioattivi potrebbero essere formazioni granitiche molto compatte o formazioni argillose a permeabilità molto bassa. I ricercatori stanno vagliando altre possibilità, quali l'eliminazione delle scorie mediante invio nello spazio (su un'orbita solare) o il riciclo del materiale radioattivo più pericoloso, mediante irraggiamento con neutroni e produzione di materiale fissile riutilizzabile

Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici. L'energia nucleare è data dalla fissione o dalla fusione del nucleo di un atomo. La prima persona che intuì la possibilità di ricavare energia dal nucleo dell'atomo fu lo scienziato Albert Einstein, che dimostrò attraverso questa legge fisica E = m . C² che la materia può trasformarsi in ener­gia Da essa si ricava che la quantità di energia prodotta (E) è uguale alla massa di materia trasformata (m) moltiplicata per una costante (C² ) che corrisponde al quadrato della velocità della luce (300.000 km/s)². Con un calcolo puramente aritmetico si può constatare come, anche con un valore di massa (m) molto picco­lo, moltiplicato però per un numero molto grande (C²), si può ricavare una quantità di energia elevatissima Per ricavare energia dal nucleo dell'atomo esistono due procedimenti opposti: fissione e fusione.

FISSIONE:

Nelle reazioni di fissione, il nucleo di un atomo con alto numero atomico(pesanti) come, ad esempio l'uranio, si scinde producendo nuclei con numero atomico minore, sviluppando grandi quantità di energia. Uno degli elementi fissili più comuni è l'Uranio 235, il cui nucleo contiene 235 particelle tra protoni e neutroni. Nei campioni di Uranio naturale la percentuale di nuclei di Uranio 235, è molto bassa e la probabilità che si sviluppi spontaneamente una reazione di fissione è ridottissima. Può accadere che l'urto di un neutrone provochi la fissione di un nucleo di uranio. La reazione sviluppa energia e provoca l'emissione di 2 o 3 neutroni liberi. Tali neutroni si disperdono e non instaurano alcune reazioni a catena. L'Uranio usato nei reattori nucleari viene appositamente arricchito di Uranio 235. I neutroni emessi in ogni reazione di fissione hanno quindi probabilità maggiore di colpire un altro nucleo di Uranio 235 provocandone le fissione. La reazione a catena si sostiene quando ogni fissione ne innesca almeno un'altra. In un reattore la velocità della reazione è controllata e l'energia sprigionata viene convertita in energia elettrica. Se in media ogni fissione ne provoca più di una, si innesca una reazione a catena incontrollata; come conseguenza si sviluppa un'enorme quantità di energia in tempi brevissimi dando luogo a un'esplosione.

FUSIONE:

Nelle reazioni di fusione, atomi con nuclei con basso numero atomico, come l'idrogeno, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia.
In natura le reazioni di fusione le troviamo per esempio nel Sole e nelle stelle. L'energia irradiata dal Sole è sprigionata dalle reazioni di fusione tra nuclei di idrogeno che avvengono all'interno del suo nucleo. Finora, malgrado decenni di sforzi da parte dei ricercatori di tutto il mondo, non è ancora stato possibile realizzare, in modo stabile, reazioni di fusione controllata sul nostro pianeta, anche se è in sviluppo il progetto ITER, un progetto che darà vita alla prima centrale nucleare a fusione del mondo.

Le centrali a fusione nucleare produrrebbero, come principale tipo di scoria, elio 4 che è un gas inerte e assolutamente non radioattivo

inoltre non userebbero sistemi a combustione e quindi non inquinerebbero l'atmosfera (di fatto non avrebbero emissioni di pericolosità rilevante).

In più dovrebbero essere in grado di ottenere grandi quantità di energia, anche superiori rispetto alle centrali a fissione odierne.

SVANTAGGI:

La fusione richiede temperature di lavoro elevatissime, tanto elevate da non poter essere contenuta in nessun materiale esistente.

La prima unità di misura introdotta per esprimere l'attività di una sostanza radioattiva fu il Curie (Ci), che misura quanto è attivo in assoluto un oggetto. In realtà il problema è complesso, ma tanto per capirci un microcurie non crea problemi, un millicurie (mCi) va trattato con rispetto, e una sorgente di un Curie può fare seriamente male.

Per quantificare la dose di radiazioni necessaria a produrre effetti visibili sulla materia, si misura l'energia assorbita per unità di massa; l'unità di misura del Sistema Internazionale di questa grandezza è il Gray (Gr), definito come l'energia di un Joule assorbito da 1 Kg di massa: 1Gr = 1 J/Kg.

Nel caso specifico della dose di radiazione necessaria per produrre effetti biologici significativi si usa invece il Sievert (Sv), dato dalla dose in Gray moltiplicata per un opportuno fattore di qualità.  Un millisievert in tempi brevi è una cosa che è meglio evitare, ma che non crea minimamente problemi .
Un  millisievert all'anno è la dose che un milanese assorbe per il fondo di radioattività naturale.
Il massimo ammesso per un lavoratore esposto (Es. Uno che lavora in una centrale) è 6 millisievert all'anno. Quattro sievert  hanno ottime probabilità di mandare al creatore la persona che li assorbe nel giro di qualche settimana. Gli effetti delle radiazioni prodotte, per esempio in seguito a un'esplosione nucleare, sono disastrosi. Le radiazioni prodotte da un radioisotopo possono danneggiare le cellule viventi e quindi gli organismi viventi. I danni possono essere di due tipi: a carico del soggetto esposto alle radiazioni e a carico anche dei suoi discendenti. L'esposizione alle radiazioni può causare l'alterazione di composti organici, proteine, enzimi, acidi nucleici; i tessuti più esposti agli effetti delle radiazioni sono quelli a più rapido sviluppo come quelli del midollo osseo e del feto. Per quello che riguarda gli effetti generatrici, cioè a carico dei Fig.3 discendenti, le radiazioni possono alterare i cromosomi, per cui le cellule figlie non sono più uguali alle cellule madri: i figli delle persone molto esposte alle radiazioni possono nascere handicappati.

Fig.3 "Vittime delle radiazioni"

Le bombe nucleari rilasciano radiazioni penetranti che possono causare seri danni a breve e lungo termine alle persone sopravvissute alla fase esplosiva. La foto si riferisce agli effetti della bomba atomica di Nagasaki, sganciata il 9 agosto 1945.

26 Aprile 1986   

Chernobyl era ( l'hanno chiusa recentemente) una   centrale nucleare che generava 4000Mw elettrici. Fu costruita nell' '83. Il 26 Aprile del 1986 si stava facendo una prova tecnica, per vedere il comportamento di un sistema di sicurezza in condizioni critiche. Si erano quindi esclusi per vari motivi i sistemi sia di spegnimento automatico che di raffreddamento di emergenza del nocciolo (la parte centrale del reattore nucleare), e si era portato il reattore a funzionare a una potenza molto inferiore di quella di targa, condizione in cui il nocciolo diventa instabile. Nel caso specifico, instabile vuol dire che, in caso di una fluttuazione di potenza, la reazione a catena tende a salire in modo incontrollato.
In Europa occidentale e in America è vietatissimo produrre reattori che abbiano una zona di funzionamento di questo tipo. Quel giorno il reattore è arrivato, nel giro di 20 secondi, a 100 volte la sua potenza nominale.
La temperatura all'interno si è quindi alzata notevolmente l'acqua di raffreddamento ha iniziato a bollire e ha alzato la pressione interna. L'esplosione è stata violentissima. Si è creata una colonna di fumo che ha trasportato in aria tonnellate di frammenti radioattivi. Il 15% è ricaduto sulla centrale, il 50% nella "Zona rossa" intorno alla centrale stessa, e il resto è stato trasportato dalle correnti.
Il grosso della nube radioattiva è passato sul nord Europa, ed è poi sceso sull'Europa centrale e meridionale.   Gli effetti disastrosi prodotti dalle radiazioni sull'uomo sono ancora registrabili a distanza ormai di 20 anni.

Altri incidenti simili a quelli di Chernobyl sono quelli che si sono verificati nel 1999 a Tokaimura in Giappone e a Three Mile Island nel 1979.

Le armi nucleari sfruttano la fissione di nuclei pesanti o la fusione di nuclei leggeri per produrre un'esplosione. Visto che le reazioni nucleari sono molto più energetiche di quelle chimiche, a parità di massa un ordigno di questo tipo, con poche decine o centinaia di chilogrammi di esplosivo, libera un'energia che può essere pari a quella liberata da diverse tonnellate di tritolo. In generale i materiali usati come esplosivi nucleari sono Uranio fortemente arricchito o Plutonio per le bombe a fissione, a cui vengono aggiunti Deuterio e Trizio per quelle a fusione. L'energia di un'esplosione si ripartisce in tre modi diversi.
Per il 15% circa va in radiazioni: vengono liberati sia raggi gamma che neutroni, che irraggiano le zone circostanti.
Il 50% circa forma un'onda d'urto che si espande a una velocità che all'inizio è molto superiore a quella del suono. Sul suo fronte si genera un fortissimo sbalzo di pressione, che danneggia meccanicamente cose e persone. Il restante va invece in un'onda di calore, che si propaga più lentamente, vaporizzando i materiali più vicini all'epicentro dell'esplosione e incendiando quelli più lontani.   Il materiale che è stato fatto reagire, dopo l'esplosione, è formato da un gran numero di elementi, la maggior parte del quali radioattivi. Questi (se l'esplosione è avvenuta nell'atmosfera) sono stati liberati nell'ambiente, e si depositano a terra, in modo variabile a seconda del vento e di una serie di fattori. Esistono svariati tipi di armi nucleari, per impieghi diversi.
Le armi a fissione, tipo quella di Hiroshima, sono state le prime ad essere costruite.    Altre invece sfruttano anche la fusione e possono liberare un'energia ancora maggiore rispetto alle prime.
Questi due tipi sono generalmente considerate armi strategiche. Le testate tattiche, invece, sono pensate per essere utilizzate in battaglia. hanno un potere esplosivo minore, ma emettono un quantitativo di neutroni molto più alto del normale, per arrestare in tempi brevi truppe ed equipaggi di mezzi corazzati.
Alcune di queste possono avere dimensioni molto ridotte, ed essere sparate da un cannone di medio calibro. Una diffusione indiscriminata delle armi nucleari, potrebbe essere, come si può facilmente immaginare, un grosso problema.
Costruire una bomba atomica non è facile, e richiede capacità industriali notevoli per trattare il materiale fissile, che si ottiene o arricchendo uranio ad altissime percentuali (oltre l'80%), o separando per via chimica il plutonio da combustibile materiale utilizzato in una centrale nucleare. Un volta ottenuto il materiale, bisogna assemblare la bomba secondo determinati criteri. Al momento le  potenze nucleari dichiarate sono  otto: Usa, Russia, Cina, Francia, Gran Bretagna, India, Pakistan e Israele. A queste si affiancano  Sudafrica, Iran, Iraq e Corea del Nord, che si pensa abbiano un certo numero di testate, o che sicuramente hanno intrapreso dei programmi nucleari per fabbricarle.

Esiste una grossa branca della medicina che si occupa dell'utilizzo di radiazioni e di sostanze radioattive per fini diagnostici e terapeutici. Le applicazioni diagnostiche più diffuse sono le radiografie, la Tac, la scintigrafia e la Pet.
Le applicazioni terapeutiche sono utilizzate soprattutto nella cura dei tumori: le più note sono la radioterapia  e l'adroterapia.
I metodi diagnostici che utilizzano radiazioni sono generalmente utilizzati perché permettono di ricostruire immagini molto buone di parti interne del corpo, senza fare praticamente danni al paziente.   Rispetto a molti altri tipi di esami (spesso abbastanza invasivi) danno migliori risultati creando un disagio minimo.
Le terapie che utilizzano radiazioni per la cura dei tumori sono in generale utilizzate perchè le radiazioni, potendo essere concentrate in zone abbastanza piccole,  permettono di distruggere le cellule malate con una notevole precisione, permettendo di ridurre le masse tumorali in modo spesso efficace e riducendo l'impatto degli interventi chirurgici.
L'impatto di queste pratiche sull'organismo è di solito molto basso.
Le radiografie comportano per un paziente una dose che, di solito, è nell'ordine di un millisievert, altri esami  comportano dosi che vanno dai 3-4 millisievert per una Tac, ai circa 10-20 per una Pet o per una scintigrafia. Sono dosi che potrebbero essere considerate abbastanza alte, se confrontate con quelle ricevute dai lavoratori in campo nucleare, ma, considerando che vengono spesso date a persone che necessitano di una diagnosi, eventuali danni sono ampiamente controbilanciati dai benefici. In radioterapia si danno dosi di parecchi Sievert (o decine di sievert) ad alcune zone del corpo.
Queste dosi, che sarebbero mortali se date a tutto il corpo, date in una piccola zona interessata da un tumore servono ucciderne le cellule.  
Mentre un tempo le radioterapie erano molto pesanti per il pazienti, visto che difficilmente si riusciva a evitare di dare dosi elevate anche alla pelle e agli organi intorno al tumore da distruggere,  al giorno d'oggi si riesce a sagomare la zona da distruggere molto bene, tanto che l'invasività di queste terapie è, in pratica, molto bassa.  
La probabilità di provocare tumori con l'irraggiamento, in questo caso, è di qualche punto percentuale, ma bisogna considerare che queste terapie vengono somministrate e persone che hanno già un tumore, che non hanno alte probabilità di sopravvivenza senza radioterapia e che resteranno sempre sotto controllo, una volta guariti, per diagnosticare sul nascere eventuali altri tumori.

Le radiazioni nucleari hanno un'enorme quantità di applicazioni nella produzione industriale.
Vengono usate spesso per rendere sterili prodotti medicali e alimentari, per uccidere eventuali parassiti dei cereali, per conservare più a lungo i cibi o per trattare rifiuti che potrebbero essere inquinati da batteri. In moltissimi casi si usano radiazioni per sintetizzare prodotti chimici che richiederebbero altrimenti trattamenti lunghi, costosi ed estremamente inquinanti.
Il trattamento con radiazioni è in generale, molto più "pulito" ed efficiente dei processi chimici che potrebbero ottenere gli stessi risultati.   Contrariamente a quanto si ritiene di solito, gli articoli trattati con radiazioni non diventano radioattivi.
Le dosi impiegate vanno dalle poche migliaia di sievert per il trattamento dei cibi ai 25-45 mila sievert per la sterilizzazione dei prodotti medicali ai milioni di sievert per la sintesi chimica.
Ricordando che quattro sievert bastano di solito ad uccidere un uomo si capisce che le dosi impiegate sono enormi, rispetto a quelle impiegate normalmente per altri usi. Il problema sta nel fatto che, per sterilizzare, si deve essere sicuri di uccidere tutti i microrganismi, che, essendo molto semplici, sono molto resistenti alle radiazioni.
In media, se bastano 4 sievert per avere il 50 % di probabilità di uccidere un uomo, ne servono circa 1000 per avere la stessa probabilità di uccidere un batterio. 
Per sterilizzare un oggetto si deve essere sicuri a meno di una probabilità su un milione che non ci sia nessun batterio o virus attivo nel materiale.
Se si devono cambiare le caratteristiche del materiale, cosa che capita se si vuole fare sintesi chimica con radiazioni, servono dosi enormi, che danno reazioni che possono essere impressionanti. Con qualche centinaio di migliaia sievert si può curvare il metallo, vulcanizzare la gomma, brunire il vetro, smontare la struttura della  plastica.
Per dare dosi così alte al materiale servono sorgenti estremamente attive.
Sorgenti enormi, se confrontate con i millicurie (o microcurie) usati per la diagnostica e per le misure nucleari, e con le decine di curie usate in radioterapia. Ovviamente, dovendo dare dosi grosse in tempi brevi, servono sorgenti molto attive.
Le sorgenti sono di solito costituite da "matite" in cui si mettono il cobalto e il cesio, sigillati in acciaio inossidabile. Installazioni di sorgenti come queste richiedono grossi impianti, e notevoli misure di sicurezza, visto che un uomo che resta esposto alla sorgente morirebbe in pochi secondi. Per ovviare a questi problemi si installano spesso acceleratori di elettroni, che danno dosi notevoli quando sono accesi, e che sono del tutto innocui quando sono spenti.
La maggioranza degli impianti moderni si sta avviando in questa direzione, visto che richiede meno costi per la sicurezza, e procedure burocratiche più veloci per le autorizzazioni. 

La pagina conclusiva del romanzo "La coscienza di Zeno" contiene una sconvolgente riflessione di Zeno sulla vita della Terra e sulla catastrofe apocalittica a cui sembra destinata, per l'inquinamento che la minaccia e per la follia sempre latente nell'uomo d'oggi.

<< Quando i gas velenosi non basteranno più, un uomo, chiuso in una stanza di questo mondo, inventerà un ordigno esplosivo incomparabilmente più potente di quelli esistenti, e un altro uomo ruberà tale esplosivo e lo porrà al centro della Terra, nel punto ove il suo effetto potrà essere il massimo. Ci sarà un'esplosione enorme che nessuno udrà e la Terra ritornata alla forma di nebulosa errerà nei cieli priva di parassiti e di malattie.>>

Da: L'ultimo capitolo de "La coscienza di Zeno"

Nel 1923 dunque Svevo prevedeva, con agghiacciante chiaroveggenza, la catastrofe atomica e la fine della vita sul nostro pianeta, resa possibile oggi, dopo la distruzione di Hiroshima e Nakasaki e gli esperimenti di Bikini, dalla folle proliferazione delle armi nucleari. Ma il motivo di fondo del romanzo non è soltanto l'intuizione della conseguente catastrofe cosmica, ma anche la coscienza acquisita, attraverso lo scavo interiore, della precarietà della condizione umana, della solitudine e dell'angoscia esistenziale conseguente alla crisi dei valori della civiltà romantica e positivistica. Questa coscienza dà il titolo al romanzo e a mano a mano che si chiarisce, spinge Zeno ad assumere di fronte alla realtà un atteggiamento divertito ed ironico, proprio di chi l'accetta nella sua verità e inesorabilità, senza nutrire più nessuna illusione di salvezza.

  

https://www.peacelink.it/webgate/ecologia/msg00301.html

https://www.wikipedia.it

Enciclopedia multimediale "Microsoft Encarta 2006"

C.Rubbia, "Il dilemma nucleare",1987

M.Rippa, "Fondamenti di chimica",2000

Cristoforo Attalienti "Nuovo sprint finale"- L'italiano per l'ultimo anno