Energia nucleare: impieghi, radioattività e funzionamento del reattore

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Introduzione 
 I fabbisogni crescenti di energia a livello globale e i problemi ambientali, 
dovuti all’utilizzo indiscriminato di combustibili fossili, rendono necessari 
l’introduzione e l’utilizzo di fonti alternative di energia. In questo contesto, 
accanto alle energie rinnovabili, anche l’energia nucleare assume un ruolo di 
notevole importanza determinato da numerosi progressi tecnologici e 
applicazioni di rilievo.  
Questo elaborato si propone di fornire un’introduzione ai concetti, alle 
applicazioni, ai sistemi e alla situazione dell’energia nucleare in Italia e nel 
mondo, passando attraverso l’analisi dei costi, degli incidenti, della sicurezza e 
della radioattività. 
 In ingegneria con energia nucleare, detta anche energia atomica, si 
intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a 
trasformazioni nei nuclei atomici; tali trasformazioni si dicono reazioni nucleari. 
L’energia nucleare deriva da profonde modifiche della struttura della materia e 
insieme alle fonti rinnovabili e fossili è una fonte di energia primaria, ovvero è 
presente in natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia. 
Ampio è il dibattito intorno all’energia nucleare sul fronte della sicurezza, sul 
rischio proliferazione, sui costi, sulla indispensabilità di tale fonte energetica in 
relazione alle altre fonti energetiche e sul problema energetico globale. A livello 
internazionale l’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica (AIEA) delle 
Nazioni Unite, con sede a Vienna, si occupa di promuovere l’utilizzo pacifico 
dell’energia nucleare e di impedirne l’utilizzo per scopi militari; ha inoltre 
funzionalità di sorveglianza e controllo sulla sicurezza degli impianti nucleari 
esistenti o in fase di progettazione e realizzazione. 
 Il primo impiego dell’energia nucleare risale al 2 dicembre 1942, durante 
la seconda guerra mondiale, quando Enrico Fermi mise a punto negli USA la 
prima pila nucleare funzionante; solo nella seconda metà del secolo scorso si 
prese l’iniziativa di sfruttare l’energia nucleare a fini civili, per la produzione di 
energia elettrica.
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CAPITOLO 1 
Concetti di base 
 
 
1.1.Fisica atomica e nucleare 
 Gli elementi esistenti in natura sono costituiti da atomi, a loro volta 
formati da un nucleo centrale che ne contiene tutta la massa. Il nucleo è 
costituito da neutroni e protoni, i quali vengono detti nucleoni e hanno 
sostanzialmente massa identica. I protoni sono particelle cariche di elettricità 
positiva, mentre i neutroni sono elettricamente neutri. Attorno al nucleo 
gravitano gli elettroni dotati di carica negativa e con massa trascurabile 
rispetto al nucleo. Si definisce nuclide una specie atomica caratterizzata da una 
ben determinata composizione del nucleo. Ogni nuclide è rappresentato dal 
simbolo dell’elemento accompagnato da due indici posti a destra: uno in alto 
che indica il numero di massa (A), ossia il numero totale di nucleoni nel nucleo, 
ed uno in basso che rappresenta il numero atomico (Z), il quale designa il 
numero totale di protoni nel nucleo e quindi di elettroni nel caso di atomi neutri. 
Vale A = N + Z. Due nuclidi aventi lo stesso Z, ma diverso A vengono detti 
isotopi. 
 
Particella Simbolo Massa Carica elettrica 
Elettrone e
- 
9,109∙10
-28 
g -1,602∙10
-19
 C 
Protone p
+ 
1,672∙10
-24 
g 1,602∙10
-19
 C 
Neutrone n 1,674∙10
-24 
g 0 
Tabella 1. Caratteristiche delle particelle atomiche.
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Le reazioni che coinvolgono l’energia nucleare sono principalmente tre: 
fissione nucleare, fusione nucleare, decadimento radioattivo. Nelle prime due vi 
è conversione di massa in energia. 
 
1.1.1Il neutrone 
 
1.1.1.1.La scoperta del neutrone 
 Nel 1930, nel corso di alcune ricerche sulle reazioni nucleari, Bothe e 
Becker trovarono che il Berillio colpito da particelle alfa dava luogo ad una 
radiazione molto penetrante. Escluso che si trattasse di particelle cariche alfa o 
beta la loro conclusione fu di trovarsi di fronte a raggi gamma, ipotesi sbagliata 
se si esaminava la traiettoria alla camera di Wilson. 
Partendo da questi presupposti Chadwick immaginò che la radiazione 
penetrante fosse costituita da una nuova particella materiale dotata di massa e 
priva di carica elettrica, per giustificarne il potere penetrante: così l’identikit del 
neutrone. 
 
1.1.1.2.Caratteristiche del neutrone 
 Oltre ad una funzione fondamentale nei processi di fissione, il neutrone 
rappresenta un proiettile ideale per le reazioni nucleari grazie all’assenza di 
carica elettrica.  
I neutroni si possono estrarre a fasci di grandissima intensità 
direttamente dai reattori nucleari oppure si possono ottenere come prodotto di 
reazioni nucleari che vengono effettuate mediante particelle alfa; la sorgente 
più comune è il radioberillio. 
Per quanto riguarda la rivelazione dei neutroni, essa non può essere 
effettuata con il metodo tradizionale alla camera di Wilson (scatola a tenuta 
ermetica che contiene aria satura di vapore acqueo collegata, mediante un 
condotto, ad un cilindro entro il quale scorre un pistone), poiché la mancanza di 
carica elettrica non consente il formarsi delle tracce ionizzate e quindi non è 
possibile determinare la natura del neutrone. Si hanno perciò essenzialmente
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due metodi indiretti di rivelazione, uno basato sull’urto e uno sulla 
disintegrazione, nei quali il neutrone provoca la ionizzazione di altre particelle. 
I neutroni inoltre, mancando di carica elettrica, non possono essere 
accelerati a volontà. Occorre quindi prendere neutroni di energia superiore al 
richiesto e rallentarli secondo le esigenze, con metodi di moderazione 
sfruttando degli opportuni schermi i cui nuclei vengono urtati dai neutroni che 
cedono loro energia secondo le leggi dell’urto elastico; quando la velocità o 
energia del neutrone diventa pari a quella dell’ambiente che lo circonda il 
neutrone viene detto termico. 
Sempre per la mancanza di carica elettrica, i neutroni possono giungere 
indisturbati anche dentro il nucleo degli elementi più pesanti senza risentire 
della barriera elettrostatica. Quando questo si verifica i neutroni trasformano il 
nucleo in un isotopo generalmente radioattivo. 
Infine un ultimo elemento molto importante nelle reazioni nucleari è la 
sezione d’urto definita come la probabilità che si verifichi una determinata 
reazione. 
 
1.1.2.Fissione nucleare 
 Dal 1934 al 1939, prima Fermi e successivamente Hahn e Strassmann, 
constatarono dopo numerosi esperimenti che l’uranio colpito da un neutrone 
lento si spaccava in due frazioni di numero atomico circa uguale. Il fenomeno 
prese il nome di fissione, la quale può quindi essere definita come un particolare 
tipo di reazione nucleare che avviene solo su nuclei pesanti (con alto numero 
atomico), causata da un neutrone o da un quanto gamma che provocano la 
separazione del nucleo stesso in due frammenti principali aventi numero 
atomico minore più alcune particelle, generalmente neutroni, con liberazione di 
una certa quantità di energia; la somma delle masse dei due frammenti e dei 
neutroni emessi è leggermente minore di quella originaria, infatti la massa 
mancante si è trasformata in energia per la legge di conservazione. 
In generale per produrre la fissione è necessaria una certa energia di attivazione 
che serve a raggiungere la configurazione critica al di là della quale si ha la
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formazione di frammenti e l’efficacia nell’impiego  dei neutroni dipende dal 
valore assunto dalla sezione d’urto e dalla velocità del neutrone incidente: 
solitamente a basse velocità vi è un aumento della sezione d’urto e di 
conseguenza una maggiore probabilità di fissione. 
A lato (fig. 1) è rappresentato un 
esempio di schema di fissione. 
Nella prima fase un nucleo di       
U-235 viene bombardato da un 
neutrone e avviene la fissione che 
spezza il nucleo in due atomi e 
libera tre neutroni e dell'energia.  
Nel secondo passaggio uno di 
questi neutroni è assorbito da un 
altro nucleo di U-238 ed è perso 
nel bilancio; un secondo neutrone 
può fuggire dal sistema o essere 
assorbito da un elemento che non 
continua la reazione; il terzo 
neutrone viene assorbito da un 
nucleo di U-235 che si spezza in 
altri due atomi liberando così due 
neutroni e dell'energia.     
Nella terza ed ultima fase i due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di 
U-235 ed ognuno di questi nuclei libera altri neutroni che servono per 
continuare la reazione. 
Dunque un elemento di particolare importanza della fissione sta nel fatto 
che essa dà origine alla rigenerazione di neutroni in grado di provocare altre 
fissioni: si ha cioè quella che si definisce reazione a catena. In questo contesto 
è utile definire il fattore di moltiplicazione effettivo K come il rapporto tra i 
neutroni presenti in una generazione e i neutroni della generazione precedente: 
se K>1 (sistema divergente) si ha una reazione a catena in cui il numero di 
Figura 1. Schema di fissione nucleare.
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fissioni aumenta esponenzialmente, se K<1 (sistema convergente) il numero di 
neutroni assorbiti scende e la reazione è destinata a spegnersi e infine se 
K=1(sistema critico) si ottiene una reazione stabile in grado di autoalimentarsi 
dove il numero dei neutroni presenti nel sistema non varia. 
I nuclei che possono dare origine al processo di fissione vengono 
chiamati fissili. I principali isotopi fissili, ossia fissionabili ad opera di neutroni, 
sono  U-233, U-235, Pu-239, Pu-241, mentre gli isotopi fertili, i quali subiscono 
fissione solo per opera di neutroni veloci, sono U-238 e Th-232. 
 
1.1.3.Fusione nucleare 
 Un procedimento per ottenere energia dall’atomo è la fusione nucleare. 
Essa è esattamente l’opposto della fissione, infatti nel processo di fusione i 
nuclei di due o più atomi leggeri (ossia con basso numero atomico come ad 
esempio il deuterio D-2 e il trizio T-3, entrambi isotopi dell’idrogeno H-1) si 
fondono dando origine a nuclei più pesanti; in questo tipo di reazione il nuovo 
nucleo costituito ed il neutrone liberato hanno una massa totale minore della 
somma delle masse dei nuclei reagenti, con conseguente liberazione di 
un’elevata quantità di energia, principalmente cinetica, la quale a parità di peso 
è molto superiore all’energia liberata dalla fissione. Dal momento che i nuclei 
possiedono carica positiva, si respingono tra loro, perciò affinchè la fusione 
avvenga è necessario farli avvicinare ad elevata velocità per vincere la forza di 
repulsione coulombiana e fare in modo che fondano tra di loro: più le 
temperature sono alte (centinaia di milioni di gradi), maggiore è la velocità dei 
nuclei e dunque la probabilità di superare la repulsione. 
 La fusione nucleare, nei processi terrestri, è utilizzata in forma 
incontrollata per le bombe ad idrogeno e in forma controllata nei reattori a 
fusione termonucleare, ancora in fase di sperimentazione. 
Molte reazioni di fusione sono possibili nel sole e nelle stelle e solo alcune 
possono essere impiegate per la produzione di energia elettrica sulla terra.
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Il processo più studiato per scopi pacifici è la 
reazione deuterio–trizio (fig. 2) che può 
avvenire alle temperature più basse e quindi 
è più facilmente riproducibile in laboratorio, 
grazie anche alle maggiori sezioni d’urto. Lo 
schema rappresenta una combinazione di un 
nucleo di D-2 con uno di T-3 i cui prodotti 
sono He-4, un neutrone libero e dell’energia 
sviluppata. 
 
 
Il risultato del raggiungimento dell’elevatissima temperatura di innesco, 
per far sì che avvenga la fusione, è la vaporizzazione e la ionizzazione di 
qualsiasi materiale che assume proprietà molto diverse dai gas ordinari: in 
queste condizioni la materia è allo stato di plasma, ossia un gas ionizzato 
contenente tutti gli elettroni che gravitano attorno ai nuclei. L’elevata 
temperatura permette inoltre di avere un sufficiente rendimento nella reazione. 
Un altro problema sul quale stanno studiando ricercatori di tutto il 
mondo è il confinamento del plasma in una certa regione dello spazio: spesso si 
ricorre al confinamento magnetico che non è altro che il contenimento del 
plasma mediante un campo magnetico sfruttando il fatto che le sue particelle 
essendo cariche risentono del’influenza dei campi magnetici; si realizza una 
specie di guaina magnetica che circonda il plasma e ne impedisce la fuoriuscita. 
Un effetto analogo lo si ha utilizzando la tecnica del confinamento inerziale 
nella quale il combustibile viene compresso all’ignizione tramite un 
bombardamento di fotoni o particelle. 
 
1.2.Il ciclo del combustibile nucleare 
 Con il termine ciclo del combustibile si intendono l’insieme di tutte le 
trasformazioni del materiale combustibile prima, durante e dopo l’impiego 
all’interno del reattore.  
Figura 2. Fusione nucleare.