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Radiazioni: tra misticismo e realtà

Spesso le parole nucleare o radiazioni ci fanno paura e vengono viste con scetticismo nell’immaginario collettivo. La scienza ci dice tuttavia che sono dei fedeli alleati in molti ambiti. Andiamo a vedere in che modo.

Cos’è una radiazione ionizzante

Benefici delle radiazioni 

Rischi delle radiazioni

Nuove scoperte

Risposta adattativa alle radiazioni 

Conclusioni

Cos’è una radiazione ionizzante

La radiazione ionizzante è un tipo di energia rilasciata dagli atomi che viaggia sotto forma di onde elettromagnetiche (gamma o raggi X) o particelle (neutroni, beta o alfa). La disintegrazione spontanea degli atomi è chiamata radioattività e l’energia in eccesso emessa è una forma di radiazione ionizzante.

Le radiazioni ionizzanti possono essere raggruppate come direttamente ionizzanti o indirettamente ionizzanti.

Qualsiasi particella carica con massa può ionizzare gli atomi direttamente per interazione fondamentale attraverso la forza di Coulomb se trasporta energia cinetica sufficiente. Tali particelle includono nuclei atomici, elettroni, muonipioni carichi, protoni e nuclei carichi energetici privati ​​dei loro elettroni. Quando si muovono a velocità relativistiche (vicino alla velocità della luce) queste particelle hanno energia cinetica sufficiente per essere ionizzanti e danneggiare il DNA.

La radiazione indirettamente ionizzante è elettricamente neutra e non interagisce fortemente con la materia. Quindi, la maggior parte degli effetti di ionizzazione è dovuta alla ionizzazione secondaria, tramite formazione di ROS (Specie Reattive dell’Ossigeno).

Benefici

Grazie alla scoperta delle radiazioni la scienza ha fatto balzi da giganti. Una delle principali applicazioni delle radiazioni è rappresentata dalla diagnostica in ambito medico.

Nel 1895 Wilhelm Conrad Röntgen ha scoperto ed eseguito la prima radiografia della storia, cambiando la medicina in modo radicale. Oggi, infatti,  è indispensabile l’uso delle radiazioni non solo nella diagnosi, ma anche nella cura di molte malattie.

Con la radiografia, ad esempio, risulta possibile lo studio dello scheletro, ma anche dei tessuti molli, sebbene con una proiezione bidimensionale. Con la TC si possono studiare le più disparate lesioni d’organo con delle ricostruzioni tridimensionali. Ancora, sfruttiamo tecniche come la PET che ci permette di valutare il metabolismo delle cellule e quindi di studiare patologie tumorali e infiammatorie.

In ambito non medico le radiazioni hanno svariati utilizzi: dalla Cristallografia a raggi X, che permette di studiare la struttura tridimensionale di ogni molecola a livello atomico, alla sterilizzazione di materiali tramite l’utilizzo di raggi UV o Gamma, a seconda dei vari usi.

Crediti immagine: https://iycr2014.cristallografia.org/

Ancora, è possibile usare le radiazioni di decadimento del Carbonio14 per riuscire a datare l’età di qualunque oggetto. Infatti questo isotopo del Carbonio ha un tempo di dimezzamento 5734 anni, calcolando quanti atomi di esso sono presenti in un oggetto, è possibile definirne la vita.

Rischi

Effetti delle radiazioni sul corpo umano Fonte: concert-h2020.eu

Ma non è tutto oro quel che luccica, infatti ad alte dosi le radiazioni hanno effetti collaterali:

  • Secondo le tabelle dell’Oms, se si viene esposti a 1.000 mSv nell’arco di un’ora si incorre in alterazioni temporanee dell’emoglobina.
  • Quando si sale a 2000-5000 mSv/h si hanno perdita dei capelli, nausea, emorragie, cataratta, danni a: tiroide, midollo osseo, intestino, pelle, organi riproduttivi.
  • Con 4000 mSv/h assorbiti in una settimana si ha la morte nel 50% dei casi, con 6 è morte certa e immediata.

Tuttavia simili livelli di radiazioni sono impossibili da raggiungere in condizioni normali, infatti una radiografia del torace espone a circa 0.7 mSv, mentre una TAC con mezzo di contrasto espone a circa 6-7 mSv.

Livelli di radiazioni in ambito medico – Fonte: UFSP

Nuove scoperte

Attualmente il sistema usato per la radioprotezione si chiama LNT (modello lineare senza soglia) che si basa sostanzialmente sul diminuire le radiazioni alla minima dose necessaria (As Low As Reasonably Achievable). Questo sistema però, si basa non su dati certi ma sulla credenza popolare, dato che quando fu istituito si ignoravano gli effetti delle radiazioni.

Nuovi studi dimostrano come questo concetto limita troppo l’uso delle radiazioni, infatti è stato provato che sotto i 100 mSv all’anno non ci sono effetti collaterali sulla salute, neanche lievi. Anzi, è stato dimostrato da una metanalisi su più di 1 milione di lavoratori a rischio che minime dosi di radiazioni, stimolando i processi di riparazione del DNA, si sono rivelate protettive nei confronti di alcuni tumori solidi.

Differente risposta molecolare ai diversi dosaggi di radiazioni ©Jacopo Burgio

Sempre nello stesso studio hanno analizzato popolazioni che vivono in alcune regioni come Guarapari (Brasile), Kerala (India), Ramsar (Iran) e Yangjiang (Cina), dove la radiazione di fondo naturale (data per lo più dal gas Radon) può raggiungere diverse centinaia di mSv/anno. Inizialmente, i ricercatori si aspettavano di trovare una relazione positiva tra i livelli di radiazioni di fondo e il rischio di malattia. Nella maggior parte di questi studi i ricercatori non hanno riscontrato alcun rischio per la salute, confrontando le popolazioni residenti in aree di radiazioni di fondo di alto livello con quelle residenti in luoghi di radiazioni di fondo di basso livello. Inoltre, diversi studi hanno dimostrato alcune prove che i livelli di radiazione di fondo naturale sono inversamente correlati con la mortalità per cancro.

Risposta adattativa alle radiazioni

Il nostro organismo, tende ad adattarsi ai vari stimoli esterni.

Una radiazione che va a colpire il DNA o che genera ROS, andrà a stimolare tutti quei processi di riparazione del danno cellulare insiti nel nostro genoma. Si va dalla morte programmata della cellula (apoptosi) all’attivazione delle elicasi e nucleotidasi. Esse andranno ad aprire il DNA tagliando la parte danneggiata, per andarla poi a sostituire con un frammento corretto (Riparazione per escissione di base, Riparazione per escissione di nucleotidi, Mismatch repair, ecc.) generato dalla DNA polimerasi.

Quando questo tipo di risposta adattativa alle radiazioni si attiva, un suo leggero eccesso può essere responsabile di un “plus di riparazione”, andando a riparare altre zone del DNA che magari erano danneggiate per altri motivi. Ecco spiegato il meccanismo attraverso cui minime dosi di radiazione sono protettive nei confronti di diversi tumori solidi.

Effetti fisiologici indotti dalle radiazioni ionizzanti ©Jacopo Burgio

Conclusioni

È chiaro che il modello LNT sia ormai obsoleto, e che, in generale, la concezione del nucleare “cattivo” sia sbagliata,come abbiamo analizzato in altri due precedenti articoli. Le radiazioni ed il nucleare ci proferiranno ulteriori soddisfazioni e opportunità se solo noi saremo capaci di vederli come tali senza pregiudizi. 50 anni fa saremmo morti perché la mancanza della TAC avrebbe fatto sfuggire le giuste diagnosi, oggi questo non accade. Dati gli imprevedibili progressi della scienza un domani, magari cureremo molto più facilmente patologie odierne di difficile gestione. Fidiamoci della Scienza!

Quest’oggi noi riscattiamo il mondo dal misticismo e dalla tirannia e lo accompagniamo in un futuro più radioso di quanto lo si possa immaginare.

 

Gabriele Galletta & Roberto Palazzolo

L’ombra di Chernobyl torna a far paura: il reattore si è davvero risvegliato?

La notte del 26 aprile 1986 presso la centrale nucleare di Chernobyl, nell’attuale Ucraina settentrionale, si è verificato quello che ancora oggi, dopo oltre trent’anni, è ritenuto il più disastroso degli incidenti nucleari mai verificatosi al mondo. Ma cosa accadde davvero quella notte? Facciamo un passo indietro.

Come funziona un reattore nucleare?

Un reattore nucleare è un sistema in grado di produrre energia mediante processi di fissione nucleare, cioè la separazione del nucleo di un atomo in due prodotti di fissione. Quando il nucleo di un atomo di grandi dimensioni, come quello dell’uranio, viene scisso in frammenti nucleari radioattivi, si libera un’energia davvero enorme. Essa è dovuta alla rottura dei legami generati nel nucleo da quella che in fisica nucleare viene definita la forza nucleare forte’, in grado, in condizioni di stabilità, di vincere le forze repulsive che si generano tra i protoni, e quindi di tenere unito il nucleo stesso.

 

Fissione nucleare – fonte: ecoage.it 

Bombardando di neutroni il nucleo di un atomo come l’uranio, e provocandone la scissione, vengono liberati ulteriori neutroni, che interverranno nella scissione successiva, e così via, generando una vera e propria reazione a catena.

Tali processi avvengono all’interno del nocciolo di un reattore, detto anche core, strutturato da un certo numero di elementi di combustibile nucleare, tipicamente appunto l’uranio. Per controllare le reazioni nucleari, vengono inoltre inserite nel nocciolo le cosiddette barre di controllo, costituite da materiali come il boro, o la grafite borata, che hanno la funzione di abbassarne la temperatura. Se tali barre vengono inserite nel core, infatti, il sistema è considerato spento. Man mano che vengono estratte invece, le reazioni iniziano a susseguirsi, ed il sistema a scaldarsi e produrre energia. Durante una così delicata dinamica è di vitale importanza raggiungere una condizione di equilibrio: è necessario cioè che il fattore di moltiplicazione, ossia il rapporto tra i neutroni presenti in una generazione di fissioni nucleari e quelli presenti nella successiva, rimanga pari ad 1. Più tale valore aumenta, più aumenterà la reattività.

Un altro parametro fondamentale per garantire la sicurezza dei processi di reazione nucleare è il coefficiente di vuoto, indice pari al rapporto tra il volume della parte di vapore e il volume della miscela di liquido/vapore, presenti nella zona attiva del reattore. Valori positivi indicano un incremento della reattività, viceversa valori negativi ne indicano una diminuzione. In un reattore come quello di Chernobyl, appartenente alla classe dei reattori RBMK, l’acqua non veniva utilizzata come moderatore delle reazioni nucleari (cioè per rallentare il flusso dei neutroni veloci), ma solo come fluido termovettore, in grado cioè di trasportare calore. Il coefficiente di vuoto, nella centrale nucleare di Chernobyl, era quindi essenzialmente un valore positivo.

 

Reattore nucleare – fonte: Wikipedia 

Cosa è successo a Chernobyl il giorno dell’incidente?

Questo fattore di rischio ha notevolmente contribuito all’avvento del terribile incidente, tuttavia il vero problema fu un altro. Durante quello che voleva essere un semplice test per verificare la capacità delle turbine di raffreddare il nocciolo del reattore, l’ingegnere capo Leonid Fëdorovič Toptunov, disinserisce volontariamente il sistema di raffreddamento di emergenza: la potenza del reattore passa dopo poco più di mezz’ora dai 30 MW ai 200MW. Le barre di raffreddamento a grafite vengono inserite solo per un terzo all’interno del nocciolo. Temperatura e pressione salgono alle stelle, saltano i tappi delle condutture di combustibile pesanti 350 kg, e si schiantano poco dopo sulle strutture dell’impianto. Si tenta il reinserimento delle barre di raffreddamento ma la manovra non ha successo: il reattore ormai ha raggiunto una potenza pari a 120 volte quella normale. Si verifica l’esplosione: un mostro di mille tonnellate di combustibile nucleare viene scagliato in aria, rilasciando una quantità incalcolabile di radiazioni nell’atmosfera. Il disastro è ormai avvenuto.

Reattore dopo l’esplosione – fonte: agi.it

Il “risveglio” del reattore

Sono passati ormai più di trent’anni dalla terribile catastrofe, ma l’incubo non sembra essere del tutto passato. E’ di pochi giorni fa infatti la notizia di un possibile risveglio del tristemente famoso reattore numero 4 di Chernobyl, palcoscenico del più grande disastro nucleare della storia. Sembrerebbe infatti che nella stanza 305/2 in cui precipitarono dopo l’esplosione 170 tonnellate di uranio radioattivo, i sensori abbiano rilevato un grande aumento di neutroni, dovuti alla presenza di reazioni nucleari autosostenute.

Le cause certe sono ancora ignote, tuttavia un’ipotesi imputa paradossalmente l’evento all’installazione del nuovo sarcofago, impiantato per confinare in sicurezza i materiali radioattivi. Nel 2016 è stata infatti sostituita la prima struttura, inserita subito dopo l’incidente nel 1986, con un colosso in acciaio, alto 110 metri e pesante ben 36.200 tonnellate. A differenza della prima struttura di confinamento, l’ultima è stata designata per scongiurare le infiltrazioni di acqua piovana all’interno del reattore: l’assenza di acqua tuttavia, potrebbe aver aumentato le probabilità dei neutroni di scontrarsi con l’uranio, generando le reazioni a catena di cui sopra. Dall’impiantazione del nuovo sarcofago, infatti, il numero dei neutroni registrato dai sensori è raddoppiato.

Il rischio non è, sottolinea Anatolii Doroshenko dell’Istituto ucraino per la sicurezza nucleare, così allarmante come quello del 1986; tuttavia è sufficiente a far temere un’esplosione che possa coinvolgere le zone non stabili dell’edificio, rilasciando polvere radioattiva nella struttura.

Il mondo dell’energia nucleare è certamente tanto affascinante quanto terrificante. Come in ogni ambito della scienza, però, la ricerca si evolverà, andrà avanti… e chissà quante altre sorprese ci riserverà in futuro.

 

Giulia Accetta 

Energia sostenibile e Nucleare: cosa deve preoccuparci davvero?

Crediti immagine: Huffpost

Due giorni fa ricorreva il 35° anniversario dell’incidente nucleare avvenuto a Chernobyl.
Nonostante siano passati diversi anni da quest’incidente, la sua risonanza mediatica è ancora enorme.
I dati ufficiali dell’ONU tuttavia riportano un numero di vittime accertate compreso tra le 49 e le 65.

Allora, perché abbiamo questa paura atavica del Nucleare? Perché non lo si conosce abbastanza e l’ignoto, si sa, genera paura.

Ma il nucleare è davvero pericoloso?

Per parlare della pericolosità del nucleare, l’unico modo per affrontare senza pregiudizi la questione è parlare di probabilità e di rischio relativo.

Facendo un esempio, se consideriamo l’aereo, sicuramente è il mezzo più pericoloso in caso di incidente, in quanto raramente ci sono superstiti. Tuttavia, la probabilità che si verifichi un incidente aereo è circa 10 volte inferiore ad un incidente a piedi o in treno, 30 volte inferiore ad un incidente in macchina ed addirittura 300 volte inferiore ad alla probabilità di un incidente in moto.
Traslando l’esempio al mondo energetico, in tutta la storia delle centrali elettriche nucleari si sono verificati solamente due incidenti: quello di Chernobyl e quello di Fukushima. In essi hanno perso la vita rispettivamente circa 54 persone a Chernobyl ed 1 morto e 16 feriti nell’incidente Giapponese.
Di incidenti petroliferi, invece, con enormi disastri ambientali, purtroppo ne abbiamo notizia quasi ogni anno.

In seguito all’incidente di Chernobyl, evento unico nel suo genere, c’è stato un aumento del numero di tumori alla tiroide nelle popolazioni colpite. In termini relativi, si prevede che questo aumento rimanga inferiore allo 0,05% (worst case scenario) dei casi di tumore totali nelle aree coinvolte.

Cosa significa “in termini relativi”? Significa che l’incremento dello 0,05% non è calcolato rispetto alla popolazione totale, ma rispetto all’incidenza della malattia.
Se ad esempio si considera una popolazione di un milione di persone e statisticamente ci si aspetta che il 20% di esse si ammali di tumore nel corso della vita, un aumento relativo dello 0,05% significa che i malati “extra” non saranno 500 (lo 0,05% di un milione), ma solo 100 (lo 0,05% del 20% di un milione).

Nonostante la drammaticità di perdite di vite umane, si tratta quindi di eventi eccezionali, causati nel primo caso da una drammatica sequenza di errori umani, inesperienza ed arretratezza tecnologica; nel secondo caso da un terremoto con Magnitudo 9, circa 5000 volte più energico del terremoto che distrusse L’Aquila.
I morti legati con certezza alle centrali nucleari quindi, secondo le stime ufficiali, si attestano circa ad una sessantina.

Quanti morti causano ogni anno i combustibili fossili?

L’inquinamento dell’aria, causato dai combustibili fossili,  è la quarta causa di morte a livello mondiale.

Parliamo di 5 milioni di morti ogni anno, 9 milioni se inseriamo nell’equazione anche l’inquinamento dei mari e dei fiumi e il riscaldamento globale.
Eppure lo consideriamo più accettabile del nucleare: in nessuna parte del mondo i combustibili fossili, che sono la causa primaria dell’inquinamento atmosferico, vengono combattuti con la stessa ferocia con cui viene combattuta l’energia nucleare.
E ciò ha dell’assurdo, perché proprio l’energia nucleare previene l’immissione in atmosfera di miliardi di tonnellate di gas inquinanti, dunque diminuisce il fattore di rischio dovuto all’inquinamento atmosferico.

Ma non esistono alternative ai combustibili fossili ed al nucleare?

Non bastano le fonti di energia rinnovabile?

Purtroppo no.
Dall’inizio della storia dell’uomo, infatti, non abbiamo fatto altro che aumentare sempre più il consumo energetico, senza mai subire una battuta d’arresto o tornare indietro.

Non è un caso che il boom tecnologico sia iniziato quando abbiamo avuto a disposizione una maggiore quantità di energia. Infatti, se per millenni l’uomo ha sfruttato cavalli o navi a vela per gli spostamenti, con l’invenzione della macchina a vapore e successivamente del motore a scoppio, siamo passati in soli due secoli alla conquista del cielo e perfino dello spazio.

Va da sé che più l’umanità evolverà tecnologicamente, più avrà bisogno di energia.

Le rinnovabili da sole possono far fronte ad una tale richiesta?
Nel 2019 la richiesta energetica italiana è stata pari a 319.622 GWh.
Un pannello solare in silicio policristallino fornisce una potenza di 0.2 kiloWatt (kW) per metro quadro.
Una pala eolica può normalmente erogare una potenza massima di 6000 kW (o, se preferite, 6 MW).
Un reattore nucleare può invece arrivare a 1.6 GW di potenza nominale, il che significa che, per ottenere la stessa potenza nominale di un singolo reattore nucleare, servono circa 250 pale eoliche, o 8 chilometri quadrati di pannelli solari.

Bisogna poi considerare il Capacity Factor, vale a dire il rapporto tra produzione di energia elettrica effettiva “x” fornita da un impianto di potenza durante un periodo di tempo e la fornitura teorica di energia “y” che avrebbe potuto offrire se avesse operato alla piena potenza nominale in modo continuativo nel tempo.

Tenendo in considerazione pure il CF, la quantità di pannelli solari e pale eoliche richieste per un paese come l’Italia ammonta ad un numero elevatissimo: bisognerebbe disboscare per costruire pannelli solari e pale eoliche.

Un reattore nucleare, invece, riesce ad operare ad una potenza stabile nel tempo anche per anni, cosa conveniente se si considerano l’inverno (dove le giornate sono più corte o uggiose) con meno luce solare e i giorni con poco vento.

Per quale motivo dovremmo usare anche il nucleare?

Perché le rinnovabili, purtroppo, da sole non bastano a ridurre il consumo di combustibili fossili. Attualmente, infatti, in Italia l’energia che non ricaviamo dalle rinnovabili la importiamo dalla Francia (che usa il nucleare) o la otteniamo bruciando Gas o Carbone.

La concentrazione in atmosfera di anidride carbonica (CO2) ha superato la soglia delle 415 parti per milioni (ppm) il 15 maggio 2019. È una concentrazione superiore del 48% a quella dell’epoca preindustriale, quando la concentrazione di CO2 in atmosfera era attestata sulle 280 ppm.

Questo aumento enorme dei gas serra, che oltre la CO2 annoverano anche il Metano (CH4) ed altri, porterà ad un aumento di 2 gradi centigradi o più entro il 2050, il che porterà a conseguenze catastrofiche. Sarà difficile l’approvvigionamento di acqua potabile per sempre più persone, si scioglieranno ulteriormente i ghiacciai, moriranno sempre più animali marini.

Si tratta di eventi a cascata che porteranno ad una distruzione dell’ecosistema e della vita per come la consociamo oggi.

Il nucleare può ridurre queste emissioni: basterebbero infatti solo 5 centrali in Italia per essere completamente indipendenti dai combustibili fossili, includendo il contributo delle rinnovabili.

Inoltre, sempre grazie a questa energia, si potrebbe procedere ad una “cattura” della CO2 atmosferica, tentando di invertire l’inesorabile aumento delle temperature terrestri.

Conclusioni

Tutto questo porta ad una conclusione, che per molti sarà contro-intuitiva, ma che nondimeno è vera e statisticamente verificabile: non solo i rischi dell’energia nucleare sono prossimi allo zero (un aumento dello 0,05% della mortalità da tumore moltiplicato per la probabilità infinitesima di un incidente catastrofico), ma se li confrontiamo con i benefici (ovvero il calo del rischio di mortalità dovuto alle emissioni di gas inquinanti e la diminuzione dei gas serra), otteniamo che il nucleare è benefico per il pianeta.
E infatti, secondo uno studio di Scientific American del 2013, l’energia nucleare, dal 1971 ad oggi, ha salvato quasi due milioni di vite.

Riguardo la gestione delle scorie radioattive, argomento che spaventa molti, data la corruzione nella nostra società, fortunatamente la gestione degli impianti nucleari è regolamentata da severissime leggi e controlli internazionali.
Questo bypasserebbe una eventuale inefficienza italiana nella gestione dei rifiuti radioattivi.

Salvare il pianeta dalla distruzione a cui lo stiamo portando è nostro dovere.
Serve dunque meno paura e più spirito critico.
Per vincere la paura è necessaria la conoscenza, per cui cerchiamo sempre di informarci ed essere critici (soprattutto verso i nostri stessi pregiudizi), per rendere il pianeta un luogo in cui sia ancora bello e possibile vivere.

Roberto Palazzolo

Fusione nucleare: le frontiere dell’energia per un mondo sostenibile

Eccoci con l’ultimo articolo della nostra serie sulle energie rinnovabili. Oggi parleremo di una delle, se non della più discussa forma di energia ossia, l’energia nucleare.

Le centrali nucleari sfruttano l’uso di reazioni nucleari che rilasciano energia nucleare per generare calore, che più frequentemente viene utilizzato nelle turbine a vapore per produrre elettricità in una centrale nucleare. L’energia nucleare può essere ottenuta da fissione nucleare, decadimento nucleare e reazioni di fusione nucleare. Attualmente, la stragrande maggioranza dell’elettricità prodotta dall’energia nucleare è prodotta dalla fissione nucleare di uranio e plutonio che però ha evidenti problemi di sicurezza (basti pensare ai disastri di Chernobyl e Fukushima) e relativi allo smaltimento delle scorie radioattive. I processi di decadimento nucleare sono utilizzati in applicazioni di nicchia come i generatori termoelettrici a radioisotopi; usati principalmente nel campo dell’esplorazione spaziale dalle missioni Apollo in poi. La generazione di elettricità dalla potenza di fusione rimane al centro della ricerca internazionale. In quest’articolo parleremo principalmente di quest’ultima.

Generatore termoelettrico a radioisotopi

Fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione che spinge due o più nuclei atomici ad avvicinarsi al punto da unirsi e fondersi (superando la repulsione elettromagnetica), creando uno o più nuclei atomici e particelle subatomiche differenti (neutroni o protoni). La differenza di massa tra i reagenti e i prodotti, se vengono usati elementi fino al numero atomico 28 (nichel), si manifesta come rilascio di energia (reazione esotermica), se invece si usano elementi successivi, si manifesta come assorbimento di energia (reazione endotermica). Questa differenza di massa sorge a causa della differenza di “energia di legame” atomica tra i nuclei atomici prima e dopo la reazione.

La fusione è il processo che alimenta le stelle attive o “sequenza principaleo altre stelle di grande magnitudine. Proprio grazie all’energia irradiata dalle stelle durante il processo di reazione, queste possono brillare di luce propria e impedisce alle stesse di collassare sotto la propria forza di gravità.

Nella fusione nucleare la massa e l’energia sono legate dalla teoria della relatività ristretta di Albert Einstein secondo l’equazione (leggermente famosa): E=mc2

In questo tipo di reazione il nuovo nucleo costituito e 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 energia cinetica dei prodotti della fusione.

Affinché avvenga una fusione, i nuclei devono essere sufficientemente vicini, in modo che la forza nucleare forte predomini sulla repulsione coulombiana (i due nuclei hanno carica elettrica positiva, si respingono): ciò avviene a distanze molto piccole, dell’ordine di qualche femtometro (10−15 metri). L’energia necessaria per superare la repulsione coulombiana può essere fornita ai nuclei portandoli ad altissima pressione (altissima temperatura, circa 10⁷ kelvin, e/o altissima densità).

Schema della fusione che avviene nelle stelle

Si intuisce dunque che la temperatura raggiunta durante la reazione sia paragonabile a quella delle stelle e analogamente  non abbiamo la tecnologia per sopportare tali temperature. Per sopportarle dovremmo spendere più energia di quanta prodotta e quindi il bilancio energetico sarebbe negativo e non converrebbe. Questo bilancio energetico, in passato, veniva calcolato in base al criterio di Lawson. Al giorno d’oggi esiste una rivisitazione in chiave moderna che si basa sul criterio di ignizione.

Nuove frontiere in sperimentazione

In questo momento il reattore più avanzato è ITER che sfrutta una configurazione tokamak per confinare il plasma, cioè le particelle che producono la reazione e quindi il calore, lontano dalle pareti del reattore, per non farle fondere, grazie a un campo magnetico. Tecnologia già vista (ovviamente non a quei livelli), per darvi un esempio, nel reattore Arc di Iron Man (eroe della Marvel).

Reattore Tokamak
Reattore Arc di Iron Man

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fin ora abbiamo parlato della fusione “a caldo”, ma il futuro del nucleare non risiede qui, ma bensì nella tanto curiosa e polemizzata, fusione a freddo.

Fusione a freddo

Il 23 marzo 1989, l‘Università dello Utah, negli Stati Uniti, annunciò i risultati di un esperimento condotto da due professori di elettrochimica, Martin Fleischmann e Stanley Pons. In un dispositivo da tavolo hanno ottenuto reazioni di fusione nucleare tra nuclei deuterio (isotopo pesante dell’idrogeno) a livelli di energia molto bassi e la generazione di energia termica in eccesso inspiegabile senza emissioni di radiazioni potenzialmente pericolose, il che era abbastanza inaspettato.

Cella elettrolitica di Fleischemann e Pons

Il dispositivo era sostanzialmente una cella elettrolitica, ossia un contenitore in vetro riempito con acqua pesante (cioè acqua in cui l’idrogeno è sostituito dal deuterio) in cui erano immersi due elettrodi: facendo passare della corrente attraverso la cella, l’acqua si scomponeva nei suoi costituenti, ossigeno e deuterio. I due scienziati dissero di aver tenuto acceso il loro sole per alcuni giorni, continuando a far circolare la corrente elettrica e rimboccando di tanto in tanto la cella di acqua, e di aver osservato degli occasionali e improvvisi aumenti di temperatura del liquido. Che, spiegarono, non erano imputabili a reazioni chimiche note, ma per l’appunto, a un meccanismo in cui due nuclei di deuterio si fondevano insieme formando un nucleo di elio (l’isotopo 3He), la liberazione di un neutrone e l’emissione di raggi gamma. Quindi una fusione nucleare.

In realtà il livello di energia era enormemente superiore a quello normalmente attribuito a fenomeni esotermici (sia chimici che fisici) prevedibili in quel tipo di esperimento.

Tale esperimento è stato ripetuto con successo alternato in molti laboratori in tutti i paesi del mondo. Fallimenti e mancanza di riproducibilità in vari esperimenti hanno generato un diffuso scetticismo su questo fenomeno, che ha rapidamente sostituito l’eccessivo interesse mostrato immediatamente dalla comunità scientifica.

Confinamento Muonico

Un altro modo per realizzare la fusione a freddo è il confinamento muonico. Il muone è una particella dotata di una massa pari a circa 200 volte quella dell’elettrone e possiede una durata della vita media di circa 2,2 milionesimi di secondo. Tale particella, nel disintegrarsi, converte il 99,5% della sua massa in energia. La prima verifica sperimentale di questo fenomeno fu eseguita nel 1957 da Luis Alvarez a Berkeley, ma verifiche approfondite dimostrarono poi che la quantità di energia prodotta, seppur inconfutabilmente prodotta, era molto piccola, poiché il muone riusciva a catalizzare, al più, una sola reazione prima di disintegrarsi.

Ad oggi, le ricerche sullo sfruttamento delle potenzialità di questa particella nell’intervallo di temperature che va da -260°C a 530°C, ha portato all’interessante risultato di circa duecento fusioni per ogni muone, un valore comunque ancora troppo basso visto che è appena sufficiente a compensare l’energia di alimentazione dello stesso reattore muonico.

Conclusioni

Vent’anni dopo quel primo esperimento di Fleischmann e Pons, tuttavia, la ricerca sulla fusione fredda ha fatto notevoli passi avanti, sia sperimentali che teorici, in modo che questa scienza empirica abbia riacquistato credibilità. Oggi esiste un settore della fisica della materia condensata nucleare, noto come LENR (Low Energy Nuclear Reactions).

Questo tipo di energia è tutt’ora molto discusso e preso di mira dalle varie società scientifiche, ma come abbiamo visto le possibilità sono enormi e ci sarebbe la possibilità di creare una fonte di energia completamente pulita e rinnovabile, senza i rischi, che sappiamo tutt’ora presenti nella fissione nucleare.

Sperando di un giorno di poter raggiungere la perfezione di Tony Stark e di avervi dato una buona panoramica sulle ultime frontiere delle energie rinnovabili questo era l’ultimo articolo della serie.

“L’energia nucleare è inutile in un mondo dove un virus può uccidere un’intera popolazione, lasciandone intatta la ricchezza.” (V per Vendetta)

Gabriele Galletta

Energie rinnovabili #1 – Nuove e vecchie problematiche per un mondo in evoluzione

Il bisogno sempre maggiore di energia tiene in scacco il mondo: pro e contro delle attuali risorse energetiche.

Questo è il primo di una serie di articoli che realizzeremo intorno al tema cruciale delle energie rinnovabili, di cui analizzeremo gli aspetti più curiosi ed innovativi. Ma andiamo con ordine.

Una nazione che non può controllare le sue fonti di energia non può controllare il suo futuro.” (Barack Obama)

Cos’è l’energia?

Dare la definizione operativa di energia non è facile e tutt’oggi non è possibile darne una univoca e che soddisfi tutte le nostre esigenze. Tuttavia una possibile definizione è quella per cui l’energia è la proprietà quantitativa che dev’essere trasferita a un oggetto affinché esso esegua un lavoro.

Analizziamo i vari tipi di energia.

I tipi di energia

Al giorno d’oggi sono state classificate tantissime forme di energia, alcune tra le più importanti sono:

  • energia nucleare;
  • energia meccanica;
  • energia gravitazionale;
  • energia elettromagnetica;
  • energia termica;
  • energia chimica.

Ognuna di queste forme di energia è indispensabile nella nostra vita di tutti i giorni e ne fa parte attivamente.

Ormai siamo abituati ad averle facilmente a disposizione, ma sappiamo anche quanto sta costando produrle sia dal punto di vista ambientale che dal punto di vista geopolitico.

È opportuno distinguere le risorse energetiche in:

  • risorse primarie, adatte all’uso finale senza conversione in un’altra forma;
  • risorse secondarie, dove la forma utilizzabile di energia richiede una sostanziale conversione da una fonte primaria.

Un’altra importante classificazione delle risorse energetiche si basa sul tempo necessario per la loro rigenerazione, e possiamo distinguere:

  • risorse rinnovabili, che sono quelle che recuperano la loro capacità in un tempo significativo per le esigenze umane.
  • risorse non rinnovabili, le quali sono quelle che sono significativamente esaurite dall’uso umano e che non recupereranno il loro potenziale durante la vita umana.

Fonti energetiche

Esistono circa dieci principali fonti di energia diverse che vengono utilizzate nel mondo , ognuna di esse con la sua peculiarità. Mentre ci sono altre fonti che vengono scoperte continuamente, nessuna di esse è sufficientemente sviluppata per soddisfare il fabbisogno mondiale di energia.

Ecco una panoramica di ciascuna delle diverse fonti di energia in uso e qual è il potenziale problema per ognuna di esse:

1. Energia solare:

Pro: attraverso l’uso di pannelli fotovoltaici, è possibile convertire l’energia solare in elettricità.

Contro: questo tipo di energia è che solo alcune aree geografiche del mondo ottengono abbastanza energia diretta dal Sole tale da soddisfare la richiesta di energia. Un altro annoso problema è quello dello smaltimento dei materiali costituenti i pannelli fotovoltaici.

2. Energia eolica:

Pro: la rotazione di opportune pale, causata dall’azione del vento, viene convertita in energia da grandi turbine che attivano un generatore e un convertitore.

Contro: Mentre questa sembrava una soluzione ideale per molti, la realtà dei parchi eolici sta iniziando a rivelare un impatto ecologico imprevisto che potrebbe non renderlo una scelta sostenibile.

3. Energia geotermica:

Pro:alcuni elementi radioattivi (quali Uranio, Torio, ecc), attraverso il loro lento decadimento, producono energia. Questa energia riscalda le rocce nel sottosuolo, che a loro volta riscaldano i bacini idrici presenti nelle zone limitrofe: l’acqua presente in essi evapora, e il vapore prodotto viene raccolto e utilizzato per azionare delle turbine rotanti che azionano un generatore.

Contro: Il più grande svantaggio con l’energia geotermica è che può essere prodotto solo in siti selezionati in tutto il mondo.

4. Energia derivante dall’Idrogeno:

Pro: è uno degli elementi più comuni disponibili sulla terra. L’acqua contiene due terzi di idrogeno e può essere trovata in combinazione con altri elementi. Una volta separato, può essere utilizzato come combustibile. È completamente rinnovabile, può essere prodotto su richiesta (tramite i processi di elettrolisi e reforming) e non lascia emissioni tossiche nell’atmosfera.

Contro: questo sistema ha un basso rendimento energetico e in più per potere effettuare i processi, richiede serbatoi con una pressione elevata (250 bar) che naturalmente comportano problemi sia di sicurezza che di peso e ingombro.

5. Energia prodotta dalle maree e dalle onde marine:

Pro: usa l’aumento e la diminuzione delle maree e il movimento della massa acquosa derivante dalle onde per convertire l’energia cinetica del mare, è rinnovabile e non provoca danni all’atmosfera.

Contro: La generazione di energia attraverso le maree è prevalentemente diffusa nelle zone costiere, necessita di enormi investimenti e la disponibilità di siti è piuttosto limitata. La produzione di energia delle onde può danneggiare l’ecosistema marino e può anche essere fonte di disturbo per le navi private e commerciali. 

6. Energia idroelettrica:

Pro: il 16% dell’elettricità prodotta oggi nel mondo arriva da questa fonte. Grossi bacini d’acqua, racchiusi da una diga, forniscono una potenza che viene utilizzata per azionare i generatori in modo da produrre l’elettricità.

Contro: I problemi affrontati con l’energia idroelettrica in questo momento hanno a che fare con l’invecchiamento delle dighe: esse infatti hanno bisogno di importanti lavori di restauro per rimanere funzionali e sicure, e ciò costa enormi somme di denaro. Il drenaggio dell’approvvigionamento di acqua potabile del mondo non è a lungo sostenibile, poiché l’acqua utilizzata per la produzione di energia potrebbe servire per l’utilizzo diretto della popolazione.

7. Energia delle biomasse:

Pro: è prodotta da materiale organico ed è comunemente usata in tutto il mondo. La clorofilla presente nelle piante cattura l’energia del Sole convertendo l’anidride carbonica dall’aria e l’acqua dal terreno in carboidrati attraverso la fotosintesi. Quando le piante vengono bruciate, l’acqua e l’anidride carbonica vengono nuovamente rilasciati nell’atmosfera.

Contro: Questo tipo di energia produce una grande quantità di anidride carbonica nell’atmosfera.

8. Energia nucleare:

Pro:  è una delle principali fonti di energia non rinnovabile disponibile al mondo. L’energia viene creata attraverso una specifica reazione nucleare di fissione, che viene quindi raccolta e utilizzata per generare energia elettrica.

Controrimane un grande argomento di dibattito su quanto sia sicura da usare e se sia davvero efficiente dal punto di vista energetico,date le notevoli quantità di scorie radioattive prodotte, molto difficili da smaltire. Gli scienziati stanno cercando di risolvere i problemi relativi alla sicurezza delle centrali (tutti sappiamo l’impatto ambientale che hanno avuto i disastri delle centrali nucleari di Chernobyl e Fukushima) e allo smaltimento dei rifiuti. Inoltre, i fisici stanno lavorando da anni ad un modo alternativo di sfruttare l’energia nucleare per la produzione di energia elettrica, ovvero tramite la fusione piuttosto che tramite la fissione. La fusione nucleare, però, ha diverse problematiche, che saranno trattare in un prossimo articolo.

9. Combustibili fossili:

Pro: attualmente è la principale fonte di energia del mondo e sfrutta materiali primi come carbone e petrolio. Il petrolio viene convertito in molti prodotti, il più utilizzato dei quali è la benzina.

Contro: Per arrivare al combustibile fossile, però, è purtroppo necessario deturpare in maniera irreversibile l’ambiente. Inoltre, le riserve di combustibili fossili sono in esaurimento.

Numero di reattori nucleari per pease. Fonte : Iaea|Pris
Numero di reattori nucleari per paese. Fonte: Iaea|Pris

Non è facile determinare quale di queste diverse fonti di energia sia meglio utilizzare: tutte hanno i loro punti di forza e le loro criticità. La verità è che sono tutti imperfetti: ciò che deve accadere è uno sforzo concertato per cambiare il modo in cui consumiamo energia e creare un equilibrio tra le fonti da cui attingiamo.

Gabriele Galletta

“Il vertice non si farà”. Troncato il dialogo Trump – Kim

 

“Per il bene di entrambe le parti, ma a svantaggio del mondo, il meeting di Singapore non si svolgerà”. Donald Trump, ha declinato così l’invito nordcoreano per il summit previsto per il 12 giugno.

In una lettera al dittatore Kim Jong-un, resa pubblica dalla Casa Bianca, il presidente USA sembrerebbe rimasto alquanto offeso dalle ultime dichiarazioni del vice ministro degli Esteri di Pyongyang, Choe Son Hui, tanto da mandare in fumo l’atteso incontro di giugno a Singapore.

Alle minacce del vice presidente Usa Mike Pence – il quale aveva avvertito Kim che avrebbe potuto “fare la fine della Libia” e sarebbe stato un grave errore sfidare Trump – la ministra nordcoreana avrebbe risposto con altrettante provocazioni definendo Pence ignorante e stupido e proponendosi di spingere Kim a far saltare il summit.

“Non imploreremo gli Usa per il dialogo, né ci prenderemo il disturbo di persuaderli, se non vogliono sedersi con noi”, aveva concluso.

Eppure di passi avanti sembrava ce ne fossero stati, anche se per molti sembrerebbero far parte dello “show” di facciata della Corea del Nord.

In primis, la liberazione dei tre cittadini americani da mesi prigionieri nei campi di lavoro del regime. Con l’arrivo degli ostaggi in patria, lo stesso Trump aveva sottolineato come Kim in quella vicenda si fosse comportato in maniera eccellente.

E poi, soprattutto, la chiusura del sito nucleare di test nucleari Punggye-ri, avvenuta proprio qualche ora fa. Una cerimonia svoltasi in pompa magna, alla presenza di giornali e tv di tutti i continenti, che rappresenterebbe un punto fermo verso il complesso cammino per denuclearizzare la penisola, il punto focale della discussione tra USA e Corea del Nord.

Il sito dei test nucleari di Punggye-ri è stato distrutto da una serie di cariche esplosive

Un’operazione d’immagine, appunto, come riporta il giornale sudcoreano Daily NK, perché il governo nordcoreano si starebbe adoperando per mettere al riparo le proprie armi nucleari. E’, almeno, quanto sembra suggerire la recente decisione di nominare Chagang – provincia a confine con la Cina – “zona rivoluzionaria speciale del Songun” e, quindi, come zona militare strategica.

Nelle stesse ore in cui si stava smantellando il sito nucleare, dunque, il presidente Trump scriveva

“Lei parla delle vostre capacità nucleari, ma le nostre sono così imponenti e potenti che io prego Dio affinché non debbano mai essere usate”.

Parole che ogni volta che vengono pronunciate fanno riaffiorare sensazioni già assaggiate, vecchie, e che hanno fatto tremare il mondo per mezzo secolo. Scosse che dall’ultimo insediamento alla Casa Bianca, sembrano essere aumentate in frequenza.

Da minaccia a commozione, poi, è un attimo. Si legge nel passaggio successivo della lettera:

 “Sentivo che tra lei e me stava nascendo un dialogo meraviglioso. Un giorno, spero davvero di incontrarla.”

Anche nel tweet di @realdonaldtrump, il presidente sembrerebbe molto triste.

Paradosso dei paradossi, la perdita di possibilità di intaolare una discussione con la Corea del Nord, sarebbe per lo stesso Trump boicottatore, la fine di una grande opportunità per il mondo per una pace duratura.

“Quest’occasione persa è davvero un momento triste nella storia”, conclude il tycoon prima di congedarsi amorevolmente con “Sincerely yours” dal dittatore.

Alla fine dei conti, tutto sembrerebbe sviare l’attenzione dalle vere intenzioni. L’espediente del rendere pubblico, sembrerebbe ad oggi, un’ arma a doppio taglio, un triste paradosso: mostrare per occultare meglio.

Alla fine dei conti, della coerenza neanche l’ombra. Né a Ovest né ad Est.

Martina Galletta