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Fukushima, Černobyl’ e le altre

Aggiornato il 19 Marzo 2011

Il terremoto in Giappone mi ha molto colpita, come ha colpito tutti noi, suppongo. Il terremoto resta qualcosa di terrificante per l’uomo: improvviso, assolutamente imprevedibile, devastante, ci toglie una delle sicurezze più radicate in noi, quella nella solidità della terra che calpestiamo ogni giorno.
Comunque, non è del terremoto in sé che voglio parlare, ma dell’incidente nucleare che ne è conseguito. L’incidente a Fukushima è destinato a cambiare molte cose, la rinascita del programma nucleare italiano in primis: la gente ha di nuovo paura, come venticinque anni fa – e io Černobyl’ me lo ricordo molto bene – e questa paura condizionerà le nostre politiche future.
Ora, come sempre quando si parla di fisica, le informazioni che i media fanno circolare circa quel che sta succedendo o – speriamo decisamente di no – potrebbe accadere a Fukushima sono una mescolanza di cose vere, panzane, informazioni corrette e titoloni ad effetto. Tipo che sabato mattina leggo da qualche parte che il reattore di Fukushima sta andando incontro ad una fusione nucleare. Sì, come no. Per cui, nulla, ho pensato che avreste potuto apprezzare un po’ di informazioni al riguardo.
Cominciamo con alcune nozioni di base preliminari: la materia è fatta di atomi. Gli atomi, a loro volta, hanno un nucleo intorno al quale orbitano degli elettroni. Il nucleo, a sua volta, è formato da due tipi di particelle: neutroni e protoni. Tutto ciò che ci sta intorno, e noi compresi, ovviamente, è fatto di atomi. La differenza tra, che so, il ferro e l’aria sta nel numero di elettroni e protoni negli atomi.
Detto questo, passiamo alle fusioni e alle fissioni, e sul perché ci sia una bella differenza tra le due.
In condizioni di densità e temperature molto alte, può succedere che gli atomi possano fondersi tra loro, formando altri elementi. Il caso tipico è quello che abbiamo letteralmente sotto gli occhi tutti i giorni: il sole. Ebbene sì, quando guardate il sole, state osservando una fusione nucleare. Gli atomi di idrogeno di cui è composto il sole (nell’idrogeno c’è un protone e un elettrone) urtandosi a volte si fondono a formare un nucleo di elio (due protoni e due elettroni), producendo energia.
La fissione è il processo inverso: un atomo, bombardato da neutroni di data velocità, si può spezzare in due, producendo energia. Come vedete, c’è una bella differenza.
Le centrali nucleari utilizzano la seconda reazione, non la prima. Il motivo è presto spiegato: per ottenere una fusione, come già detto, ci vuole materia ad alta densità e alta temperatura (stiamo parlando di milioni di gradi), tutte cose che in linea teorica si possono ottenere, ma con un dispendio di energia enorme, superiore all’energia prodotta dalla reazione di fusione. È come giocare ad una lotteria il cui biglietto costa 100 euro e promette un premio di 50: vale la pena? No, perché anche in caso di vittoria avrai intascato solo la metà di quanto hai speso. Lo stesso accade con le reazioni di fusione. Per inciso, nel sole e nelle stelle in generale a fornire l’energia necessaria a riscaldare la materia è la forza di gravità.
Ma passiamo alle centrali nucleari. Come funzionano? Come un bollitore. Il principio è semplicissimo: qualcosa – ora vedremo cosa – scalda l’acqua, che diventa vapore e mette in moto delle turbine che a loro volta producono energia elettrica. Tutto qua? Tutto qua. E la fissione? La fissione è il qualcosa che scalda l’acqua. Abbiamo infatti detto che la fissione produce energia: la massa dei due frammenti in cui l’atomo si spezza è un po’ inferiore alla massa dell’atomo di partenza. La differenza si è trasformata in energia, secondo la famosa relazione di Einstein
E = mc2
Ok, fin qui sappiamo che, se bombardiamo un atomo di un certo materiale “adatto” a spezzarsi con un neutrone con una certa velocità, otteniamo energia. Ma l’energia prodotta in sé è piccola, è ovvio che dovremo spaccare un bel po’ di atomi, e ci piacerebbe anche che la reazione andasse avanti da sola, senza che qualcuno produca neutroni da sparare. La natura ci viene incontro: quando l’atomo si spezza, vengono prodotti anche un certo numero di neutroni, i quali, in linea teorica, sono in grado di rompere altri atomi. Però, l’abbiamo detto, devono avere una certa velocità, e essere anche in numero sufficiente. E qui conviene introdurre un parametro, K, che è uguale al numero di neutroni prodotti dalla reazione fratto il numero di neutroni usati per produrre la reazione stessa. Se K<1, il numero di neutroni disponibili a rompere altri atomi diminuisce nel tempo, e la reazione va ad esaurirsi. In questo caso la reazione è subcritica; se K=1, la reazione riesce a sostenersi, ed è stabile: in questo caso è critica; se K>1, allora ad ogni passo vengono rotti più atomi del passo precedente, e la reazione non solo si sostiene, ma aumenta nel tempo: è supercritica.
In un reattore nucleare in linea di massima la reazione deve essere critica o al massimo un pochino supercritica; questo perché vogliamo controllare la reazione, in modo da poter aumentare la potenza, se necessario, o diminuirla. In genere per farlo occorre variare ad esempio il numero di neutroni disponibili per la reazione. Per farlo, si usano le barre di controllo sbarre di materiale che “assorbe” i neutroni che vengono infilate a piacimento nel nocciolo, ossia la parte del reattore nucleare che contiene il materiale fissile.
Ora, primo punto fondamentale: una centrale nucleare non può esplodere tipo Hiroshima. Tutti gli incidenti nucleari che fin qui si sono prodotti, Černobyl’ compreso, non sono stati esplosioni nucleari. Non sto dicendo che i sistemi di sicurezza impediscono ad una centrale nucleare di esplodere come una bomba atomica: sto dicendo che le leggi di natura rendono impossibile una simile evenienza. Il perché è presto spiegato. Il materiale che si usa per le bombe atomiche e per le centrali di nucleari è spesso l’uranio. Ora, dell’uranio esistono diversi isotopi: gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che differiscono per il numero di neutroni nel nucleo. La specie chimica è la stessa, ossia l’Uranio con 238 neutroni è uranio esattamente come quello con 235, ma le proprietà chimiche e fisiche possono essere diverse. L’uranio fissile ossia che può essere usato per le reazioni di fissione, è quello con 235 neutroni (235U). In natura, l’uranio si trova mescolato nei suoi due isotopi, in genere pochissimo 235U e molto 238U.
Ora, in una bomba quel che voglio è che venga rilasciata moltissima energia in un lasso di tempo molto breve: è questo quel che si intende quando si dice esplosione. Nel caso della bomba atomica, voglio che tutti gli atomi si spacchino in brevissimo tempo. La reazione dovrò quindi essere supercritica, e anche parecchio. Per ottenere questo scopo, si deve avere un uranio che sia il più possibile 235U puro. Il materiale fissile per le bombe, dunque, è ad alta concentrazione di 235U.
Nel caso invece di un reattore nucleare, ho interesse a che la mia reazione sia lenta e controllabile; l’uranio usato, dunque, ha un contenuto di materiale fissile molto minore rispetto a quello usato per bombe. Un materiale del genere non può esplodere. Punto.
Ok, va bene tutto, ma gli incidenti nucleari, allora? Perché proprio in queste ore si dice che il reattore di Fukushima potrebbe fondere? Può succedere, per varie ragioni, che la reazione di fissione vada fuori controllo, ossia che si producano troppi neutroni e dunque la reazione aumenti esponenzialmente. Intendiamoci, non è normale che accada: quando succede vuol dire che qualcosa sta andando terribilmente storto. Per capirci, a Černobyl’ ci fu una tremenda catena di errori umani e di progettazione del reattore che portarono alla distruzione dello stesso. A Fukushima, si è rotto il sistema di raffreddamento. E insomma, la reazione può andare fuori controllo. Nel caso peggiore, quel che avviene è che la reazione a catena avanza incontrastata, facendo salire enormemente la temperatura del nocciolo, fino a causarne la fusione. La reazione si è spenta virtù della procedura di SCRAM: le barre di controllo sono scese, hanno assorbito e rallentato i neutroni e la cosa è morta lì. Però c’è un altro fattore da tener presente, ossia il decadimento radioattivo; i nuclei di uranio sono instabili, e naturalmente tendono a perdere neutroni e protoni per trasformarsi in una specie chimica più stabile; nel caso del 238U, prima torio e poi piombo. È questo processo che continua a tenere caldo il nocciolo. Il sistema di refrigerazione serve proprio a raffreddarlo. Se il sistema di refrigerazione non funziona, il nocciolo si scalda sempre più, fino ad arrivare alla situazione limite in cui il materiale di cui è composto fonde. È questa la fusione di cui si parla in queste ore, non è una fusione nucleare, è lo stesso tipo di fusione cui va incontro un pezzo di ferro portato ad alta temperatura. Non sono gli atomi che si fondono, è il materiale che da solido diventa liquido. Questa è una brutta, bruttissima cosa perché in questa eventualità il nocciolo può distruggere le pareti del reattore, che lo confinano, e arrivare a toccare il suolo, contaminando le falde acquifere e il terreno. È quel che accade a Černobyl’: il nocciolo fuse parzialmente, e sta ancora lì. Ma perché è una cosa brutta se il nocciolo tocca il suolo o inquina l’acqua?
Abbiamo detto che durante la fissione gli atomi si rompono. Va da sé che producono una nuova specie chimica. Sono le famose scorie, i rifiuti prodotti dall’energia nucleare. Questi materiali di scarto sono radioattivi, ossia producono radiazioni e particelle che sono dannosissime per la vita. Possono portare alla morte per avvelenamento – alcune delle vittime di Černobyl’ morirono così – e sul lungo periodo provocano il cancro.
In condizioni normali, il nocciolo è ben isolato dall’esterno da un guscio di acciaio e cemento. Peccato che un nocciolo fuso possa bucare questo involucro. Ecco perché la fusione del nocciolo è un evento catastrofico. Per altro, i materiali radioattivi prodotti continuano a produrre radiazioni nocive per moltissimi anni: alcuni per centinaia di anni, ma altri anche decine di migliaia, anche milioni di anni. Questo spiega perché l’area di Černobyl’ è stata completamente evacuata e nessuno è più tornato a viverci.
Ma le esplosioni che ci sono state a Fukushima in questi giorni? Non sono esplosioni nucleari, come abbiamo visto. Semplicemente, quando la reazione diventa incontrollabile, l’acqua del reattore va incontro a reazioni che producono idrogeno gassoso. La pressione sale, proprio come in una pentola che bolle col coperchio. Quando le pressione diventa eccessiva, il coperchio salta. Quel che accadde a Černobyl’, e qualcosa di simile sta accadendo a Fukushima. Il fatto è che esplosioni del genere scaricano nell’aria i materiali radioattivi del nocciolo, causando la contaminazione del suolo e dell’aria.
Insomma, questo è quanto per cercare di capire cosa sta succedendo, e cosa speriamo non accadrà.
Poi, certo, c’è il dibattito sul nucleare. Ma qui si passa dal ramo della scienza a quello delle opinioni; sono tanti i fattori da tener presenti quando si decide di scegliere il nucleare come fonte energetica, e quello della sicurezza è solo uno dei problemi. Un giorno, se vorrete, vi spiegherò la mia posizione al riguardo, che comunque credo sia già nota. Per adesso, limitiamoci a tenere le dita incrociate per Fukushima.

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