Tutti ricordano quello che accadde il 26 Aprile 1986, anche coloro che non erano ancora nati, come il sottoscritto. Quel giorno, infatti, il mondo si trovò faccia a faccia con uno dei peggiori disastri che potessero accadere: l’esplosione di un reattore nucleare nella centrale di Chernobyl.
Nel corso degli anni molti documentari hanno contribuito a far luce sugli eventi e sulle cause che portarono al disastro e, proprio in questi giorni, sta andando in onda una serie TV relativa a tale incidente. Quello che si propone in questa serie di articoli è una semplice spiegazione della fisica alla base di una centrale nucleare.
Struttura del nucleo atomico
Il nucleo di un atomo è costituito da protoni, dotati di carica elettrica positiva e neutroni, di carica elettrica nulla.
Queste particelle vengono globalmente dette nucleoni. Semplici esperimenti di elettrostatica ci mostrano però che due cariche elettriche dello stesso tipo si respingono.
Come è possibile, quindi, l’esistenza di nuclei stabili, almeno per un certo periodo?
Fortunatamente per noi, l’interazione elettrica non è l’unica interazione presente nel nucleo. Infatti, a fare da “collante” tra i nucleoni è la forza nucleare, la cui azione si estende su raggi dell’ordine di 10-15 m, ovvero le tipiche dimensioni di un nucleo: in pratica, nella vita di tutti i giorni, noi non la sperimentiamo direttamente.
[di Fastfisison, da Wikipedia]
La fissione nucleare
Al nucleo di ogni elemento è associata una certa energia di legame, misurata in MeV (leggasi “Mega elettronVolt”).
Questa è solitamente suddivisa tra i vari nucleoni che compongono il nucleo, in modo da poter definire un’energia (media) di legame per nucleone.
Questa, a partire dal ferro e spostandosi verso elementi più pesanti, diminuisce a causa della maggiore repulsione elettrica: in pratica, maggiore è il numero di nucleoni nel nucleo, minore sarà la forza con cui questi sono tenuti insieme.
Ecco allora che, se riusciamo a “rompere” un nucleo pesante per ottenerne di più leggeri – con energia di legame per nucleone maggiore – otteniamo un rilascio di energia e neutroni.
Questa è la fissione nucleare.
Visto che io potrei mentirvi, ma la matematica no, facciamo un piccolo conto.
A cosa pensate se vi dico “centrale nucleare”?
Le risposte penso siano tre: Chernobyl, Homer Simpson o uranio.
Bene, consideriamo la terza risposta.
Prendiamo un nucleo di 238Uranio (92 protoni + 146 neutroni):
Energia di legame per nucleone: – 7.6 MeV
Energia 238Uranio: 238 × – 7.6≈ – 1809 MeV
Supponiamo che questo nucleo si divida in due nuclei, ognuno con 119 nucleoni.
Energia di legame per nucleone: – 8.5 MeV
Energia finale nuclei: 2 × 119 × – 8.5 ≈ – 2023 MeV
Calcolando la differenza di energia tra stato finale e iniziale si ha ∆E= – 214 MeV.
Poiché l’energia si conserva (cioè ΔE = 0), vuol dire che nello stato finale vi è un rilascio di energia di 214 MeV, la maggior parte della quale è energia cinetica dei nuclei prodotti, mentre la restante parte sono raggi γ e, nel caso più generale, energia dei neutroni emessi.
Visto che Madre Natura non mi ha dotato del dono della sintesi, ci vediamo alla prossima puntata.
Stay tuned!
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Andrea Marangoni
Laureato in Fisica, sto terminando la laurea magistrale in Fisica ad indirizzo teorico presso l’Università degli Studi di Padova. Appassionato di scienza fin da bambino, tifoso della Juventus, nel tempo libero mi piace dedicarmi all’attività fisica. “I’m just a mad man in a box”.
Fonti:
- Krane K.S., Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons, 1988
- https://www.nationalgeographic.com/culture/topics/reference/chernobyl-disaster/
