Nel reattore: atomi stabili e instabili

Per comprendere come funziona un reattore nucleare una visita guidata non darebbe affatto soddisfazione. Visitandolo esternamente si ha la sensazione di vedere un involucro che contiene qualcosa, ma non se ne inferisce il funzionamento guardando le classiche forme di una centrale nucleare. Sarebbe come guardare una macchina sportiva e giudicarne le prestazioni a partire dalla scocca e dalla carena, ma sotto c’è ben altro. Per comprendere come funziona forse bisognerebbe smontare il motore per avere idea dei suoi principi di funzionamento, di come avviene la combustione della miscela aria e combustibile, per esempio. Allo stesso modo per conoscere il funzionamento di un reattore nucleare occorrono delle conoscenze circa l’immagazzinamento dell’energia nucleare che i reattori stessi estraggono. Avendo questo tipo di informazioni, è possibile conoscere al meglio dei processi che si diversificano solo per il modo di ottenere lo stesso risultato: cioè energia elettrica pienamente utilizzabile nella rete.

Elementi semplici alla base della materia

La materia esiste sotto forma di elementi racchiusi e classificati nella tavola periodica. Per quanto strano possa essere, tutto ciò che vediamo è fatto di questi elementi combinati e semplici, ovvero allo stato libero. Tra questi l’ossigeno, l’azoto, l’oro. Sono elementi combinati l’anidride carbonica, l’acqua, lo zucchero. Ogni elemento è formato da atomi di un solo tipo, l’atomo è infatti la particella costituente fondamentale di ogni sostanza. E ciascun atomo è composto da un nucleo caricato positivamente, circondato da un numero variabile di elettroni caricati negativamente, secondo il tipo di atomo. Questo schematizzazione finisce laddove non andiamo ad affrontare il discorso inerente le particelle base che formano la materia e che sono l’ultima frazione di essa, praticamente dei quanti di energia. Certo è che il discorso sul fatto che un solo tipo di atomo possa formare diversi elementi è difficile da afferrare, ma è così. E’ un concetto numerico quasi, ed è per questo che la matematica è il linguaggio ufficiale dell’universo, quello con il quale possiamo esprimere le sue forme, anche per quelle più piccole e basilari. I componenti principali dei nuclei atomici sono i protoni, dotati di carica positiva, ed i neutroni, che invece hanno carica neutra.

Nuclei instabili

Le forze di attrazione tra protoni ed elettroni e quelle di repulsione tra protoni sono molto forti, ma le forze che legano il nucleo, dette perciò forze nucleari, sono di gran lunga maggiori. E quando le forze nucleare vengono sopraffatte, il nucleo si spacca e il fenomeno è chiamato fissione nucleare. Nell’interno del nucleo i neutroni agiscono come una “colla” nucleare. Il concetto però non vale quando la quantità di neutroni scende al di sotto di un certo livello e manca la capacità di aderenza per contrastare l’effetto distruttivo dei protoni. È in questo modo che si ha il fenomeno della decadenza. Si tratta di nuclei per natura instabili. Per illustrare questo con un esempio reale, l’uranio è un elemento radioattivo che si trova in varie forme leggermente diverse, chiamate “isotopi”. Ogni isotopo ha 92 protoni, che formano il numero atomico dell’uranio, ma il numero dei neutroni cambia a seconda dei casi. L’uranio 238 si chiama così perché ai 92 protoni assomma 146 neutroni, formando la massa atomica di 238. Con queste proporzioni il nucleo è ragionevolmente stabile, perché contiene materia sufficiente per contenere l’impeto dei protoni. L’uranio 235 è già instabile: è come una miscela di proporzione incredibili pronta ad esplodere.