Avete certamente sentito parlare di bombe nucleari (o atomiche) — un esempio dell'uso militare dell'energia nucleare. Una bomba nucleare è un dispositivo che comporta una reazione a catena incontrollata di materiale fissile. Questo processo è estremamente rapido, quindi l'energia si accumula e la temperatura diventa estremamente alta, raggiungendo decine di milioni di gradi.

Little Boy (Fonte immagine: US National Archives, RG 77-AEC, declassificato nel 1960).

La pressione all'interno del materiale fissile a tale temperatura diventa enorme e il dispositivo esplode. Affinché ciò accada, la bomba deve contenere una massa critica (anche sovra-critica) di materiale fissile. Tuttavia, ciò non significa che tutto il materiale si spacchi. L'esplosione avviene prima che tutti i nuclei di ²³⁵U abbiano la possibilità di subire la fissione — nella bomba sganciata su Hiroshima, per esempio, solo circa il 2% dei nuclei di uranio ha subito la fissione. Era comunque sufficiente a produrre un'enorme distruzione.

Il potere letale di tali bombe solleva importanti questioni etiche riguardanti la ricerca e lo sviluppo di tali armi.

La possibilità che i terroristi possano acquisire e utilizzare armi nucleari è una sfida urgente e potenzialmente catastrofica per la sicurezza globale. Nell'aprile 2010, il Vertice sulla Sicurezza Nucleare a Washington, D.C., si è concentrato sulla minaccia del terrorismo nucleare e i partecipanti hanno raggiunto accordi concreti, come il potenziamento della sicurezza dei materiali nucleari e la riduzione della disponibilità di plutonio e uranio altamente arricchito.

L'energia nucleare può essere utilizzata in dispositivi molto piccoli come le batterie. Nell'esplorazione dei pianeti e dello spazio è necessario disporre di batterie durevoli ed efficienti (in effetti, i cosiddetti pacemaker utilizzati da persone con gravi malattie cardiache sono alimentati anche da tali batterie). Le fonti di energia radioattiva sono state utilizzate per questo scopo dal 1961.

Esistono due tipi di tali fonti di energia:

1) generatori di energia radioisotopici termoionici nei quali il calore nucleare viene utilizzato per creare una differenza di potenziale elettrico tra due elettrodi metallici, e

2) RTG — generatori termoelettrici a radioisotopi nei quali il calore di decadimento di es. ²³⁸Pu (0,56 W/g) viene utilizzato per riscaldare una giunzione semiconductrice di tipo p-n (termocoppia)

Le sonde spaziali Voyager, la missione Galileo su Giove e la missione Cassini su Saturno sono tutte alimentate da RTG. I rover marziani Spirit e Opportunity hanno utilizzato pannelli solari per l'elettricità e RTG per il riscaldamento. Il rover marziano Curiosity utilizza RTG per il riscaldamento e l'elettricità poiché i pannelli solari da soli non sarebbero in grado di fornire abbastanza elettricità.

Piccoli reattori nucleari che utilizzano convertitori termoelettrici o termoionici sono stati costruiti e vengono sviluppati per varie applicazioni nei veicoli spaziali, ad esempio nella loro propulsione.

L'uso di combustibile nucleare in un reattore nucleare comporta una produzione di energia circa 100 milioni (10⁸) di volte maggiore rispetto all'utilizzo di una quantità equivalente di reagenti chimici!

Finora sono stati sviluppati due sistemi di propulsione che impiegano reattori nucleari. Il primo, il cosiddetto sistema di propulsione termica nucleare (in breve NTR per Nuclear Thermal Rockets), consiste nel riscaldare un propellente di idrogeno che viene immagazzinato a basse temperature in forma liquida. Il gas di idrogeno a circa 2500 °C viene poi espulso attraverso un ugello per generare spinta. Il secondo sistema, la propulsione nucleare-elettrica (NEP), consiste nel convertire l'energia nucleare in energia elettrica e poi nell'utilizzare questa energia elettrica per alimentare un apposito dispositivo elettromagnetico che accelera gli ioni a velocità molto elevate. Gli ioni accelerati, passando attraverso un neutralizzatore nell'ugello, producono un getto di atomi neutri che lascia il motore e produce la spinta. Questo tipo di propulsione è stato utilizzato in numerose missioni orbitali, principalmente sovietiche. Certamente, in particolare nelle missioni a lungo termine, la propulsione nucleare è vantaggiosa rispetto a quella chimica.

L'uso dell'energia nucleare nei sottomarini e negli aerei è stato considerato quasi dall'inizio della storia dei reattori nucleari. Il pericolo connesso all'uso di reattori nucleari negli aerei non ha permesso uno sviluppo reale dell'idea né negli aeroplani civili né in quelli militari, anche se l'idea è stata sviluppata, utilizzata ed è ancora in corso di sviluppo nella propulsione di veicoli spaziali. Tuttavia, la propulsione nucleare viene utilizzata con grande successo nelle moderne navi militari e civili.

Il primo sottomarino americano a propulsione nucleare "Nautilus", la cui costruzione è iniziata già nel 1946 ed è stato varato nel 1954, è stato il primo ad attraversare il Polo Nord sotto la calotta artica il 23 luglio 1958. Il rompighiaccio a propulsione nucleare "Arktika" dell'ex Unione Sovietica è stata la prima nave di superficie a raggiungere il Polo Nord il 17 agosto 1977. Gli USA hanno anche costruito portaerei. La prima, la USS Enterprise, è stata varata nel 1960. La prima nave da carico, NS Savannah, è stata varata negli USA nel 1959. Il Giappone ha varato la nave mercantile Mutsu nel 1962.

I reattori utilizzati nelle applicazioni navali sono di tipo PWR. Tutti i sottomarini russi e tutte le navi di superficie sono alimentati da due reattori. È quindi importante che questi reattori siano il più compatti possibile. Inizialmente, ciò è stato ottenuto utilizzando combustibile nucleare altamente arricchito: concentrazioni di ²³⁵U del 90%. Ultimamente, tuttavia, arricchimenti di circa il 20-25% nei core dei reattori statunitensi e di circa il 50% in quelli russi sono più comuni.

A prima vista sembrerebbe naturale voler alimentare le auto con energia nucleare. In particolare, il motore potrebbe funzionare per molti anni senza la necessità di sostituire gli elementi di combustibile. Tuttavia, la fonte di energia — in pratica un piccolo reattore nucleare — produrrebbe neutroni che sono radiazioni ionizzanti altamente penetranti. Questa radiazione sarebbe dannosa per tutti nell'auto e persino per i pedoni nelle vicinanze. Per non esporre il conducente e i passeggeri alla radiazione di neutroni, il schermo biologico del core dovrebbe essere molto voluminoso e molto pesante — qualcosa che non si adatta proprio alla nostra attuale idea di un'utile automobile passeggeri.

Tuttavia, anche se si riuscisse a costruire un'auto sicura utilizzando ad esempio efficienti convertitori termoelettrici, rimarrebbe il problema del controllo dei materiali radioattivi.

La Ford Nucleon era un modello in scala di concept car sviluppato dalla Ford Motor Company nel 1958 come idea di come potrebbe essere un'auto a propulsione nucleare. Il design non includeva un motore a combustione interna; piuttosto, il veicolo doveva essere alimentato da un piccolo reattore nucleare nella parte posteriore del veicolo, basandosi sull'ipotesi che questo sarebbe un giorno possibile grazie alla riduzione delle dimensioni. L'auto doveva utilizzare un motore a vapore alimentato dalla fissione dell'uranio in modo simile a come funzionano i sottomarini nucleari.

L'idrogeno svolge un ruolo crescente nella chimica, nell'agricoltura (produzione di fertilizzanti azotati), nell'industria petrolifera e come potenziale fonte di energia, cioè come combustibile. Ci si aspetterebbe che tra le varie possibili applicazioni dell'idrogeno, il suo utilizzo nelle celle a combustibile diventi il più popolare. Alla luce del crescente interesse per l'idrogeno, esistono stime che l'energia necessaria per la sua produzione potrebbe presto essere grande quanto l'attuale produzione di energia elettrica.

Si è quindi molto interessati a fonti di energia efficienti che possano produrre idrogeno, e qui l'uso di reattori nucleari potrebbe essere di vitale aiuto. I reattori possono produrre energia elettrica per effettuare l'elettrolisi dell'acqua. L'energia termica nucleare può essere utilizzata anche per la produzione di idrogeno dal gas naturale e, in processi termochimici, dall'acqua. A differenza del processo chimico in cui il vapore riforma il gas naturale, le reazioni termochimiche hanno il vantaggio che non viene prodotta anidride carbonica. Poiché in entrambi i casi sono necessarie temperature relativamente elevate (1000-1300 K), è probabile che per questo scopo vengano utilizzati reattori ad alta temperatura. Mentre funzionano come normali centrali nucleari e forniscono elettricità alla rete durante il giorno, tali reattori potrebbero produrre idrogeno durante la notte, preparando la consegna di idrogeno per il giorno successivo.

L'energia nucleare è già utilizzata per la desalinizzazione dell'acqua — un problema di estrema importanza per gran parte del mondo che soffre la mancanza di acqua potabile, un problema particolarmente grave in Asia e Nord Africa. Tali reattori possono inoltre produrre elettricità, cioè funzionare come piccole centrali nucleari. Un esempio di reattore nucleare che produce sia elettricità che acqua desalinizzata è il reattore rapido BN-350 ad Aktau in Kazakhstan. Giappone, Russia e Canada hanno tutti esperienza con reattori nucleari impiegati nella desalinizzazione dell'acqua e l'Agenzia Internazionale per l'Energia Atomica (AIEA) promuove fortemente questo uso dell'energia nucleare. L'idea è di utilizzare le centrali nucleari per produrre elettricità per la rete durante i periodi di maggiore domanda e, quando la domanda scende, utilizzare parte dell'elettricità prodotta per scopi di desalinizzazione. Progetti sono in fase di sviluppo in India, Cina, Russia, Pakistan, Tunisia, Marocco, Egitto, Algeria, Iran, Corea del Sud, Indonesia e Argentina.

I neutroni sono particelle di grande interesse scientifico. Possono non avere carica, ma si comportano come minuscoli magneti: diciamo che possiedono un momento magnetico. I neutroni liberi decadono in un protone, un elettrone e un antineutrino con un tempo di dimezzamento di 10,25 minuti, quindi i neutroni prodotti nel Sole non hanno alcuna possibilità di raggiungere il nostro pianeta. Sebbene si supponga che non abbiano carica elettrica, i fisici stanno ancora cercando una piccola carica; sarebbe notizia di prima pagina se tale carica venisse trovata. Finora abbiamo dimostrato che la carica deve essere inferiore a 10^-21 cariche elementari! Ma sappiamo che ci sono cariche positive e negative all'interno di un neutrone e questo ci fa chiedere se formino un cosiddetto dipolo elettrico con le cariche positive e negative separate da una piccola distanza. Finora è stato dimostrato sperimentalmente che tale separazione deve essere inferiore a 10^-26 cm, a testimonianza della precisione degli esperimenti attuali.

Per condurre tali studi si ha bisogno di molti neutroni e i Reattori Nucleari sono estremamente utili poiché sono giganteschi fabbriche di neutroni. I reattori progettati per produrre neutroni per gli esperimenti sono chiamati reattori di ricerca. Ci sono numerose applicazioni dei reattori di ricerca nella scienza, nella medicina e nella tecnologia.

TRIGA Reattore di Ricerca all'AERE, in Bangladesh (Crediti immagine: AIEA).

Le fonti di neutroni più popolari per la ricerca sono i reattori in stato stazionario che producono neutroni continuamente. Nella maggior parte di essi il cuore del reattore è immerso in una vasca d'acqua. L'acqua fa parte del sistema di raffreddamento, funge da schermo biologico ed è anche parte del moderatore di neutroni. Tutte le centrali nucleari utilizzano reattori in stato stazionario.

Esistono anche sorgenti di neutroni pulsate che producono raffiche periodiche di neutroni. Alcune di esse utilizzano una reazione di spallazione invece della fissione.

Un processo che oggi richiede grande abilità si verificò spontaneamente in natura circa due miliardi di anni fa. Nella miniera di uranio di Oklo in Gabon, Africa Occidentale, fu fatta una scoperta sensazionale nel giugno 1972. Fu scoperto che il contenuto di ²³⁵U nel minerale di uranio era sostanzialmente inferiore allo 0,72% trovato altrove. Come poteva essere?

Poiché ²³⁵U ha un tempo di dimezzamento più breve di ²³⁸U, l'abbondanza relativa di ²³⁵U nell'Uranio 2 miliardi di anni fa doveva essere al livello del 3-4% invece del tipico 0,72%. Ma un arricchimento del 3-4% dell'uranio in ²³⁵U è abbastanza tipico per gli attuali reattori di potenza. Le condizioni idrogeologiche intorno al minerale di uranio arricchito erano favorevoli a una reazione a catena. L'acqua è un buon moderatore di neutroni e può servire anche come riflettore. Il "reattore" era in grado di funzionare quando era presente l'acqua. Quando l'acqua evaporava, il reattore si fermava, fino a quando di nuovo acqua fresca sarebbe stata disponibile nelle vicinanze del minerale di uranio. Il minerale diventava costantemente più povero di ²³⁵U, cosicché ciò che fu scoperto nel 1972 era ²³⁵U che era stato impoverito da questo "reattore" naturale di fissione.

Si stima che questi reattori naturali (17 reattori fossili sono stati scoperti finora a Oklo) abbiano funzionato per circa 1 milione di anni. Gli studi hanno mostrato che i reattori di Oklo hanno anche prodotto ²³⁹Pu che è decaduto (per decadimento alfa) in ²³⁵U, quindi erano reattori riproduttori naturali! Oklo è stato un dono per l'umanità perché studi su come i frammenti di fissione a lunga vita di Oklo diffondono nel suolo ci permettono di stimare l'efficacia dei depositi sotterranei per i rifiuti nucleari attualmente in costruzione.