L'Energia nucleare secondo Luigi Sertorio

Questo è un guest post di Luigi Sertorio autore, fra le altre cose, dell'interessantissimo libro "storia dell'abbondanza" e il recente " Cento watt per il prossimo miliardo di anni.

L'ENERGIA NUCLEARE
Luigi Sertorio
Dipartimento di Fisica Teorica
Università di Torino
sertorio@to.infn.it
Marzo 2008

Le risorse naturali si dividono innanzitutto in due categorie: risorse di miniera e risorse di flusso. Esempi della prima categoria sono per esempio il marmo, i diamanti, i metalli preziosi. L'esempio più importante della seconda categoria è l'acqua che scorre continuamente dalle montagne a valle e può essere usata per bere, o lavare, o altre attività, tanto che gli insediamenti umani continentali si sono sviluppati accanto a un torrente o fiume o lago. Quella che non fluisce come torrente cade come pioggia e così sostiene il rifornimento, accoppiandosi all'anidride carbonica, della vita fotosintetica.

Le risorse energetiche sono un sottocaso delle risorse naturali e si dividono anch'esse in miniera e flusso. Sono quelle risorse dalle quali si può ottenere energia sotto forma di lavoro utilizzabile. Queste parole appartengono alla termodinamica, che ha insegnato a distinguere fra tre forme di energia: energia interna, calore e lavoro. La termodinamica nasce fra la fine del Settecento e l'Ottocento. Si noti che l'energia sotto forma di lavoro è importante per tutti gli organismi viventi. Ogni organismo ha un metabolismo, consuma energia solo per il fatto di vivere, ma in più esercita un lavoro sull'esterno. Il leone corre per acchiappare la preda e la preda corre per sfuggire. Entrambi sono macchine capaci di dare lavoro esterno, che viene messo in opera in maniera intermittente a differenza del metabolismo che è uniforme e costante. La media del lavoro esterno, calcolata sull'arco della giornata, è una piccola percentuale dell'energia consumata nel metabolismo.

L'uomo è speciale perché sa costruire motori che gli servono per amplificare le sue attività esterne, facendo tante cose che gli altri animali non sanno fare. La teoria dei motori termici nasce con il fisico Carnot (1796-1832); prima di lui c'erano i motori eolici, le navi a vela e i mulini a loro volta azionati dal flusso solare. Osserviamo incidentalmente che oggi si parla di energia solare come novità, ma è proprio questa la prima forma di risorsa energetica di flusso che l'uomo ha imparato a usare, e fin dai tempi più antichi.

I motori termici necessitano di un combustibile, che nell'atto della combustione genera energia sotto forma di calore, poi il motore termico trasforma una certa percentuale del calore in energia sotto forma di lavoro. Il rendimento è il rapporto fra lavoro e calore ed è un numero sempre minore di uno. Questo è un concetto che discende dai principi fondamentali della fisica (ciclo ideale e teorema di Carnot). Il rendimento è basso, vicino a zero, se la temperatura di combustione è vicina alla temperatura dell'ambiente (la temperatura media della superficie terrestre, per fissare le idee). E' alto, vicino a uno, se la temperatura di combustione è molto più alta della temperatura ambiente. Quindi la combustione ad altissima temperatura è pregiata. Per cominciare, però, occorre sempre avere l'energia generata dalla combustione. Se prendiamo come unità l'energia erogata da una reazione chimica si trova che l'energia erogata da una reazione nucleare del tipo fissione è un milione di volte più grande, se è del tipo fusione è dieci milioni di volte più grande.

Ciò premesso passiamo a considerare i motori. Partendo dal petrolio si possono fare motori a pistoni delle più svariate dimensioni e potenze: dallo scooter alla nave da guerra. Con le turbine si possono azionare oltre alle grandi navi anche i generatori elettrici e alimentare le reti elettriche delle città. I motori a combustibile chimico sono dunque flessibili: non solo possono essere costruiti per erogare tutte le potenze che si vogliono, ma possono essere accesi e spenti a volontà. Il motore alternativo azionato dalla combustione nucleare sarebbe bello e, come visto sopra, efficientissimo secondo Carnot, ma non può esistere, perché ogni atto di combustione nucleare eroga energia ad altissima temperatura, temperatura incompatibile con l'esistenza della struttura del motore stesso. Nelle esplosioni nucleari a fissione o fusione si hanno appunto codeste temperature, ma chiaramente non si possono fare motori che ad ogni ciclo del pistone usassero una piccolissima bomba atomica; sarebbe una meraviglia, sarebbe l'analogo della fase di scoppio dei motori d'automobile, che sono astutissimi, ma non è cosa realizzabile per il semplice motivo che tale motore sarebbe vaporizzato ad ogni atto di esecuzione del ciclo.

Dunque occorrono "reattori", cioè macchine nelle quali con artifici di ingegneria si controlla la combustione nucleare rendendola lenta e lontanissima dall'esplosione, quindi non cercando di ottenere il massimo lavoro ma creando invece un passo intermedio, la produzione di vapor d'acqua a temperatura domabile tecnologicamente, vapore che infine aziona una turbina a vapore, la quale a sua volta aziona come ultimo passo una dinamo. Dalla dinamo parte l'immissione della corrente elettrica nella rete di distribuzione cittadina. In conclusione le macchine nucleari sono perfette per azionare generatori elettrici ma incompatibili con l'idea di fare motori del tipo "endotermico", quello delle automobili e degli aerei. Se si vuole a ogni costo passare ai motorini qualsivoglia partendo dall'energia nucleare occorre dunque postulare la realizzabilità tecnica di artifici come, per esempio, l'idrogeno estratto dalla molecola d'acqua, messo in serbatoio e poi utilizzato come carburante, con tecniche che però non esistono ancora.
Infine tutti i passi dell'ingegneria nucleare sono caratterizzati da due proprietà di importanza sociale e politica. A seconda dell'ingegnere a cui si affida il lavoro progettuale si possono avere bombe o centrali civili. La fisica da conoscere è sempre la fisica nucleare e non si può dividere in due parti non comunicanti il cervello dei fisici, o degli ingegneri nucleari.

Ne segue che la gestione della produzione di energia nucleare "deve" essere affidata a mani militari, quelle educate alla rigorosa disciplina di controllo ed esecuzione. Figuriamoci se la preparazione del combustibile, il processo di arricchimento, la gestione delle fabbriche che costruiscono da una parte le bombe e dall'altra le centrali civili, se la gestione delle centrali elettronucleari, se la gestione dei siti radioattivi alla fine della vita delle centrali stesse fosse affidata a organismi permeabili alla corruzione o anche solo prone alla gestione allegra.
La fisica è bella, la tecnologia è difficile, l'insipienza umana è pericolosa. Sono queste le cose da sapere e su cui meditare quando si parla di strategie energetiche intese a sostenere la dinamica del consumismo.


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