lunedì 13 gennaio 2020

L'unico caso naturale di reazione a fissione che conosciamo

Questa è una storia curiosa, e forse poco nota, ma anche meravigliosamente affascinante. E' la storia dell'unico caso a nostra conoscenza in cui sulla terra, in modo naturale, si sia verificata una reazione nucleare a fissione, e di come questo sia stato possibile. Tutti gli altri casi di reazioni di fissione a noi noti sono indotti dall'uomo, nelle centrali nucleari o nelle bombe atomiche.

La reazione nucleare di fissione avviene quando un nucleo si rompe in frammenti nucleari più leggeri, che a loro volta possono indurre altri processi analoghi nei nuclei circostanti. In ognuno di questi singoli processi viene rilasciata energia, sotto forma di energia cinetica delle particelle prodotte.

Ad esempio, se prendiamo una certa quantità di Uranio, arricchito di Uranio 235 (l'isotopo dell'Uranio con 92 protoni e 143 neutroni, per un totale di 235 nucleoni) e lo bombardiamo con neutroni di opportuna energia, i neutroni possono rompere il nucleo di Uranio in nuclei più leggeri, liberando altri neutroni, che a loro volta possono indurre lo stesso processo negli altri nuclei di Uranio circostanti, e così via, in un processo che si autosostiene. Il risultato è quindi una liberazione di energia che si manifesta come calore. E' la fissione nucleare.

Per ottenere la fissione nucleare nei reattori, si parla di arricchimento dell'Uranio, ingrediente necessario per rendere autosostenibile la reazione nucleare. Infatti l'isotopo più comune dell'Uranio, l'Uranio 238, non può essere utilizzato per produrre energia tramite fissione, al contrario dell'Uranio 235. Nell'Uranio presente naturalmente sulla Terra, la frazione di Uranio 235 sul totale è circa lo 0.7%. Troppo poco per permettere una reazione nucleare di fissione.

Nel caso delle centrali nucleari, quindi, la percentuale di Uranio 235 sull'Uranio 238 viene aumentata fino a circa il 3%. E' il cosiddetto "arricchimento dell'Uranio". Nel caso di ordigni nucleari l'arricchimento necessario è invece almeno dell'85%. Ecco, per inciso, perché una centrale nucleare non può esplodere come una bomba atomica, contrariamente a quello che si potrebbe credere: l'Uranio contenuto nel reattore non è sufficientemente arricchito.

Tutti i casi a noi noti in cui avviene la fissione nucleare sono indotti dall'uomo, tramite opportuno arricchimento dell'Uranio (vedi Nota * a piè pagina).

Il fiume Oklo, in Gabon dove si trova il sito con la miniera di Uranio.


Tuttavia nel 1972 è stato scoperto un caso di fissione nucleare naturale. E' il caso di una miniera di Uranio sul fiume Oklo, nel Gabon, dove quasi 2 miliardi di anni fa si è instaurata una reazione di fissione nucleare in modo del tutto naturale. Questo è stato possibile grazie all'abbondanza dell'isotopo 235 dell'Uranio presente nella miniera, che all'epoca ammontava a circa il 3%. Il tutto coadiuvato dalla presenza di acqua. L'acqua, infatti, ha agito contemporaneamente come moderatore dei neutroni, cioè ne ha "aggiustato" la loro energia in modo da renderli adatti a rompere altri nuclei di Uranio 235, e come fluido di raffreddamento. Si ritiene che questo reattore naturale sia rimasto in funzione per quasi un milione di anni, con una potenza di circa 100 kW termici, sufficienti per tenere accese più o meno qualche migliaio di lampadine. Un po' poco rispetto alle centrali nucleari a fissione di oggi, ma pur sempre una centrale nucleare a tutti gli effetti, molto prima della comparsa del movimento NIMBY (Not In My BackYard).

La scoperta avvenne nel 1972 grazie al fatto che la Francia, che utilizzava il giacimento di Uranio per alimentare le sue centrali, effettuò un controllo di routine sul contenuto di Uranio 235 presente nella miniera, che evidenziò un valore inferiore al suo livello naturale di una frazione molto piccola, meno dell'1%. Questo insospettì molto, perché la percentuale naturale dell'Uranio 235 è estremamente costante ovunque sulla terra, e  siccome l'Uranio 235 è usato per costruire ordigni nucleari, la cosa non passò inosservata.

Tuttavia qualcuno si ricordò di una pubblicazione scientifica del 1956, che già ipotizzava la possibilità di reazioni a fissione sviluppabili in modo naturale sotto particolari condizioni, nei giacimenti di Uranio. In tutto 17 zone in cui nel passato si sviluppò il processo di fissione furono scoperte nel giacimento di Oklo e in zone limitrofe.

Affinché si possa sviluppare la fissione in modo naturale, l'Uranio presente naturalmente deve essere abbondante e con spessore sufficientemente elevato, oltre a essere distribuito nella roccia con una geometria adatta ad aumentare la probabilità che la reazione si automantenga. Inoltre l'Uranio 235 deve essere significativamente elevato rispetto all'isotopo 238, come nei reattori nucleari, dove esso ammonta appunto a qualche percento. Inoltre deve esserci in giro un "moderatore", qualcosa che rallenti i neutroni prodotti dalla fissione dei nuclei di Uranio, in modo da portarli all'energia giusta per indurre altri processi di fissione negli altri nuclei circostanti. L'acqua, ad esempio. In aggiunta non ci devono essere in mezzo all'Uranio elementi in grado di assorbire i neutroni, tipo il Boro. Il giacimento sul fiume Oklo, in Gabon, 2 miliardi di anni fa aveva tutte queste condizioni.

Oggi la frazione di Uranio 235 presente sulla terra nei minerali di Uranio è troppo bassa per causare fissione in modo naturale. Questo perché il naturale decadimento radioattivo dell'isotopo 235 ne ha ridotto la percentuale. Miliardi di anni fa, invece, la frazione di Uranio 235 sulla terra era quella giusta. All'epoca della formazione della terra, la frazione di Uranio 235 era circa il 30%, diminuita poi nel tempo a causa del naturale decadimento radioattivo, che è più veloce nel caso dell' Uranio 235 rispetto al più abbondante Uranio 238. All'epoca della formazione della reazione nella miniera di Oklo circa 2 miliardi di anni fa, la frazione di Uranio 235 era un po' più del 3%, simile a quella usata nei reattori nucleari.

La domanda interessante, però, a questo punto è: perché la reazione a fissione naturale si è sviluppata nella miniera solo 2 miliardi di anni fa, quando la percentuale di Uranio 235 era vicina al limite sotto la quale la fissione non può più avvenire, e non ha avuto luogo invece molto prima, quando la percentuale di Uranio 235 era molto maggiore, e quindi le condizioni di gran lunga più favorevoli?

Il motivo è che l'Uranio, per garantire il processo di fissione, oltre a essere arricchito di isotopo 235, deve essere anche concentrato. E prima di 2 miliardi di anni fa non riusciva a esserlo abbastanza. Il motivo è l'Ossigeno.

Infatti l'Uranio si concentra in quanto trasportato dall'acqua in opportuni depositi naturali. Per fare questo, esso deve essere solubile. E l'Uranio diventa facilmente solubile nella sua forma ossidata. E per ossidare, lo dice la parola stessa, c'è bisogno di Ossigeno. E all'inizio della storia della Terra la presenza di Ossigeno nell'atmosfera era molto scarsa. Soltanto 2,4 miliardi di anni fa ci fu un "evento", chiamato "Great Oxydation Event" (fonte), che aumentò il contenuto di Ossigeno nell'atmosfera, facendolo passare da 1 a 15%.

Questo ossigeno in più fu prodotto dai batteri! La maggiore presenza di Ossigeno permise all'Uranio di ossidarsi e diventare trasportabile dall'acqua, e quindi di concentrasi a sufficienza nei giacimenti, ingrediente necessario, anche se non sufficiente, per permettere il processo di fissione naturale.

Forse esistono altri casi simili a quello della miniera sul fiume Oklo, in giro per il mondo, dove la miniera è stata distrutta dai cambiamenti geologici della Terra, o che semplicemente non sono stati ancora scoperti.

Comunque quello che volevo dire è: ma non è fantastico tutto questo? Come la fisica nucleare si colleghi alla storia della terra, alla sua evoluzione geologica e biologica che l'hanno trasformata da luogo inospitale via via fino alla terra che conosciamo? Esiste un romanzo più avvincente e interdisciplinare?

Per dettagli e approfondimenti:

https://www.iaea.org/newscenter/news/meet-oklo-the-earths-two-billion-year-old-only-known-natural-nuclear-reactor

https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/natures-nuclear-reactors-the-2-billion-year-old-natural-fission-reactors-in-gabon-western-africa/

Nota (*). L'Uranio non è in realtà l'unico elemento utile per realizzare la fissione nucleare. C'è anche la fissione al Plutonio, che tuttavia non avviene spontaneamente in natura, anche a causa dell'estrema rarità del Plutonio naturale.





8 commenti:

  1. L'Uranio non è in raltà l'unico elemente utile per realizzare la fissione nuclare.
    Tre typo in una frase di 12 parole, esclusi gli articoli. Ma almeno è concettualmente corretta...

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  2. P.S.
    Il plutonio naturale non esiste più. Esisteva sulla Terra, ma ormai è tutto decaduto da qualche milionata di anni.

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    1. esiste per cattura neutronica dell'U238. è questa la causa di rarità del Pu239 naturale.

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  3. P.P.S.
    Come non detto, nel mio Post Scriptum ho affermato una cosa errata: a quanto pare tracce di Plutonio, seppur poco significative, si riescono a trovare in natura. Chiedo scusa per la topica, puoi anche non pubblicarla.

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  4. Approfitto di questo articolo molto interessante su quella che è veramente una curiosità della natura, per un apio di domande sul futuro dell'energia.
    Che si tratti del problema del surriscaldamento globale o che si tratti dei costi crescenti, a mio avviso l'utilizzo dei combustibili fossili andrà a ridursi in maniera significativa. A meno di sorprese tecnologiche, fonti rinnovabili come solare ed eolico non sono destinate a ricoprire un ruolo chiave nel futuro della generazione di energia.
    La fusione nucleare controllata è sempre a 20-30 anni di distanza e tale, a mio avviso, rimarrà ancora un bel po', a meno che non venga fuori che sì, in effetti, è possibile la fusione fredda. D'altro canto, come scritto nell'articolo, la fissione è un feomeno che avviene naturalmente anche sulla Terra, la fusione no, almeno quella calda.
    1) Non pensa che sia ora di riconsiderare il nucleare? Gli incidenti che ci sono stati hanno insegnato molto e, alla fin fine, hanno causato molti danni meno dei combustibili fossili, anche percentualmente.
    2) Cosa ne pensa dei reattori a sali fusi di torio? Sembrerebbero molto più semplici e sicuri da gestire dei tradizionali reattori a uranio arricchito in forma solida. Se è così, perché non vengono presi in considerazione?

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    1. Il problema del nucleare a mio parere è ultracomplesso, perché non è solo un problema tecnologico (quello è l'aspetto minore del problema), ma anche economico, politico, sociale, e di percezione del rischio.

      Sono d'accordo che il nucleare sarebbe, numeri alla mano, indubbiamente una scelta utile, che permetterebbe quantomeno di diversificare la produzione di energia, senza emissioni di CO2.

      Tuttavia ritengo impossibile che in Italia si possa arrivare a una scelta simile, per questione di costi, e soprattutto di credibilità dei cittadini nei confronti dello Stato.

      Il nucleare, infatti, più di qualunque altro modo di produrre energia, necessita della fiducia fra cittadini e istutuzioni, in quanto implica forti investimenti e un committment della politica, delle istituzioni, dell'economia di un paese di almeno 15 anni, prima di avere l'effettiva produzione di energia disponibile in rete. Il tutto moltiplicato per il numero di centrali che sarebbero necessarie per garantire un contributo utile al fabbisogno energetico. E in Italia, la storia di questi ultimi decenni ha portato questa fiducia a zero. Credo che la scelta del nucleare in Italia sarebbe un massacro in tutti i sensi, non per colpa del nucleare in sé, ma per colpa dell Stato-Italia in questo momento.

      Se non riusciamo ad accettare la costruzione di un tubo di qualche chilometro che trasporti gas sotto il mare, o l'abbattimento di un migliaio di ulivi per contenere l'epidemia di un batterio, e in queste operazioni vediamo dei turpi tentativi per ingannarci, figuriamoci la costruzione di qualche centrale nucleare!

      Sui reattori al Torio non sono esperto, quindi proprio non posso esprimermi.

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    2. Ringraio per la risposta. Non mi riferivo naturalmente alla sola situazione italiana, ma a quella anche di altri paesi. Trovo infatti anomalo che la comunità scientifica sia, sull'argomento, piuttosto silenziosa.
      Ritornando all'Italia l'uccisione del nucleare, tecnologia che peraltro aveva molte sue radici proprio in Italia, è stato il primo passo verso il declino.

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