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1 Armi Nucleari S.I.S. - Laboratorio di Fisica Nucleare a.a. 2004-2005 Prof. Maina Debernardi Elisa Mastropasqua Tommaso Villarboito Erik.

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1 1 Armi Nucleari S.I.S. - Laboratorio di Fisica Nucleare a.a Prof. Maina Debernardi Elisa Mastropasqua Tommaso Villarboito Erik

2 2 Contesto e modalità Prevediamo di svolgere la seguente unità didattica in un Liceo durante lultimo anno del corso di studi. Dal momento che riteniamo opportuno affrontare lo studio della fisica da un punto di vista storico-sperimentale, tale argomento verrà affrontato verso la fine del programma, con lattenzione che non venga percepito dagli studenti come qualcosa di superfluo. Una trattazione storica della fisica che, a partire dalle esperienze dei ricercatori nel corso dei secoli, mostri levoluzione e lemergere di nuovi concetti fisici mette in evidenza unidea della fisica come attività in continua evoluzione e che necessita di continue verifiche. E bene che gli studenti comprendano che la fisica non è qualcosa di finito, ma che esistono ancora molte domande a cui rispondere e interrogativi che potranno ancora scaturire dagli esperimenti che bisogna continuare a svolgere I tempi previsti sono stimati intorno alle quattro-sei ore, con uneventuale prima ora aggiuntiva in compresenza con il professore di Storia. Si può quindi prevedere un attacco dellargomento a partire dalle tematiche relative alla seconda guerra mondiale (lettera di Einstein a Roosevelt, Progetto Manhattan, Hiroshima e Nagasaki)

3 3 Prerequisiti di fisica nucleare struttura atomica cenni di radioattività raggi α, β e γ trasformazioni radioattive concetto di isotopia e misura della massa dei nuclei scoperta del neutrone neutrini cenni di relatività: equivalenza massa energia difetto di massa, energia di legame, stabilità del legame nucleare intensità delle forze nucleari

4 4 Il 16 luglio del 1945, alle 5.30 del mattino, esplodeva la prima bomba atomica della storia in un test nel deserto del New Mexico Qualche giorno dopo queste bombe venivano sganciate su Hiroshima e Nagasaki A lato lesplosione su Hiroshima Little Boy (6 agosto 1945, Little Boy)

5 5 Esplosione su Nagasaki Fat Boy (9 agosto 1945, Fat Boy)

6 6 Hiroshima fotografata dai ricognitori USA prima del lancio della bomba

7 7 Hiroshima fotografata dai ricognitori USA dopo il lancio della bomba

8 8 Hiroshima al suolo L'orrenda deflagrazione generata dallo scoppio della bomba causò la morte immediata di oltre persone e di altrettante, per le ferite riportate, nei giorni seguenti

9 9 Lesplosione di un ordigno nucleare sviluppa temperature di decine di milioni di gradi produce nellaria una sfera di fuoco che, come un piccolo Sole, emette radiazioni luminose e termiche che viaggiano alla velocità della luce Mton Per esempio la sfera di fuoco della bomba di 1 megatone (1 Mton equivale a 1 milione di tonnellate di tritolo), che esplodesse in aria, apparirebbe a 100 km molte volte più luminosa del Sole medesimo

10 10 Come si ripartisce lenergia di unesplosione? 15 %radiazioni per il 15 % circa va in radiazioni: vengono liberati sia raggi gamma che neutroni, che irraggiano le zone circostanti 50 %onda durto il 50 % circa forma unonda durto che si espande a una velocità di poco superiore a quella del suono (circa 500 m/s): sul suo fronte si genera un fortissimo sbalzo di pressione, che danneggia meccanicamente cose e persone 35 %onda di calore il restante 35 % circa va invece in unonda di calore, che si propaga più lentamente, vaporizzando i materiali più vicini allepicentro dellesplosione e incendiando quelli più lontani

11 11 Differenza con lesplosivo tradizionale ESPLOSIVO CONVENZIONALE ESPLOSIVO CONVENZIONALE, dopo la deflagrazione: onda di pressionesi ha a che fare solo con londa durto o onda di pressione e, in misura ridotta, con londa di calore ESPLOSIVO NUCLEARE ESPLOSIVO NUCLEARE, dopo la deflagrazione: onda di pressionesi ha a che fare con londa durto o londa di pressione onda di caloresi ha a che fare con la radiazione termica o onda di calore onda radioattivasi ha a che fare con la radioattività o onda radioattiva fall outsi ha a che fare con il fall out, la ricaduta dopo tempi differenti di materiale radioattivo sollevato in quota

12 12 Onda di pressione Gli effetti distruttivi di questonda sono strategicamente importanti soprattutto per il cratere che producono Unonda di pressione origina sovrapressione che si aggiunge allordinaria che è di 1 Kg su ogni cm 2 di superficie Una sovrapressione di 0,35 Kg/cm 2 è considerata sufficiente a distruggere la maggior parte degli edifici e gli ordigni nucleari generano tale valore ad una distanza in km proporzionale alla radice cubica della loro potenza esplosiva in chilotoni. Le bombe più grandi distribuiscono la loro potenza distruttiva in modo meno efficace delle più piccole La sovrapressione sufficiente a uccidere un uomo è pari a Kg/cm. Questa sovrapressione, nel caso di una bomba atomica da 20 kiloton, si manifesta a circa 600 m dallepicentro

13 13 Onda di calore Londa termica arriva dopo londa durto, ciò perché i fotoni pur viaggiando con la velocità della luce hanno un cammino medio piccolo; di conseguenza essi vengono continuamente assorbiti dagli atomi che compongono latmosfera e quindi riemessi. Il processo di diffusione dei fotoni è, quindi, realizzato secondo un percorso a tappe con andamento zig-zag e, per quanto il tempo di percorrenza delle singole tappe sia brevissimo, il tempo di diffusione è relativamente grande, in quanto lassorbimento e la relativa emissione dei fotoni da parte degli atomi che compongono latmosfera richiede un certo tempo. Es: Nel caso di una bomba atomica di 20 kiloton, la durata di emissione dellenergia termica è di 3 secondi.

14 14 Onda di calore Un ordigno di 1 Mton nellatmosfera dà luogo ad unonda di calore che provoca: ustioni di 1° grado (eritemi) a distanze di km ustioni di 2° grado (bolle con siero e flittene) a km (ciò nel caso in cui non vi siano schermi tra la sfera di fuoco ed il corpo) I dati sulla gravità delle ustioni provocate dalle bombe atomiche usate in Giappone sono i seguenti: a m: 95% carbonizzati a m: carbonizzati e ustionati di 2°grado a 2000 m: eritema bolloso, depigmentazione a m: pigmentazione bruna

15 15 Onda radioattiva La radioattività emessa dallesplosione di una bomba atomica si suddivide in due categorie: radioattività iniziale fall outradioattività residua (fall out) La separazione convenzionale di queste due forme di radioattività è fondata sul fatto che la radioattività iniziale viene emessa nel giro di un minuto primo. Tutte le radiazioni, emesse dopo che sono trascorsi 60 secondi dallesplosione, formano la radioattività residua La radiazione nucleare che si libera immediatamente uccide in tempi brevi proporzionalmente allesposizione alla radiazione

16 16 Onda radioattiva Se la bomba è da 1 Mton: in un raggio di poco più di 3 km si ha una dose di radiazione sufficiente ad uccidere fino al 95 % della popolazione a 5 km si hanno scarsi effetti radioattivi somatici ma cè possibilità che insorgano effetti genetici Le principali manifestazioni patologiche, che si possono osservare nelle popolazioni sottoposte al bombardamento atomico, sono: sterilità e impotenza cataratte e cecità danni al sangue danno genetico danni sullo sviluppo infantile danni sul feto produzione di tumori maligni

17 17 Il Fall out Supponiamo che la bomba esploda al suolo: una gran massa di terreno e detriti viene risucchiata dallesplosione e portata in quota (allincirca a 10 km) I pezzi più grossi ricadono a terra nelle ore e nei giorni successivi, lestensione della zona interessata dipendono dalle condizioni metereologiche; la polvere più minuta sale nella stratosfera ricadendo solo dopo mesi o anni e interessando tutta la terra Questo particolare fenomeno radioattivo si fa sentire vario tempo dopo lesplosione

18 18 Dopo l'esplosione, si genera una palla di fuoco radioattiva che crea un'onda d'urto e di calore distruttiva. Successivamente si genera un fenomeno depressivo inverso, che risucchia i materiali circostanti l'esplosione. L'effetto secondario è la creazione di una nube a fungo, che genera un fall-out stratosferico o globale e una corrente convettiva che riporta in basso polveri e radiazioni.

19 19 Esplosione e possibile difesa

20 20 Tempo di efficacia di un dato effetto, a partire dal momento dellesplosione

21 21 Cosa fare per difendersi?

22 22 Quali schermi sono più efficaci contro le radiazioni?

23 23 Armi nucleari Le armi nucleari sfruttano per produrre unesplosione: fissione la fissione di nuclei pesanti fusione la fusione di nuclei leggeri In generale i materiali usati come esplosivi nucleari sono: Uranio fortemente arricchito per le bombe a Plutonio fissione A cui vengono aggiunti: Deuterio per quelle a Trizio fusione

24 24 Le armi a fissione: sono state le prime ad essere costruite, e hanno potenza nellordine dei Kton (migliaia di tonnellate equivalenti di tritolo) Le armi a fusione: possono liberare energie fino a 50 Mton bombe a neutroni Le testate tattiche (bombe a neutroni): sono pensate per essere utilizzate in battaglia, hanno un potere esplosivo minore (meno di 1 Kton) ma emettono un quantitativo di neutroni molto più alto del normale, per incapacitare in tempi brevi truppe ed equipaggi di mezzi corazzati Diversi tipi di armi nucleari per impieghi diversi

25 25 Armi a fissione Esempi di bombe a fissione sono quelle di Hiroshima e Nagasaki Come si genera lenergia sviluppata in queste bombe?

26 26 Il grafico mostra come variano le energie di legame per nucleone per differenti atomi dei vari elementi della tavola periodica, al variare del numero di massa A In corrispondenza del massimo (fascia rossa) si ha una maggiore energia media di legame per nucleone e ciò vuol dire che siamo nella situazione di nuclei più stabili, più fortemente legati

27 27 radioattività artificialeindotta E possibile prendere dei nuclei estremamente stabili e renderli instabili bombardandoli con particelle altamente energetiche. Questo processo è chiamato radioattività artificiale o indotta Enrico Fermiil gruppo di ricercatori di via Panisperna Agli inizi degli anni trenta il fisico italiano Enrico Fermi, con il gruppo di ricercatori di via Panisperna, si rese conto dellimportanza del bombardamento dei nuclei con neutroni

28 28 Il gruppo di Roma bombardò una serie di elementi e quando arrivò alluranio si aspettava di scoprire elementi transuranici prodotti in reazione come: 92 U n 1 92 U γ Ci si attendeva che il nucleo di uranio decadesse spontaneamente per emissioni β in nettunio e plutonio secondo i processi seguenti: 92 U Np e 0 + ν 93 Np Pu e 0 + ν

29 29 gli elementi radioattivi prodottisi nel bersaglio erano più di 2 certamente luranio (isotopo 238) aveva dato origine a qualche transuranico non esistente in natura contemporaneamente luranio (isotopo 235) aveva visto i suoi nuclei spezzarsi in 2 pezzi più piccoli 92 U n 1 38 Sr Xe n 1 92 U n 1 32 Kr Ba n 1 Cosa era accaduto nelle reazioni nucleari con luranio? Le cose non erano per nulla chiare perché si sovrapponevano svariati fenomeni:

30 30 Otto HahnFritz Strassmann 9 gennaio 1939: Otto Hahn e Fritz Strassmann (due chimici tedeschi) compresero che il nucleo di uranio poteva venire suddiviso in due nuclei di massa atomica intermedia, bombardandolo con neutroni. Ma esitarono a trarre conclusioni Sulla base di questi esperimenti brevemente descritti, noi siamo costretti come chimici a sostituire ai nomi di Ra, Ac, Th [elementi pesanti che si pensava venissero formati nel bersaglio] i nomi di Ba, La, Ce. Tuttavia come «chimici nucleari», cioè molto vicini ai fisici, noi non ce la sentiamo di fare un passo così contrario a quanto ha mostrato fino ad oggi lesperimento nel campo della fisica nucleare. Dopo tutto, una serie di strane coincidenze potrebbe forse avere portato a questi risultati

31 31 Lise MeitnerOtto Frisch 16 gennaio 1939: Lise Meitner e Otto Frisch (due fisici austriaci) suggerirono che il neutrone può spezzare il nucleo di uranio in due nuclei di dimensioni pressappoco uguali Fissione nucleare Poiché lenergia media di legame per nucleone nelluranio è molto più piccola che nei nuclei prodotti nella fissione, Meitner e Frisch furono in grado di prevedere che i frammenti avrebbero dovuto avere alta energia Fissione nucleare Def. Fissione nucleare: la scissione di un nucleo pesante, come luranio, in due nuclei di massa intermedia, accompagnata dalla liberazione di due o più neutroni e di grandi quantità di energia

32 32 Risultò che un nucleo di uranio, dopo aver catturato un neutrone, può spezzarsi dando luogo a più di 40 diverse coppie di frammenti Inoltre nella fissione si originano anche alcuni neutroni, in media due o tre per ogni fissione

33 33 Non tutti i nuclei possono dar luogo alla fissione nucleare Per quelli fissionabili, la probabilità di spezzarsi in seguito a bombardamento da neutroni dipende dallenergia del neutrone U 235 neutroni di qualsiasi energia, ma la probabilità aumenta per energie molto basse U 238 solo neutroni veloci

34 34 Modello a goccia nucleo goccia di liquido carica di elettricità Se la goccia non è troppo grande, la tensione superficiale riesce a vincere le forze repulsive delle cariche mantenendo unita la goccia Le molecole sono tenute assieme da una forza che agisce a distanza corta come accade ai nucleoni nei nuclei Le particelle entro il nucleo sono in continuo movimento casuale, esattamente come le molecole di un liquido Analogamente al processo di evaporazione delle molecole dalla superficie di una goccia, alcune particelle, grazie a una serie favorevole di urti con altre particelle, possono acquistare abbastanza energia da vincere le forze nucleari attrattive e sfuggire dal nucleo

35 N.Bohr e J. A. Wheeler Bombardamento di un campione di U 235 con neutroni lenti (cioè con energia cinetica trascurabile): massa nucleo U 235 massa neutrone massa totale massa nucleo U 236 (non eccitato) differenza di massa 235,04393 UMA 1,00867 UMA 236,05260 UMA 236,04573 UMA 0,00687 UMA unità di massa atomica: 1 UMA = 1, kg Eccesso di energia corrispondente alla differenza di massa: 0,00687 UMA 931 MeV/UMA = 6,4 MeV

36 36 energia di eccitazione U 236 nellistante della cattura del neutrone dispone di unenergia supplementare pari a 6,4 MeV energia di eccitazione Il nucleo di U 236 si deforma assumendo una configurazione allungata con una strozzatura nel mezzo e le sue due parti si vengono a trovare a distanza maggiore del raggio dazione delle forze nucleari attrattive Quindi le forze di repulsione elettriche tra le due parti del nucleo deformato possono superare in intensità le forze attrattive a piccolo raggio, provocando la spaccatura del nucleo Il modello a goccia spiega perché alcuni nuclei vengono fissionati anche con neutroni lenti, mentre altri solo con neutroni veloci energia di attivazione Il minimo di energia richiesto per deformare il nucleo in maniera sufficiente affinché le forze elettriche repulsive abbiano il sopravvento sulle forze nucleari è detto energia di attivazione

37 37 Modello a goccia

38 38 Quando luranio U 235 cattura un neutrone per dare U 236, lenergia di eccitazione del nuovo nucleo è maggiore della sua energia di attivazione, anche se il neutrone-proiettile possiede energia cinetica trascurabile Nel caso della cattura di un neutrone lento da parte delluranio U 238, si forma U 239, ma lenergia di eccitazione è inferiore di 0,9 MeV rispetto allenergia di attivazione Se invece i neutroni-proiettile posseggono energia cinetica uguale o superiore a 0,9 MeV, la teoria di Bohr e Wheeler prevede, e lesperienza conferma, che questi neutroni energetici sono in grado di provocare la fissione del nucleo di U 238

39 39 Il processo di fissione ha un ruolo di estrema importanza per le applicazioni industriali e militari Una singola fissione libera unenergia di circa 200 MeV, che risulta più di un milione di volte maggiore dellenergia liberata in una reazione chimica

40 40 reazione a catena In condizioni opportune, i neutroni generati nel processo di fissione possono dare luogo a fissioni secondarie, originando una reazione a catena

41 41 Lenergia liberata in una reazione a catena aumenta esponenzialmente a patto che i neutroni che si producono in una reazione non sfuggano tutti dalla zona interessata dalla reazione stessa Fattore di moltiplicazione k Def. Fattore di moltiplicazione k: il rapporto tra il numero di neutroni che producono fissione ad un qualunque stadio di reazione e il numero di neutroni che hanno prodotto fissione nello stadio immediatamente precedente critica Quando k = 1 (quando ogni fissione genera una fissione addizionale), si dice che la reazione a catena è critica Per le bombe nucleari deve essere k >> 1 per ottenere la più completa liberazione di energia nel più breve tempo possibile

42 42 massa critica Perché la reazione a catena raggiunga il livello critico, è richiesta una massa minima di sostanza fissionabile: massa critica La massa critica varia con il modo nel quale la sostanza fissile è distribuita nello spazio

43 43 balistico il metodo balistico: le due metà del materiale esplosivo sono ai capi di un cilindro in mezzo a loro c'è il vuoto. Quando la bomba viene innescata esplodono due cariche di esplosivo convenzionale che scagliano le due metà una contro l'altra. Di colpo le due metà compongono una massa ipercritica compressa che automaticamente esplode. (Hiroshima) il secondo metodo si basa sul fatto che una massa subcritica, se fortemente compressa, può trasformarsi in una massa critica o ipercritica. Questo tipo di bomba è di forma sferica, nel centro di essa c'è il materiale fissile (uranio- 235 o plutonio), nello strato sotto la corazza c'è invece dell'esplosivo chimico. Quando viene innescata l'esplosivo esplode creando una onda d'urto verso il centro della bomba che comprime molto rapidamente il materiale fissile finchè non raggiunge una massa ipercritica e quindi esplode. (Nagasaki) 2 modi di trasformare una massa subcritica in una critica o sovracritica:

44 44 bomba A Il principio di funzionamento di una bomba atomica (bomba A)

45 45 Un ordine di grandezza delle dimensioni delle prime bombe costruite a Los Alamos e poi sganciate su Hiroshima e Nagasaki lo si può avere con la figura: A sinistra vi è il disegno di come si presentava la bomba usata su Hiroshima, realizzata con U 235 e del peso di 4 tonnellate, e a destra quella utilizzata su Nagasaki, realizzata con Pu 239 e del peso di 4,5 tonnellate

46 46 Lordigno esploso su Hiroshima Lordigno esploso su Nagasaki

47 47 fusione Unaltra fonte di energia nucleare proviene dalla fusione che è il processo inverso della fissione Fusione nucleare Def. Fusione nucleare: una reazione nucleare nella quale due nuclei leggeri si combinano, cioè si fondono insieme, per formare un nucleo più pesante, con liberazione di una grande quantità di energia Tale reazione nucleare è ancora allo studio e non è ancora in grado di fornire energia utilizzabile per scopi pacifici Dalla fusione dipende però la vita del nostro sistema solare: sono le reazioni di fusione nucleare che avvengono sul Sole che forniscono lenergia necessaria al ciclo delle acque, alla fotosintesi e a tutti i processi vitali

48 48 La fusione consiste nel fondere insieme due nuclei leggeri per ottenerne uno più pesante con conseguente emissione di unenorme quantità di energia

49 49 1 H H 2 1 H H MeV 1 H H 2 2 He n 1 + 3,3 MeV 1 H H 3 2 He n ,6 MeV 1 H He 3 2 He H ,3 MeV dove 1 H 1 = Idrogeno; 1 H 2 = Deuterio; 1 H 3 = Trizio; 2 He 3 = Elio 3; 2 He 4 = Elio 4 Esempi di reazioni di fusione Vediamo quelle riguardanti gli isotopi dellidrogeno

50 50 Alcuni esempi di fusione

51 51 Quando due nuclei leggeri ( 1 H 2 e 1 H 3 ) si uniscono per produrre un nucleo più pesante ( 2 He 4 ), si trova sperimentalmente che viene liberata energia. Risulta evidente dalla curva dellenergia che un nucleo di Elio è molto più stabile dei nuclei di Deuterio e Trizio

52 52 I processi di fusione si realizzano soltanto ad altissime temperature (da 10 7 a 10 8 K), perciò la fusione controllata è molto più difficile da ottenersi della fissione controllata Lunico uso pratico e realizzato dalluomo di reazioni di fusione è quello della bomba allidrogeno o della bomba H Difficoltà legate alla fusione

53 53 La bomba allidrogeno o bomba H: Si utilizza la fusione nucleare mediante la fissione (di una bomba a fissione), che produce le temperature necessarie alla fusione

54 54 Per le bombe a fissione esiste un limite per le dimensioni massime raggiungibili, oltre il quale leffetto distruttivo non aumenta più di molto (e questo è dovuto al fatto che una gran parte del materiale fissile viene disperso prima di dare la reazione di fissione) Per le armi a fusione sembra che tale limite non esista e quindi non esista limite al loro potere distruttivo Lenergia liberata da una reazione di fusione è minore di quella liberata da una reazione di fissione. Essa però rappresenta una maggiore quantità di energia riferita allunità di massa Bomba A e Bomba H a confronto

55 55 1 H H 3 2 He n ,6 MeV Lenergia liberata in questa reazione di fusione è: 17,6 MeV / 5 [nucleoni] = 3,52 MeV / [nucleone] 92 U n 1 32 Kr Ba n 1 Lenergia liberata in questa reazione di fissione è: 200 MeV / 235 [nucleoni] 1 MeV / [nucleone] Per ogni unità di massa lenergia liberata dalla fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione

56 56 bomba N Bomba a neutroni (bomba N) E una variante della bomba ad idrogeno Fissando due masse critiche (una minima di uranio-235 e una minima di idrogeno o litio) è possibile, contenendo gli effetti della deflagrazione, fare in modo che una parte molto consistente di neutroni sfugga alla massa in reazione investendo larea circostante E necessario inoltre provvedere alla realizzazione dellinsieme utilizzando materiali che consentano di ottenere un grado di assorbimento dei neutroni pressoché minimo

57 57 bomba pulita La bomba a neutroni viene spesso chiamata anche bomba pulita in quanto non lascia, già a distanza di poche ore dalla sua esplosione, tracce di radioattività Distrugge la vita umana nel raggio di circa 1500 metri, lasciando però intatte le cose che vengono semplicemente attraversate dai neutroni ad esclusione di unarea piuttosto limitata (un diametro di circa 350 metri) Il terreno è praticamente interamente praticabile a distanza di sole poche ore dal lancio, le strutture possono così essere utilizzate

58 58 Fare una bomba atomica è facile? Qualsiasi fisico o ingegnere nucleare con un po di esperienza potrebbe, studiando un po il problema, sistemare lesplosivo e progettare gli inneschi in modo corretto e in tempi abbastanza brevi La vera difficoltà nel costruire una bomba atomica non è sapere come fare una volta reperito il materiale, ma è reperire il materiale

59 59 Perché solo pochi paesi hanno armi nucleari? plutonio per avere plutonio servono delle centrali nucleari e impianti per ritrattare il combustibile una volta uscito dal reattore che sono: enormi, complessi e dispendiosi sia a livello economico che di formazione del personale uranio arricchito per avere uranio arricchito servono impianti di arricchimento che sono: complessi, costosi e che o consumano quantità spaventose di energia elettrica o richiedono tecnologie molto complesse e, ovviamente, tenute segrete Il problema di fabbricare armi nucleari è fondamentalmente la reperibilità del materiale:

60 60 Plutonio Il Plutonio non esiste in natura, ma si ottiene dallU 238 quando assorbe un neutrone. Il nocciolo di un reattore è generalmente costituito da decine di tonnellate di uranio, quindi una grande quantità di materiale si trova esposta al notevole flusso di neutroni che si ha allinterno di un reattore, e tutto questo materiale, assorbendo neutroni, genera plutonio Lunico problema è che il Pu 239 estratto da molti tipi di reattori sia inquinato da Pu 240, un isotopo che ha proprietà che mal si conciliano con lutilizzo militare. Tendenzialmente si estrae un buon plutonio quando si tiene per poco tempo delluranio naturale in reattori moderati ad acqua pesante o a grafite, un plutonio peggiore se si parte da uranio arricchito tenuto molto in reattori moderati ad acqua leggera (I Pwr o i Bwr, cioè la stragrande maggioranza dei reattori per usi civili) Non è un caso che il plutonio usato per la prima bomba americana fosse stato generato da un reattore costituito da grafite e uranio naturale costruito da Fermi

61 61 Uranio arricchito. Cosè? Gli isotopi delluranio hanno comportamento chimico identico e massa solo lievemente diversa, ma hanno un comportamento totalmente diverso quando vengono irraggiati da neutroni lenti: quando un nucleo di U 235 viene colpito da un neutrone ha circa il 90% di probabilità di dividersi in due isotopo fissile (isotopo fissile) se un nucleo di U 238 viene colpito da un neutrone, invece, lo assorbe, e si trasforma dopo un po in Pu 239 isotopo fertile (isotopo fertile) Luranio naturale è costituito da 3 isotopi: U 238 (~ 99.3%) U 235 (~ 0.7%) U 234 (tracce)

62 62 Per utilizzarlo nelle armi nucleari (o anche nei reattori nucleari), è necessario arricchire luranio naturale con lisotopo fissile, e quindi aumentare la percentuale di U 235 uranio arricchito. Il materiale che ne deriva è noto come uranio arricchito. Per usi civili (centrali nucleari) si utilizza uranio arricchito al 2-3%, mentre per costruire una bomba atomica serve uranio arricchito oltre l80%, e di solito si cerca di arrivare al 90% uranio impoverito Il prodotto di scarto della lavorazione dellarricchimento delluranio è rappresentato dalluranio impoverito Uranio arricchito. Cosè?

63 63 Luranio impoverito Caratteristiche: Usi militari: Nelle corazze dei carri armati Nelle munizioni anticarro Nei missili e proiettili Prodotto di scarto (basso prezzo) Alta densità (~ 1.7 volte maggiore del piombo) Alto coefficiente di penetrazione Duttilità Piroforicità (alcume particelle prendono fuoco a contatto con laria )

64 64 Come si ottiene luranio arricchito? La separazione degli isotopi di un elemento è estremamente difficile da realizzare. Impiegando metodi chimici è impossibile ottenere una separazione totale, dal momento che le caratteristiche chimiche degli isotopi sono quasi identiche. Spesso è dunque necessario ricorrere a metodi fisici, che si basano su ridottissime differenze di proprietà chimico-fisiche, determinate dal diverso numero di massa I primi isotopi a essere separati furono quelli dell'idrogeno, nel 1932, ad opera del chimico statunitense Harold Urey. Nel caso dellH 1 e H 2, la differenza in peso degli isotopi è del 100%, mentre per lU 235 e U 238 le piccole differenze percentuali in numero di massa riducono considerevolmente l'entità degli effetti osservabili, e rendono molto complessa la separazione

65 65 I principali processi di arricchimento Centrifuga e distillazione Diffusione termica Diffusione gassosa Metodo elettromagnetico Ionizzazione selettiva laser

66 66 Tutti i metodi, fatta eccezione per quello elettromagnetico, richiedono un'elaborata successione di passaggi. Al termine di ciascuno di questi, la separazione è solo parziale: il materiale originario è diviso in due frazioni, una delle quali contiene una percentuale leggermente maggiore dell'isotopo più pesante e l'altra una percentuale maggiore di quello più leggero Per ottenere una concentrazione apprezzabile dell'isotopo desiderato, è necessario separare ulteriormente la miscela. Questo processo viene ottenuto grazie a una sequenza di fasi che procede a cascata: la frazione arricchita prodotta in ciascuna fase diventa il materiale di partenza per la separazione successiva, mentre la frazione scartata, che ancora contiene una considerevole percentuale dell'isotopo desiderato, viene aggiunta al materiale iniziale dello stadio precedente

67 67 Centrifuga e distillazione metodo della centrifuga Il metodo della centrifuga sfrutta la piccola differenza di massa tra i vari isotopi. Il materiale iniziale viene inserito in una sorta di cilindro rotante, che ha l'effetto di aumentare la concentrazione dell'isotopo più pesante nella regione più esterna del cilindro E il metodo più facile e redditizio per avere un buon potenziale di fabbricazione per costruire un arsenale nucleare metodo della distillazione Il metodo della distillazione consiste nel distillare una miscela contenente vari isotopi. Le molecole con punto di ebollizione più basso (gli isotopi più leggeri) si concentrano nel flusso di vapore e possono quindi essere raccolte

68 68 Diffusione termica metodo della diffusione termica Il metodo della diffusione termica sfrutta la tendenza delle molecole più leggere di un liquido o di un gas a concentrarsi nelle zone più calde Un semplice sistema per la diffusione termica consta di un alto tubo verticale, lungo il cui asse centrale è posto un filo riscaldato elettricamente alla temperatura di 500 °C; questo filo produce un gradiente di temperatura tra il centro e le pareti del tubo. Gli isotopi più pesanti tendono allora a concentrarsi nelle zone più esterne del tubo, quelli più leggeri verso il centro. Inoltre, il gas o il liquido vicino al filo tende a salire, mentre quello più esterno tende a scendere. L'effetto finale è quello di raccogliere gli isotopi più pesanti sul fondo del tubo e quelli più leggeri alla sua sommità

69 69 Diffusione gassosa metodo della diffusione gassosa Il metodo della diffusione gassosa si basa sulla diversa velocità di diffusione delle molecole con pesi molecolari diversi La velocità di diffusione di un gas è inversamente proporzionale alla radice quadrata della sua massa, così gli atomi leggeri diffondono attraverso una parete porosa più velocemente degli atomi pesanti. Nella separazione degli isotopi di uranio, lunico composto gassoso di uranio, l'esafluoruro (UF6) viene spinto continuamente attraverso una barriera porosa Il problema è che larricchimento per ogni stadio è molto basso, e che questi impianti consumano quantità immense di energia elettrica per pompare il gas. Inoltre il processo richiede l'uso di attrezzature e macchinari enormi, e di complessi metodi di controllo

70 70 Diffusione gassosa La diffusione gassosa fu il primo metodo, insieme al metodo elettromagnetico, usato su vasta scala per ottenere la separazione degli isotopi di uranio Nel corso del progetto per la fabbricazione della bomba atomica, questi due metodi furono sfruttati per produrre circa 1 kg di U 235 al giorno, che veniva impiegato nelle ricerche sulle armi nucleari

71 71 Metodo elettromagnetico (Culatrone) metodo elettromagnetico I primi quantitativi considerevoli di U 235 furono ottenuti a Oak Ridge, nel Tennessee (Stati Uniti), utilizzando il metodo elettromagnetico Un raggio ionico ottenuto da un composto di uranio viene inviato in un campo magnetico e attraversa una serie di unità separatrici. Siccome il raggio di curvatura della traiettoria degli ioni deflessi dipende dalla loro massa, ioni di masse diverse giungono al termine del percorso in tempi diversi, e ciò permette di separare i vari isotopi Questo metodo però consente di trattare piccole quantità di materiale a ciascuna operazione. A causa di questa limitazione, esso venne abbandonato al termine della guerra e sostituito con quello di diffusione gassosa

72 72 Ionizzazione selettiva laser (AVLIS) separazione degli isotopi con il laser La separazione degli isotopi con il laser nacque nei primi anni Sessanta, subito dopo l'invenzione del laser. Ebbe notevoli miglioramenti con l'invenzione del laser cromatico a lunghezza d'onda variabile, un dispositivo che produce un fascio di fotoni in uno stretto intervallo di frequenze, selezionabile con precisione fra le frequenze tipiche dell'infrarosso e quelle dell'ultravioletto Sfruttando questo principio di operazione, se un elemento viene previamente vaporizzato, i suoi atomi possono successivamente essere eccitati e ionizzati da un laser accuratamente sintonizzato, separando selettivamente gli isotopi. È anche possibile ottenere la separazione in forma molecolare, con un laser che dissocia quelle molecole del composto che contengono l'isotopo desiderato

73 73 Ionizzazione selettiva laser (AVLIS) Dal 1972, questi processi, in continuo miglioramento e sviluppo, furono finalizzati all'arricchimento dell'uranio e del plutonio per gli impianti e le armi nucleari Il metodo è costoso e di difficile realizzazione, ma in compenso richiede solo pochi stadi per la produzione di materiale estremamente arricchito

74 74 Bibliografia Joseph F. Mulligan, Fisica 3, ed. Cremonese, 1993 Paul A. Tipler, Corso di fisica – Fisica moderna, ed. Zanichelli, 1995 AA.VV., PPC – Progetto fisica – Volume B, ed. Zanichelli, 1986 Paolo Alberico, Fisica di base, ed. Minerva Italica, wwwsis.inf.infn.it/seminars/aesposito Sitografia


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