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Cenni uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni.

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Presentazione sul tema: "Cenni uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni."— Transcript della presentazione:

1 Cenni uno sguardo sul problema energetico 3 lezioni

2 Cenni cenni di struttura dellatomo, Energia nucleare e fonti energetiche alternative rinnovabili, superconduttori

3 1^ parte struttura dellatomo, Energia nucleare di fissione

4 Energia nucleare

5 Prime applicazioni dellenergia nucleare Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici Limportanza dellidea di sfruttarla venne colta prima di tutti da Leo Szilard, non appena Niels Bhor, portò negli Stati Uniti, nel 1939, la notizia della teoria della fissione. Nella prima metà del '900 si formò una comunità di fisici di grandissimo valore negli Stati Uniti, scienziati in fuga dallEuropa, su cui gravava lombra del nazismo. Essa svolse una incisiva funzione di stimolo nei confronti dellautorità politica di quel Paese affinché sfruttasse le risorse offerte dalla scienza nella guerra contro la Germania.. Szilard riuscì a convincere Einstein a firmare una lettera al governo americano per sollecitarlo ad un impiego bellico della nuova bomba che la scoperta della fissione lasciava intravedere. Egli infatti era convinto che i tedeschi stessero facendo ricerche per produrre il nuovo tipo di bomba. Va sottolineato che Einstein fu sempre un convinto pacifista e in seguito assumerà una posizione nettamente contraria alluso di armi atomiche. La lettera di Einstein arrivò sul tavolo del presidente Roosevelt solo qualche mese dopo. Ma bisognò attendere fino al 1941 prima che Roosevelt decidesse di dare il via al progetto quando i servizi segreti inglesi confermarono che la Germania stava costruendo la bomba atomica.

6 Il progetto Manhattan mise in moto una macchina produttiva e di ricerca che non aveva precedenti nella realizzazione di un singolo manufatto e che trasformò profondamente il rapporto tra militari, industria e mondo della ricerca scientifica. Con lentrata in guerra degli U.S.A i tempi per la realizzazione della bomba atomica subirono una grande accelerazione dovuta anche ai grandi interessi economici che si nascondevano dietro un progetto che richiedeva praticamente fondi illimitati. Negli ultimi mesi del 1942, mentre venivano costruiti i laboratori per il progetto Manhattan, a Los Alamos in un area isolata del New Mexico, un gruppo di scienziati guidati da Fermi, in un locale ricavato sotto le gradinate di uno stadio di Chicago, stava costruendo una pila atomica o "reattore", per dimostrare concretamente la possibilità di avviare una reazione a catena e di controllarla. Nel 1944 alcuni documenti ritrovati dalle truppe alleate permisero di capire che i tedeschi erano ben lontani dal costruire la bomba, da qui nacque il pentimento di molti scienziati che avevano contribuito alla costruzione del micidiale ordigno americano. Il resto è storia nota…

7 Linizio dello sfruttamento dellenergia nucleare a fini pacifici, per la produzione di energia elettrica risale agli anni Cinquanta del secolo scorso. A differenza della bomba in questo caso la reazione avviene in modo regolabile e controllato. Di decennio in decennio si è andata affermando come una promettente forma di energia alternativa alle fonti convenzionali non rinnovabili, soprattutto in virtù della sua convenienza economica. Poi, in seguito agli storici incidenti di Three Mile Island e di Černobyl, la proliferazione dei reattori nucleari ha subito un rallentamento. Secondo dati del 2007 la percentuale di energia elettrica di origine nucleare (di fissione) nel mondo rappresenta il 15,9% del totale; in Europa e in Giappone oltre il 30 %; in USA circa il 20%; in Italia non si produce energia nucleare dal 1987, data del referendum popolare che ne ha deciso la messa al bando. Nel mondo vi sono 440 reattori nucleari attivi E notizia di questi giorni il progetto Francia-Inghilterra per la costruzione di una nuova grande rete di centrali nucleari.

8 Prima però dobbiamo parlare un po dellatomo …

9 Strumenti e metodi dei fisici Una domanda che viene spontanea quando ci si accinge a parlare dellatomo e della sua struttura, è come gli scienziati studino e osservino latomo e le parti di cui si compone. È chiaro che i microscopi tradizionali non possono essere strumenti idonei, per esaminare le strutture atomiche e subatomiche: la luce ha una lunghezza d'onda troppo grande. Già da diverse decine di anni si sono potuti vedere singoli atomi e molecole con strumenti come microscopi elettronici o altri microscopi che sfruttano particolari fenomeni quantistici. Con essi si riescono a risolvere strutture distanti tra loro un decimo di miliardesimo di metro. ( Amstrong=Ă= m; nanometro =nm=10 -9 m; picometro=pn = m ; fermi=fm= m ) 1.Atomi di arsenico e gallio 2.Atomi doro e molecole di esatiofene 3.Strato di molecole di estiofene

10 Cosè?

11 E questo?

12 Per vedere dentro gli atomi si devono usare altri strumenti, si mandano opportune sonde a interagire con gli atomi,con i nuclei atomici e con le particelle che li costituiscono. In tale caso le immagini che si ottengono non sono del tipo visto prima, ma dallanalisi dei dati che si ricavano si può ricostruire la struttura che cè dietro. Le sonde usate possono essere elettroni, protoni… Per vedere le particelle più piccole occorre una particella con la lunghezza d'onda più piccola possibile. Il punto è che quasi tutte le particelle che ci circondano in condizioni ordinarie hanno lunghezze d'onda troppo grande. Sfruttando però gli effetti del principio di indeterminazione, i fisici delle alte energie aumentano negli acceleratori la quantità di moto di una particella riuscendo così a diminuire la sua lunghezza d'onda in modo da poterla usare come sonda.

13 Principio dindeterminazione Formulato dallo scienziato tedesco Werner Heisenberg nel Esso può esprimersi così: Se in qualsiasi misura riguardante la posizione e la velocità di un corpo moltiplichiamo tra loro lincertezza δx con cui conosciamo il valore della posizione e lincertezza δ(mv) con cui conosciamo il valore della quantità di moto, non possiamo mai trovare un risultato minore di un valore pari a 6,63* Js costante di Planck indicata generalmente con h In formula: δx*δ(mv)>=h

14 scattering Gli esperimenti di scattering sono dunque lunica soluzione per grandezze sub-atomiche, dal momento che losservazione causerebbe una modifica nelle condizioni di ciò che vorremmo vedere (in accordo con il principio di indeterminazione di Heisenberg) Questo tipo di esperimenti consiste nella collisione fra un fascio di particelle ed un certo bersaglio fisso od in movimento (detto target). Il bersaglio provoca la diffusione del fascio incidente (scattering=diffusione) e le particelle deviate vengono individuate da un apposito rivelatore. Così esposto, questo tipo di esperienza può sembrare molto lontano dallesperienza comune, tuttavia il più semplice ed immediato esempio di scattering fa parte della quotidianità: infatti, ogni volta che osserviamo qualcosa, il nostro occhio non fa altro che raccogliere la radiazione luminosa diffusa dagli oggetti da noi visti.

15

16 Struttura dellatomo

17 La struttura dell'atomo agli inizi del '900: Rutherford Verso la fine dellOttocento si fece strada lipotesi che le cariche elettriche avessero un ruolo importante nella struttura microscopica della materia. Nel 1897 lo scienziato inglese John Joseph Thomson scoprì lesistenza di elettrone. Nel 1911 lo scienziato neozelandese Ernest Rutherford concepì un esperimento che lo condusse a precisare in modo estremamente accurato il modo in cui le cariche elettriche positive e negative sono disposte negli atomi e nelle molecole. Egli bombardò una sottilissima lamina doro con le particelle alfa. Le particelle alfa o raggi alfa sono una forma di radiazione corpuscolare altamente ionizzante e con un basso potere di penetrazione, non possono superare strati di materia superiori ad un foglio di carta. Consistono di due protoni e due neutroni legati insieme dalla forza nucleare forte, si tratta quindi di nuclidi 4 He. Le particelle alfa sono tipicamente emesse da elementi radioattivi pesanti, per esempio dagli isotopi delluranio, del torio, del radio, etc., in un processo denominato decadimento α.

18 Esperimento di Rutherford Egli osservò come le particelle α che giungevano sulla lamina doro venivano deviate dagli atomi contenuti nella lamina stessa. Si scoprì che mentre la maggioranza delle particelle alfa attraversava la lamina senza deviare, alcune presentavano delle forti deviazioni: alcune, addirittura, rimbalzavano indietro. Le particelle alfa, cioè, si comportavano come delle palle di gomma lanciate a caso in un campo disseminato di paletti: alcune potrebbero attraversare il campo passando tra un paletto laltro, altre potrebbero toccare un paletto di striscio, deviando un po, ed altre ancora (poche se i paletti non sono molto fitti!) potrebbero rimbalzare indietro.

19 Il primo ad essere perplesso dei risultati sperimentali fu lo stesso Rutherford, che disse: è come se sparando ripetutamente con una pistola contro un foglio di carta, ogni tanto un proiettile tornasse indietro. I fatti potevano essere spiegati solo con lipotesi che la carica positiva degli atomi doro fosse raggruppata tutta insieme in un nucleo centrale,e dal rapporto tra particelle incidenti e particelle deviate(per forza coulombiana) ricavò anche una stima delle dimensioni nel nucleo ( diametro di 10 4 e 10 5 più piccolo di quello dellatomo). Ne risultò un modello atomico piuttosto semplice, modello di Rutherford. Secondo esso il nucleo positivo, che occupa uno spazio piccolissimo al centro dellatomo, tiene legato a sé con forze elettriche attrattive gli elettroni negativi, che lo circondano girandogli intorno con un moto incessante simile a quello dei pianeti intorno al Sole. Normalmente un atomo contiene tanta carica positiva quanta negativa: è quindi neutro.

20 Problemi irrisolti Il modello di Rutherford lasciava però insoluti alcuni problemi. Infatti Non riusciva a spiegare come particelle di uguale carica, quali i protoni, potessero convivere indisturbate nel nucleo senza respingersi reciprocamente. Non spiegava, inoltre, come mai gli elettroni in rapida rotazione attorno al nucleo non perdessero quota fino a cadere su di esso, dato che, secondo le leggi dell'elettromagnetismo, cariche elettriche in movimento dovrebbero perdere energia irradiandola sotto forma di onde elettromagnetiche.

21 Tra tutte le orbite quelle più vicine al nucleo sono quelle a cui compete lenergia minore ed anche quelle normalmente occupate dagli elettroni. Di solito gli elettroni più interni dellatomo occupano le loro orbite in modo stabile, mentre lelettrone più lontano, elettrone ottico, che più facilmente interagisce e scambia energia con lesterno, può spostarsi dallorbita normalmente occupata ad altre orbite più energetiche. Però un elettrone può accedere ad una orbita più esterna solo se riceve quella quantità di energia pari alla differenza tra lenergia della sua orbita e quella in cui deve andare. Dopo un certo tempo non potendo rimanere eccitato, lelettone ritorna nellorbita iniziale cedendo la differenza di energia sotto forma di radiazione. Bohr, pur introducendo una quantizzazione dellenergia, studia la situazione dell'elettrone utilizzando ancora le leggi della fisica classica la teoria di Bohr forniva livelli energetici corretti per l'atomo di idrogeno ma per atomi con più di un elettrone si rivelò problematica Già con latomo di elio per esempio che possiede due elettroni i risultati sperimentali non erano coerenti col modello

22 . In questo caso dobbiamo pensare ognuno degli elettroni interagisce non soltanto con il nucleo,ma anche con laltro elettrone. Il problema di determinare lorbita e quindi lenergia degli elettroni è pertanto equivalente al problema classico dei tre corpi, il quale non è risolvibile esattamente Il problema dei tre corpi consiste nel calcolare, data la posizione iniziale, la massa e la velocità di tre corpi, l'evoluzione futura di un sistema costituito da tre oggetti sotto l'influsso della loro reciproca attrazione gravitazionale. Si potrebbe pensare che in linea di principio il calcolo possa essere effettuato risolvendo le equazioni derivanti dalle leggi di Newton, come avviene normalmente in presenza di due corpi; si dimostra tuttavia che la soluzione generale delle equazioni dinamiche di un sistema gravitazionale a tre corpi, che pure esiste, non è scrivibile in alcun modo in una forma esplicita che risulti piú semplice delle equazioni originali di partenza. Soluzioni esplicite si possono trovare soltanto per casi particolari, mentre soluzioni di tipo approssimato sono ottenibili introducendo varie semplificazioni. Queste ultime si possono catalogare in due grandi gruppi: soluzioni di tipo numerico (un calcolatore determina per via approssimata l'evoluzione del sistema); soluzioni basate su perturbazioni. In entrambi i casi, il risultato trovato è valido solo per un determinato lasso di tempo, oltre il quale diverge in modo imprevedibile: il sistema è di tipo caotico

23 Il principio di indeterminazione di Heisemberg e la scoperta della doppia natura dell'elettrone da parte di de Broglie indicavano chiaramente una cosa: non era piú possibile trattare l'elettrone come una particella classica. Agli elettroni negli atomi non è possibile applicare le leggi della meccanica classica, che richiedono di poter misurare le posizioni, le velocità, le accelerazioni, ecc, dei corpi. Il comportamento degli elettroni viene descritto da altre leggi, quelle della meccanica quantistica. Le conseguenze del principio di indeterminazione, dato che il valore di h, costante di Plank, è molto piccolo, sono del tutto trascurabili per oggetti di dimensioni normali; sono tuttavia molto importanti quando abbiamo da eseguire misurazioni che riguardano corpi molto piccoli come gli elettroni.

24 In questa situazione, il concetto stesso di «orbita elettronica» perde qualsiasi significato, e nel modello atomico attualmente accettato le orbite sono scomparse, sostituite da zone più o meno estese che vengono chiamate orbitali, nelle quali lelettrone ha maggior probabilità di essere che in altre. Si puó dire che gli orbitali hanno varie forme e si protendono lontano dal nucleo in modo diverso, in relazione ai numeri quantici che ne caratterizzano la funzione d'onda. Ogni funzione d'onda, o orbitale, descrive uno stato dell'atomo. Le diverse funzioni d'onda di un atomo si denotano indicando i valori dei tre numeri quantici: n, l, m; a ogni terzetto di numeri quantici corrisponde un orbitale ben preciso.

25 Numeri quantici Anche se è sempre molto azzardato e approssimativo fare analogie tra grandezze classiche e grandezze quantistiche, sono abbastanza diffuse queste corrispondenze n numero quantico principale associato all'energia dell'elettrone nell'orbitale l numero quantico azimutale associato alla forma dell'orbitale m numero quantico magnetico associato all'orientazione dell'orbitale nello spazio m s numero quantico associato alla direzione di rotazione dell'elettrone sul suo asse (spin)

26 Solo una piccola osservazione di come n numero quantico principale possa essere connesso con lenergia e con leccentricità dellorbitale. Lelettrone ruota attorno ad un nocciolo formato dal nucleo e da altri elettroni e questi elettroni tendono a respingerlo,ossia ad indebolire il suo legame col nucleo. Pertanto se nel suo percorso si manterrà sempre al di fuori del nocciolo avremo leffetto massimo,sempre meno intenso quanto più lelettrone si avvicina al nucleo. Dunque il livello energetico è legato alleccentricità. Leccentricità delle orbite elettroniche ha comunque un numero limitato di valori permessi Per il principio di esclusione del Pauli è impossibile che due particelle identiche siano presenti nello stesso posto, con la stessa energia e i medesimi numeri quantici.

27 Nucleo dellatomo Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa dellatomo. Esso è costituito infatti da protoni e neutroni, che sono circa 2000 volte più pesanti degli elettroni che vi ruotano intorno. Per indicare un nucleo atomico si usa in genere la notazione A K Z dove K rappresenta lelemento chimico, Z il numero atomico, dato dalla somma del numero di protoni A il numero di massa,dato dalla somma di Z e del numero dei neutroni. Lespressione 235 U, ad esempio, rappresenta lisotopo delluranio di numero di massa 235 ISOTOPI Atomi con stesso Z ma diverso numero di neutroni

28 Il nucleo formato da protoni e neutroni Particella massa(kg) carica(C) p+ 1, , n 0 1, e , Dimensioni nucleo : m (fm) Dimensioni atomo : m ( Ǻ )

29 neutrone Particella priva di carica elettrica con massa pressoché uguale a quella del protone. L'esistenza del neutrone venne ipotizzata nel 1920 dal fisico britannico Rutherford, certamente scoperta dal nostro Majorana, che però non fece nessuna pubblicazione in proposito,e la verifica sperimentale si ebbe solo nel 1932 per merito del fisico britannico J.Chadwick. Come costituente del nucleo atomico il neutrone è una particella stabile; allo stato libero invece va incontro a decadimento beta trasformandosi in un protone, un elettrone e un neutrino, con un tempo di dimezzamento di circa 17 minuti. La caratteristica dei neutroni, che li differenzia dalle altre particelle subatomiche,cioè l'assenza di carica elettrica, ritardò la loro scoperta. Essi sono molto penetranti, e impossibili da osservare direttamente. L'assenza di carica del neutrone, lo rende non solo difficile da rilevare, ma anche difficile da controllare. Le particelle cariche possono essere accelerate, decelerate e deflesse da campi elettrici o magnetici, che però non hanno effetto sui neutroni. Inoltre, i neutroni liberi possono essere ottenuti solo dalla disintegrazione del nucleo; non esiste una fonte naturale. L'unico mezzo per controllare i neutroni liberi è quello di piazzare dei nuclei sulla loro traiettoria, in modo che vengano rallentati e deflessi o assorbiti dalla collisione. Questi effetti sono di grande importanza nei reattori nucleari e nelle armi atomiche.

30 Bomba al neutrone La bomba al neutrone (detta anche bomba N o armi ER enhanced radiation bombs ) è un arma nucleare che affida il suo potenziale distruttivo non a effetti termici o meccanici, come la bomba atomica o la bomba allidrogeno bensì ad un enorme flusso di neutroni.E un arma termonucleare relativamente piccola nelle quali il lampo di neutroni liberi generato dalla reazione di fusione nucleare viene lasciato libero di fuggire dalla struttura della bomba, il contenitore della bomba sono fatti in cromo o nichel in modo che ai neutroni sia consentito "sfuggire". La creazione della bomba al neutrone viene in genere attribuita a S.Cohen, che sviluppò il concetto nel 1958.All'inizio il Presidente J.F.Kennedy, si oppose al suo sviluppo I neutroni, essendo privi di carica elettrica, riescono ad attraversare la materia con grande facilità, non causandole danni se inanimata (ad eccezione dei vulnerabili circuiti integrati dei processori), ma causando mutazioni e rotture del DNA potenzialmente o invariabilmente letali per la vita organica. Nella versione americana della bomba al neutrone, dopo l'esplosione ad altezze inferiori ai 2 km, gli effetti termici e meccanici dell'ordigno si sviluppano fino ad un raggio 0,6 km, mentre le radiazioni hanno effetto immediato entro un raggio di 1,3 km. I neutroni veloci generati, interagiscono poco con l'atmosfera, ma per esempio, quando colpiscono le strutture in acciaio della torretta di un carro armato interagiscono con i nuclei atomici del ferro della corazza (per l'alta densità di nuclei di ferro presenti, che contengono anche molti neutroni e protoni) e così generano raggi gamma con grande capacità di penetrazione della corazza e letalità per gli esseri umani al suo interno.

31 Al suolo non si produce alcuna nube incandescente di fuoco, né le devastanti ondate di vento, e non esiste alcun fallout radioattivo, perché soltanto gli strati profondi del suolo assorbono i neutroni, rilasciando subito l'energia ricevuta dai neutroni come raggi gamma. Questi strati non vengono sollevati e quindi non si producono nuvole di polvere radioattiva. Queste caratteristiche fanno della bomba N un'arma ad impiego tattico, specialmente adatta a colpire esseri viventi dentro strutture metalliche e/o interrate. Come ad esempio per arrestare un'avanzata massiccia di mezzi terrestri o per colpire personale asserragliato in ricoveri sotterranei o in massicci edifici cittadini in cemento armato. Bisogna tenere presente che fenomeni di emissione di neutroni avvengono anche nelle deflagrazioni di ordigni nucleari e termonucleari: la loro portata è però assai esigua, dato che essa viene superata abbondantemente dagli effetti termici e dellonda durto Il Cox Report" del 1999 indica che la Cina è in grado di produrre la bomba al neutrone anche se non si conosce esattamente se qualche paese le abbia dispiegate abitualmente nel proprio arsenale o se le abbia in effetti impiegate. Una bomba al neutrone richiede una quantità considerevole di trizio, che ha una emivita di 12,3 anni, cosa che rende impossibile immagazzinare in efficienza l'arma per periodi più lunghi.

32 Altre applicazioni Con i neutroni si può guardare allinterno di antichi manufatti per svelarne la struttura e la composizione e senza perforare o danneggiare loggetto. E quanto si propone di realizzare il progetto Ancient Charm (in italiano Fascino Antico) che coinvolge ben dieci tra Università, Musei e centri di ricerca della Unione Europea. Il progetto ha lobiettivo di sviluppare un insieme di tecniche dindagine che utilizzano i neutroni per lanalisi non invasiva dei beni culturali. Questi potenti occhi artificiali permetteranno di indagare in dettaglio le proprietà dei materiali di cui è costituito un artefatto, di approfondirne la conoscenza, di intervenire per la sua conservazione, il restauro e magari riportarlo allantico splendore.

33 UN macchinario speciale miniaturizzata e trasportabile,è stato messo a punto dai tecnici dell´università di San Diego in California capace di investire con un fascio di neutroni la parete affrescato dal Vasari del Salone dei Cinquecento a Firenze, sotto il quale dovrebbe esserci il capolavoro di Leonardo la «Battaglia di Anghiari». Possibile che Vasari realizzando il Salone dei Cinquecento abbia distrutto completamente il capolavoro? L´interrogativo tormenta studiosi e gli storici dell´arte da secoli. Vari studi sono già stati fatti in proposito con l´introspezione muraria, con una macchina radar, con scansioni tridimensionali e ad alta definizione, per rilevare la struttura muraria e raccontare come è articolata all´interno. Toccherà adesso alla strumentazione nucleare di San Diego La macchina è un congegno sofisticatissimo, che utilizza tecnologia nucleare di tipo militare in parte coperta anche da segreto e che investendo con fasci di neutroni la parete saprà riconoscere i materiali estranei a quelli dei campioni di calce, gesso e mattoni del corpo di fabbrica Palazzo Vecchio,cioè leggere se all´interno vi siano materiali come pigmenti di terre, colori e minerali, usati appunto da Leonardo nel dipingere il suo affresco.

34 Interazione forte Cosa tiene assieme i componenti del nucleo? I protoni tutti carichi positivamente, dovrebbero respingersi, con una forza enorme, dunque deve esistere una forza molto più intensa di quella elettromagnetica, è l interazione forte. Per scoprirne le sue caratteristiche facciamo una prima osservazione

35 La massa dei vari nuclei, sperimentalmente risulta sempre leggermente inferiore alla somma delle masse dei protoni e dei neutroni che lo compongono. Tale difetto di massa trova la sua spiegazione nella teoria della relatività. Se noi volessimo scomporre un nucleo nei suoi componenti,dovremmo compiere un lavoro per vincere le forze che li tengono uniti, ossia fornire energia al sistema, tale è lenergia di legame. Per la legge di conservazione di massa-energia (E=mc 2 ) possiamo dire che il difetto di massa di un nucleo è pari in valore assoluto alla massa della sua energia di legame Come linterazione fra particelle cariche avviene per scambio di fotoni virtuali, linterazione fra nucleoni avviene mediante lo scambio di gluoni, elettricamente neutri, dotati di carica di colore.

36 Difetto di massa ed energia di legame nucleare il difetto di massa m rappresenta la frazione di materia convertita in energia e che si libera quando protoni e neutroni formano un nucleo 1 eV = 1, C x 1 V = 1, J Normalmente lenergia delle particelle viene misurata in elettronvolt (eV)

37 Energia di legame per nucleone definisce stabilità del nucleo

38 Se analizziamo landamento dellenergia di legame per singolo nucleone in funzione della massa dei vari nuclei, scopriamo che essa cresce rapidamente dai nuclei leggeri fino a quelli con massa prossima a 60 in cui raggiunge il valore massimo e poi diminuisce lentamente andando verso i nuclei pesanti. Ciò si può giustificare ammettendo che il raggio dazione dellinterazione forte sia estremamente breve, ossia inferiore alle dimensioni di un nucleo di massa media. Ciò spiega anche come al crescere del numero di massa A i nuclei diventino via,via più instabili e come in natura non possano esistere nuclei il cui peso superi un certo valore

39 Osserviamo che il grafico presenta un massimo in corrispondenza al valore di A corrispondente al nucleo del ferro Questo significa che il nucleo del ferro è più strettamente legato di qualunque altro nucleo. La curva è crescente per i nuclei con A minore di 60 e decrescente per quelli con A maggiore dello stesso valore. Le reazioni che possono avvenire con vantaggio energetico, quindi, sono quelle di fusione tra nuclei leggeri che diano come risultato un nucleo non più pesante del ferro, e quelle di fissione di nuclei molto pesanti: è in queste reazioni che viene liberata energia, in quantità pari alla differenza di energia di legame tra i prodotti e i reagenti. Dunque, risulta evidente che due sono i processi nucleari che si possono sfruttare per produrre energia: la fissione di nuclei pesanti e la fusione di nuclei leggeri.

40 Modelli nucleari Come sia effettivamente strutturato il nucleo è ancora argomento di studio: attualmente viene accettato un modello collettivo, nato dallintegrazione del modello a goccia e del modello a shell. Nessuno di questi soddisfa pienamente i molti quesiti sulla natura del nucleo. Una completa comprensione della struttura del nucleo, troverà il suo fondamento quando si avrà compreso appieno la struttura dei nucleoni, struttura a sua volta molto composita.

41 Il modello a goccia di liquido fu ipotizzato nel 1939 da Niels Bohr e da J.Wheeler per spiegare la perdita di massa durante una fissione nucleare. Quando il nucleo viene colpito da un neutrone si produce un assorbimento di questa particella da parte del nucleo stesso e ciò causa un eccesso di energia che determina un moto oscillatorio (come una goccia di liquido che ha assorbito energia meccanica). Il moto oscillatorio causa quindi un allungamento del nucleo finché questo non si rompe. Il modello a guscio (Shell) il modello a goccia è in grado di spiegare le proprietà del nucleo durante la fissione nucleare, ma non dei singoli nucleoni. Secondo il modello a guscio (shell, o a strati) i nucleoni hanno proprietà simili a quelle degli elettroni intorno al nucleo, ovvero essi si trovano su orbitali dove agiscono forze nucleari attrattive. Quando il numero di neutroni o protoni corrisponde ai cosiddetti numeri magici" (2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126) i nuclei sono particolarmente stabili, mentre nucleoni successivamente aggiunti risultano debolmente legati (1 - 2 MeV). Secondo il modello a strati, all'interno del nucleo i nucleoni si riuniscono in coppie del tipo n-n e p-p.

42 Fissione nucleare

43 Il funzionamento di una centrale a fissione nucleare, in linea di principio, è molto simile a quello di una centrale termoelettrica convenzionale, soltanto che lacqua viene riscaldata al punto di azionare una turbina da un reattore nucleare, invece che da nafta o metano Nei reattori nucleari a fissione vengono indotte, sostenute e controllate reazioni a catena di fissione delluranio 235. Un nucleo di questo isotopo, bombardato da un neutrone, si spezza in due frammenti, generando grandi quantità di energia (dovuta al difetto di massa) e altri neutroni che a catena provocheranno altre reazioni di fissione. Per ottenere materiale fissile che sia adatto allo scopo(che emetta neutroni) è necessario però arricchire luranio,aumentando la concentrazione dellisotopo uranio 235,rispetto al meno radioattivo 238, la concentrazione deve passare dallo 0.71% al 3,2% o 3.6% a seconda il tipo di reattore. Nel processo di arricchimento da 100kg di uranio metallico si ottengono 12,5kg di uranio arricchito al 3.6% il resto,uranio impoverito allo 0.3% è scarto da eliminare. Le pastiglie di uranio sono contenute in un involucro metallico ad altissima resistenza, capsule di acciaio o lega di zirconio; l'elemento moderatore può essere la grafite o lacqua pesante (acqua che, al posto del normale idrogeno, ha due atomi di deuterio)

44 Schema di centrale nucleare PWR (Pressurized Water Reactor)

45 Perchè una reazione nucleare a catena possa svolgersi in maniera continua nel tempo deve essere presente una certa massa di materiale fissile: la massa critica. La massa critica di un materiale fissile dipende dalle proprietà nucleari (per esempio la sezione durto), e dalle proprietà fisiche (in particolare la densità), la forma, e la purezza (materiali impuri contengono assorbitori neutronici). Circondare del materiale fissile con un riflettore di neutroni riduce la massa necessaria, mentre miscelare al fissile un'assorbitore neutronico la fa aumentare: infatti il riflettore diminuisce le fughe di neutroni verso l'esterno, mentre l'assorbitore riduce il numero di neutroni disponibili per la reazione a catena Un reattore nucleare in cui la reazione a catena può manifestarsi in condizioni stazionarie è chiamato critico, e in un tale complesso, senza un nuovo ingresso di neutroni, la reazione si sostiene da sola

46 Un esempio di configurazione del nocciolo di un reattore nucleare a fissione

47 Lenergia di fissione nucleare Lenergia nucleare si sprigiona per trasformazione dei nuclei di uranio (isotopo 235) bombardati da neutroni Luranio viene scisso in nuclei di atomi radioattivi e neutroni secondari: 235 U + n 148 La + 85 Br + 3 n + E Lenergia liberata è allincirca 3* J per nucleo di uranio 235. Con un Kg si libera energia equivalente a megawattora, pari alla combustione di 3*10 6 t di carbone Lattanzio e berillio

48 Ogni sei mesi, un anno, il combustibile deve essere sostituito. Lo si fa inserendo nuove barre di uranio al posto di quelle consumate che tuttavia non sono inerti ma cariche di tutti i prodotti della fissione in forma solida, liquida o gassosa, che continuano a emettere raggi alfa, beta e gamma. A questo stadio la radioattività è ancora così intensa da produrre calore e imporre quindi un energico raffreddamento del materiale. Le barre vanno prima trasferite in vasche di raffreddamento annesse alla centrale, dove ha luogo una parziale decontaminazione naturale con il decadimento dei radioisotopi a vita più breve; quindi sottoposte, in appositi impianti, a un trattamento chimico per la separazione dei vari elementi, con il recupero dell'uranio non trasformato dalla fissione e l'accantonamento del plutonio e delle altre scorie.

49 vantaggi Lanalisi dellequazione di fissione delluranio 235 consente di evidenziare subito il principale vantaggio del nucleare: lenorme quantità di energia che ogni singola fissione produce. La quantità di energia che si può ricavare da un nucleo atomico, infatti, è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene da qualunque reazione chimica, cioè dalle trasformazioni che coinvolgono solo la parte più esterna dellatomo. Nella combustione del petrolio, ad esempio, 1 kg di combustibile produce una quantità di calore che corrisponde a circa 1,6 kilowattora; in una tipica reazione nucleare di fissione, invece, la stessa quantità di uranio 235 sviluppa calore equivalente a 18,7 milioni di kilowattora. Tenuto conto anche delle fasi di estrazione e di processamento, inoltre, il costo di produzione dellenergia nucleare è in assoluto il più basso di tutte le fonti di energia, rinnovabili e non rinnovabili. Rispetto ai combustibili fossili, la produzione di energia nucleare non comporta lemissione di gas nocivi quali anidride carbonica, ossidi di zolfo e di azoto, principali responsabili di fenomeni ambientali quali le piogge acide e leffetto serra. Infine, lalto rendimento del combustibile nucleare rispetto a quello fossile comporta anche vantaggiosi risparmi di spazio in fase di trasporto e in termini di dimensioni degli impianti

50 svantaggi Gli svantaggi dello sfruttamento dellenergia nucleare derivano dallelevato livello di radioattività che accompagna tutte le fasi del processo produttivo, dalla reazione di fissione vera e propria fino allo smaltimento dei rifiuti. Tutta questa radioattività impone una serie di rigorosissime misure di controllo e protezione nelle diverse fasi di produzione e va ad accrescer notevolmente i costi per la costruzione e la gestione degli impianti Inoltre, per quanto molto piccolo, e per quanto i sistemi di sicurezza e controllo siano sempre più affidabili, rimane sempre il rischio di gravi incidenti come quello di Černobyl Altro grave problema è la proliferazione controllata e non controllata della armi nucleari e i pericoli connessi al terrorismo.

51 Il problema delle scorie radioattive Una delle questioni più delicate riguardanti la produzione di energia nucleare è quella dellimmagazzinamento a lungo termine delle scorie. Per scorie radioattive si intende tutto il complesso dei materiali entrati in qualche misura nel processo di produzione dellenergia nucleare, già radioattivi in origine o contaminati successivamente: dalle barre di combustibile usato, che contengono i frammenti di fissione, altamente radioattivi, alle strutture di contenimento, ai fluidi del circuito di raffreddamento. Questi materiali rimangono radioattivi per tempi lunghissimi, dellordine di milioni di anni, il che impone che vengano stipati in siti geologicamente stabili, e protetti da strutture capaci di schermare tutti i tipi di radiazione. La quantità di scorie prodotte non è eccessiva, soprattutto se paragonata a quella generata in proporzione dagli impianti di sfruttamento dei combustibili tradizionali: si stima che un tipico reattore a fissione da 1000 MW produca ogni giorno circa 3,2 kg di scorie e, in trentanni, circa 30 tonnellate; a parità di energia erogata, si calcola che i rifiuti generati da un impianto di combustione del carbone ammonterebbero invece a circa 8 milioni di tonnellate, vale a dire a una quantità in peso volte superiore. Le attuali tecniche di processamento delle scorie prevedono un primo trattamento chimico o meccanico di riduzione del volume e un successivo stoccaggio in contenitori di acciaio inox, allinterno di cavità sotterranee. Per alcuni tipi di scorie si procede preventivamente alla vetrificazione. I siti geologici più adatti ad accogliere materiali radioattivi potrebbero essere formazioni granitiche molto compatte o formazioni argillose a permeabilità molto bassa. I ricercatori stanno vagliando altre possibilità, quali leliminazione delle scorie mediante invio nello spazio (su unorbita solare) o il riciclo del materiale radioattivo più pericoloso, mediante irraggiamento con neutroni e produzione di materiale fissile riutilizzabile

52 L' Inventario Nazionale dei Rifiuti Radioattivi - ENEA 2000 In Italia abbiamo m 3 di scorie radioattive

53 Intervento del prof. Rubbia* sul problema dello smaltimento dei rifiuti radioattivi Vengono qui sotto riportate le esatte parole di Carlo Rubbia: Si apre a questo punto grave problema dell'eliminazione dei rifiuti radioattivi. Con vari metodi sono inceneriti, triturati, macinati, pressati, vetrificati e inglobati in fusti impermeabili a loro volta disposti in recipienti di acciaio inossidabile, veri e propri sarcofaghi in miniatura. Queste "vergogne" dell'energia nucleare vengono nascoste nelle profondità sotterranee e marine. Non abbiamo la minima idea di quello che potrebbe succedere dei fusti con tonnellate di sostanze radioattive che abbiamo già seppellito e di quelli che aspettano di esserlo. Ci liberiamo di un problema passandolo in eredità alle generazioni future, perché queste scorie saranno attive per millenni. La sicurezza assoluta non esiste neppure in quest'ultimo stadio del ciclo nucleare. I cimiteri radioattivi possono essere violati da terremoti, bombardamenti, atti di sabotaggio. Malgrado tutte le precauzioni tecnologiche, lo spessore e la resistenza dei materiali in cui questi rifiuti della fissione sono sigillati, la radioattività può, in condizioni estreme, sprigionarsi in qualche misura, soprattutto dai fusti calati nei fondali marini. Si sono trovate tracce di cesio e di plutonio e altri radioisotopi nella fauna e nella flora dei mari più usati come cimiteri nucleari. Neppure il deposito sotterraneo, a centinaia di metri di profondità può essere ritenuto secondo me, completamente sicuro. Sotto la pressione delle rocce, a migliaia di anni da oggi, dimenticate dalle generazioni a venire, le scorie potrebbero spezzarsi o essere assorbite da un cambiamento geologico che trasformi una zona da secca in umida, entrare quindi nelle acque e andare lontano a contaminare l'uomo attraverso la catena alimentare. A mio parere queste scorie rappresentano delle bombe ritardate. Le nascondiamo pensando che non ci saremo per risponderne personalmente *premio nobel per la fisica e presidente dellEnea

54 Rubbiatron L' Enea sta sperimentando già da qualche tempo una nuova tecnologia messa a punto dal premio Nobel Carlo Rubbia che consentirebbe di bruciare le scorie radioattivee in particolare quegli elementi che hanno vita troppo lunga per garantire la sicurezza ambientale futura. L attività sperimentale di Rubbia si basa sullutilizzo del sistema ADS, ovvero sullaccoppiamento tra un acceleratore di particelle ad altissima intensità e un dispositivo sottocritico nucleare. LADS è il frutto della reciproca fecondazione di tecnologie indipendenti: gli acceleratori di particelle come quelli usati per la ricerca, i reattori – operati in regime sottocritico - refrigerati a piombo fuso, come quelli usati nei sottomarini russi, e il trattamento dei combustibili usati. Il motore nucleare ideato da Carlo Rubbia è una delle numerose applicazioni pratiche di un esperimento, il TARC, nato con finalità di ricerca pura. L'esperimento TARC è stato avviato da Carlo Rubbia nel 1996 al Ps, il Sincrotrone a protoni del Cern di Ginevra. Scopo dell'esperimento era studiare il comportamento di alcuni particolari atomi nelle reazioni di fissioni nucleare. Da questo esperimento lo scienziato italiano è riuscito a ricavare numerose applicazioni pratiche, ora in fase di sviluppo.

55 "L'idea, dunque, è stata quella di provocare una trasformazione delle scorie radioattive, una trasmutazione, bombardandole con neutroni che si ottengono sparando protoni nel piombo fuso. Così, uranio e plutonio diventano sostanze diverse che non emettono più radiazioni o devono essere contenuti per un periodo ben più breve, non oltre anni: vale a dire un tempo nel quale ragionevolmente si può pensare di gestire un controllo. Al Cern abbiamo già condotto esperimenti per verificare la nuova idea e il sistema funziona. Per sparare i protoni utilizzo un acceleratore di particelle come quelli che normalmente utilizziamo nello studio della materia. La difficoltà tecnica forse maggiore è l'impiego del piombo fuso, ma ci possono dare una mano i russi; loro hanno sviluppato questa tecnologia per scopi militari, e ho già contatti con gli scienziati di Mosca che sono interessati al progetto". Ma oltre a distruggere le scorie radioattive, la macchina di Rubbia nasce con l'obiettivo di generare energia, con un vantaggio sui generatori nucleari finora Se nel piombo fuso immergo del torio invece delle scorie, i neutroni che lo colpiscono provocano una fissione nucleare, cioè una reazione nella quale ottengo calore utilizzabile per generare energia elettrica. Perché è più sicuro degli altri? Primo: utilizzo come elemento combustibile il torio, che si trova normalmente nella crosta terrestre, ma è tre volte più abbondante dell'uranio e, soprattutto, elimino quasi completamente le scorie radioattive, e in particolare il terribile plutonio. Secondo: a tenere acceso il reattore ci pensa liniettore di protoni. Se cè un problema, lo spengo come giro linterruttore della luce e la reazione si blocca istantaneamente. Nulla può sfuggire di mano e portare allincubo della fusione del nocciolo, come accadde a Chernobyl."

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57 Bibliografia Caldirola-Casati-Tealdi Fisica Ed. ghisetti-Corvi Bergamaschini-marazzini- Mazzoni Quanti,particelle,cosmologia Ed. Signorelli "Energia nucleare," Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online © Microsoft Corporation


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