ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE a cura di STEFANO GRANDE

PREREQUISITI Forze nucleari, forze di legame , radioattività, fissione Meccanica (energia cinetica, energia termica, principio di azione e reazione e principio d’inerzia) Elettromagnetismo ( forze coulombiane, campo magnetico prodotto da un campo elettrico ed effetto Joule ) Relatività (acceleratore di particelle e relazione di Einstein : E=mc2)

OBIETTIVI FORMATIVI E DISCIPLINARI rendersi conto dell’importanza degli studi scientifici per migliorare le condizioni di vita sulla terra prendere coscienza delle difficoltà tecniche per la realizzazione di reattori a fusione a livello industriale saper collocare storicamente gli studi sul processo di fusione nucleare sapere cosa si intende per fusione nucleare saper fare un confronto tra fusione e fissione (tra energie e scorie radioattive prodotte) sapere come funzionano i principali reattori a confinamento magnetico

CENNI STORICI Entra nella storia della Fisica negli anni 20: quali meccanismi sono alla base della continua emissione di energia da parte del Sole? Anni 30: idea degli scienziati di produrre energia di fusione in laboratorio→ problema dei tempi di reazione lunghi (tempo caratteristico per le stelle : 109anni – la potenza liberata per unità di massa è piccola) 1938: Hahn e Strassman producono la prima reazione di fissione nucleare (uranio bombardato da neutroni) 1942: Primo reattore nucleare ; 1945: bomba atomica → energia prodotta da una esplosione atomica per innescare reazioni di fusione ( ~10-9s)

1952: Prima esplosione termonucleare americana ( e sovietica l’anno dopo) ricerche segrete sulla fusione controllata (USA,URSS,Gran Bretagna,Francia) difficile realizzazione del primo reattore a fusione (mentre “facile” quello a fissione → reazione a catena : neutroni prodotti dalla fissione dell’uranio 235) 1961: ideato lo Stellarator (configurazione toroidale per il confinamento magnetico del plasma) a Princeton → Plasma Physics Laboratory 1968: orientamento delle ricerche verso configurazioni di tipo Tokamak → Istituto Kurchatov di Mosca

LA FUSIONE NUCLEARE Processo nel quale due nuclei “leggeri” si uniscono liberando energia: il nucleo prodotto ha massa minore della somma delle masse dei nuclei originari → ΔE= Δmc2 (difetto di massa = differenza di massa fra i costituenti nucleari e il nucleo) Nuclei a distanza <10-12 cm : entrano in gioco le forze nucleari Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche (barriera di potenziale dovuta alla forza elettrica coulombiana repulsiva : U=Z1Z2e2/R) → occorre fornire energia cinetica elevata per l’avvicinamento. Effetto tunnel Si riscaldano i nuclei con l’esplosione di una bomba Atomica (innesco) → reazione termonucleare Temperatura elevata a milioni di gradi  notevole aumento dell’oscillazione termica: i nuclei si avvicinano fino a interagire (interazione forte) inizia il processo di fusione

ESEMPIO DI FUSIONE NUCLEARE 1 atomo di deuterio H2 e 1 di trizio H3 (isotopi dell’idrogeno) si fondono: Energia liberata 10 volte superiore a quella della fissione nucleare. Reazione nucleare = energia pulita? Non ci sono scorie radioattive, ma provocherebbe un innalzamento della temperatura del globo.

D + T → He4 + n + 17.6 MeV

Altri esempi di fusione 1H1 + 1H1  = 1H 2 + e+ + v + Q 1H2 + 1H2  = 1H 3 + 1H1+ 4 MeV La prima delle tre rappresenta la reazione più promettente per diversi motivi, tra questi il fatto che gli elementi interagenti sono facilmente ricavabili: l’atomo di deuterio può essere facilmente estratto dall’acqua di mare, ve ne è uno ogni 7000 di idrogeno, mentre il trizio, irreperibile sulla terra perché ha un tempo di decadimento molto breve, si può ottenere dalla reazione di fissione del litio (quest’ultimo è abbondante sulla crosta terrestre).

Ricordando che: Fissione dell’uranio 235: U235 cattura un neutrone e si scinde in due elementi di massa intermedia ed emette altri tre neutroni

FUSIONE E FISSIONE A CONFRONTO Facendo un breve confronto tra le energie ottenibili dalla reazione di fusione e da quella di fissione:   fusione   17,6 MeV /5 nucleoni = 3,5 MeV/nucleone fissione   200 MeV/235 nucleoni »1 MeV/nucleone (1 eV = 1,60219 x 10-12 erg = 1.6 x 10-19 J). vediamo che per ogni ‘unità di massa’ l’energia liberata dalla reazione di fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione.

VANTAGGI DELLA FUSIONE RISPETTO ALLA FISSIONE minori scorie radioattive (con la fusione verranno prodotti tra 10 e 100 volte meno radioisotopi). la fusione nucleare è una fonte energetica quasi rinnovabile (gli elementi che interagiscono nel processo sono facilmente reperibili sulla terra ) maggior energia sviluppata

REATTORI NUCLEARI Problemi tecnologici per la fusione controllata in laboratorio: riscaldamento del gas ad altissima temperatura e il "confinamento" dei nuclei reagenti Confinamento magnetico : l’ostacolo della repulsione tra i nuclei interagenti nella fusione viene risolto portando la miscela di deuterio e tritio ad altissime temperature Confinamento inerziale: il bombardamento di raggi X, oppure di raggi laser, su una capsula di deuterio e tritio che ne provoca la fusione

TOKAMAK T> 100.000 °C: H ionizzato. Come mantenere l'idrogeno alla temperatura di decine di milioni di gradi? Quale contenitore può reggere ad una prova così devastante? Il gas reagente è sotto forma di plasma: DEUTERIO + TRIZIO → PLASMA (con riscaldamento o passaggio di corrente) T~100 milioni di gradi: gli ioni positivi di deuterio e tritio, che tendono a respingersi, acquistano un energia cinetica (dovuta all’agitazione termica) che fa superare la repulsione, avviene dunque la fusione. Tempo di confinamento: periodo di tempo necessario affinchè si stabiliscano le condizioni di temperatura opportune

n + 3Li6 = 2He4 + 1H3 n + 3Li7 = 2He4 + 1H3 + n oppure Alcuni neutroni prodotti dalla reazione vengono riutilizzati per produrre tritio, nella reazione: n + 3Li6 = 2He4 + 1H3 oppure n + 3Li7 = 2He4 + 1H3 + n

IL PLASMA Plasma (ioni ed elettroni liberi) confinato e “sospeso” in una regione toroidale 3 campi magnetici →forza di Lorentz (perpendicolare al campo magnetico e alla corrente che fluisce) :il plasma non si raffredda a contatto con le pareti del reattore nucleare. Uno di questi campi magnetici è generato da una forte corrente circolare di circa 1 milione di A, che attraversa il plasma stesso; inoltre esso provoca  il riscaldamento del plasma e quindi lo porta ad avvicinarlo alle condizioni di fusione.

BOTTIGLIA MAGNETICA una componente della velocità è parallela alle linee di flusso magnetico una componente è perpendicolare alle linee di flusso ( moto di girazione) composizione dei due moti → moto elicoidale lungo le linee di forza

Macchina a confinamento magnetico

SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FUSIONE CONFINATA

Reazioni di fusione del plasma nel contenitore toroidale Litio intorno, utile per la produzione del trizio. L’elio è raccolto all’esterno del reattore. Energia sottoforma di calore portata via dall’acqua, come nei reattori a fissione, per produrre energia elettrica.

SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FISSIONE NUCLEARE

Rendimento di un reattore Per avere interesse dal punto di vista pratico un reattore dovrebbe fornire almeno l’energia spesa per farlo funzionare (cioè per scaldare il plasma ecc.): η = potenza prodotta dalle reazioni nucleari/ potenza iniettata - deve essere maggiore di 1 Sistema di riscaldamento: iniezione di atomi neutri nel plasma (non soggetti al confinamento magnetico)→ energia cinetica termalizzata

SPERIMENTAZIONI Ad oggi non è possibile realizzare processi di fusione controllati, autosostenuti e con sviluppo programmato di energia 1993 a Princeton (New Jersey) : prototipo sperimentale sulla fusione controllata → la temperatura raggiunse un valore superiore al triplo di quella del nucleo del Sole 1992: Iter (International Tokamak experimental reactor) → sperimentazione nel giro di 30 anni, potrebbe cominciare a produrre energia pulita a basso costo (autosostenuto)

Bibliografia IMMAGINI DELLA FISICA, U. Amaldi, Zanichelli Editore IL FUOCO DELLA FUSIONE TERMONUCLEARE CONTROLLATA Caldirola, Pozzoli, Sindoni, Mondadori Editore