I nuclei e la loro energia

Presentazione sul tema: "I nuclei e la loro energia"— Transcript della presentazione:

1 I nuclei e la loro energia
Cosa è l’energia ….. ..... e cosa dovremmo sapere (in un’altra occasione) Le forze e le energie Atomi e nuclei L’energia dei e dai nuclei Come funziona un reattore nucleare A seguire: Perché il problema energetico italiano e mondiale non può essere risolto dalla energia nucleare Perché l’energia nucleare non può essere una risorsa per il futuro Invece si può .....

2 Energia: “s. f. 1. vigore fisico, forza dei nervi e dei muscoli 2
Energia: “s.f. 1. vigore fisico, forza dei nervi e dei muscoli 2. vigore spirituale, fermezza di carattere 3. efficiacia 4.(fis.) grandezza fisica esprimente la capacità di un sistema di sviluppare lavoro. (Dizionario Garzanti della lingua italiana) Cosa è una “grandezza fisica”? cosa è, nel linguaggio scientifico, il “lavoro”? non userò un linguaggio scientifico rigoroso .... cercando di essere ugualmente corretto nella presentazione dei concetti L’energia è un concetto legato al movimento: diciamo che un corpo possiede energia quando è in movimento attuale o è potenzialmente in grado di muoversi, se libero di farlo. Ad esempio: in un’automobile in corsa l’energia è collegata alla massa dell’auto e alla sua velocità, in un bacino di una centrale idroelettrica è collegata alla massa d’acqua che può scendere a valle e al dislivello che coprirebbe scendendo. La sua quantità (grandezza fisica) può essere misurata nelle diverse forme con cui si presenta

3 L’energia-movimento ci interessa perché movimento vuol dire possibilità di vita. Un universo senza movimento sarebbe un mondo senza eventi, senza vita: senza movimento del sangue nelle vene, senza alberi che crescono, senza materia che si sposta per riprodursi. Un’eterna fotografia. Più energia-movimento abbiamo a disposizione (anche a livello microscopico), più possibilità di vita abbiamo.

4 Attenzione Sul tema energia dovremmo sapere molte cose:
in che senso “si conserva” (cioè non sparisce mai) .... .... ma anche perché “degrada”, cioè è sempre meno utilizzabile quali sono le fonti primarie, cioè le sorgenti da cui ottiene l’energia necessaria la vita sulla Terra e, in particolare, l’uomo dell’era industrializzata in quali forme finali l’uomo le utilizza quali siano le forme più “nobili”, cioè meglio utilizzabili quali siano i limiti in quantità assolute, in efficienza di utilizzo e di potenza (ad es.: quanta energia ogni giorno) per le diverse fonti primarie

5 Forza: “s. f. 1. Vigore fisico, energia (sic. ) 2
Forza: “s.f. 1. Vigore fisico, energia (sic!) 2. facoltà, capacità di resistere, fortezza, potere 3.grandezza fisica tendente a modificare lo stato di quiete o di moto di ogni corpo su cui agisce ” (Dizionario Garzanti della lingua italiana) Ci accontentiamo di usare il vocabolo nel significato indicato al punto 3: come “causa” di movimento, un concetto, quindi, strettamente collegato a quello di energia. In natura ci sono 4 tipi di forze:  La forza di gravità che si esercita tra tutti i corpi È la forza principale responsabile dei moti dei corpi celesti o della caduta dei corpi verso il centro della Terra (forza peso). A livello atomico o nucleare, questa forza è tanto debole da poter essere solitamente trascurata.  La forza elettromagnetica che si esercita tra corpi dotati di carica elettrica; è quella responsabile della struttura atomica e, in senso lato, delle strutture che si realizzano nel mondo microscopico.  La forza detta “interazione debole”, che regola i decadimenti radioattivi . La trascuriamo del tutto perché non interessa il tema.  La forza detta “interazione forte” che si esercita tra le particelle costituenti il nucleo (protoni e neutroni)

6 L’intensità della forza dipende dalla distanza:
per le forze gravitazionale ed elettrica, vale la proporzionalità inversa con il quadrato della distanza per l’interazione forte, possiamo, in prima approssimazione, considerare la proporzionalità inversa con la sesta potenza della distanza se la distanza raddoppia-----> forze gravitazionale ed elettrica: la forza si riduce a un quarto interazione forte: la forza si riduce a un sessantaquattresimo se la distanza decuplica -----> forze gravitazionale ed elettrica: la forza si riduce a un centesimo interazione forte: la forza si riduce a un milionesimo

7 Atomi Al centro un nucleo composto d neutroni (elettricamente neutri) e protoni (elettricamente positivi) Ci limitiamo a modelli ottenuti come riduzione in scala della nostra immaginazione macroscopica La forza elettrica lega gli elettroni ai nuclei, similmente alla forza di gravità che lega la Terra al Sole Il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni ---> l’atomo è elettricamente neutro

8 -----> come una moneta da 10 centesimi
Protoni e neutroni hanno massa praticamente uguale, 1836 volte maggiore di quella degli elettroni -----> la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo. L’atomo è piccolo, il nucleo molto di più: “raggio” atomico (ordine di grandezza): metri (un decimo di miliardesimo) “raggio” nucleare (ordine di grandezza): metri (un centomillesimo di miliardesimo) -----> come una moneta da 10 centesimi al centro di un campo di calcio.

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10 Perché non esistono nuclei grossi come ciliege?
Proviamo, con la fantasia, a costruire i nuclei: con un protone facciamo il nucleo più piccolo: idrogeno se aggiungiamo uno o due neutroni facciamo altri due isotopi dell’idrogeno (stesse proprietà chimiche, nucleo di peso e proprietà diverse): deuterio e trizio se aggiungiamo ancora un protone facciamo il nucleo di elio (due protoni e due neutroni) se aggiungiamo altri protoni e neutroni facciamo tutti gli altri nuclei sino a che …. …. le distanze tra nucleoni sono tali che la interazione forte attrattiva diventa più debole della repulsione elettrica - i nuclei con più di 82 protoni sono allora instabili, mentre in natura non esistono nuclei con più di 92 protoni

11 Il nucleo naturale più pesante è l’uranio 238 ( U : 238 nucleoni di cui 92 protoni e 146 neutroni) I nuclei instabili (radioattivi) emettono particelle ed energia - raggi : nucleo di elio, due protoni e due neutroni - raggi -: un elettrone - raggi : energia sotto forma di onda elettromagnetica Nelle rocce e nell’aria si trovano nuclei radioattivi. Con altre radiazioni provenienti dallo spazio costituiscono il “fondo” radioattivo naturale Una dose superiore può provocare danni diversi gli esseri viventi (lascio a un’altra esposizione questo tema)

12 Energia dai nuclei l’energia di legame varia al variare del numero di nucleoni presenti nel nucleo possiamo rompere un nucleo pesante in due parti (fissione) o unire due nuclei leggeri in un solo nucleo (fusione) in entrambi i casi aumenta l’energia di legame

13 Immaginiamo delle biglie in una buca nella sabbia:
se la buca diviene più profonda le biglie scendono, e aumenta l’energia di legame mentre, scendendo, le biglie perdono la loro energia. Similmente, aumentando la loro energia di legame dei nucleoni, si perde energia entro il nucleo L’energia persa dal nucleo non sparisce (conservazione dell’energia): si trova quindi fuori dal nucleo. La fusione è il fenomeno che da energia alle stelle o che si libera nella cosiddetta “bomba H”. Non si è ancora riusciti a svilupparla in modo controllato. La fissione è il fenomeno che da l’energia della “bomba atomica” (quelle usata contro il Giappone) e da energia dei reattori nucleari. Ci occupiamo di quest’ultima

14 Energia dalla fissione - 1
Le sfere rappresentano i nucleoni Le molle compresse rappresentano le forze repulsive elettriche tra i protoni I fili tesi rappresentano le forze attrattive tra i nucleoni Con poca energia posso tagliare i fili: allora le molle fanno “esplodere” il sistema liberando una grande quantità di energia

15 Energia da fissione - 2 Le sfere rappresentano i nucleoni, prigionieri in un cratere in cima a un rilievo. Il proiettile lanciato verso il rilievo può raggiunge le sfere, urtarle e farle uscire dal cratere. In queste caso le sfere renderanno l’energia assorbita per superare il bordo del cratere, ma non solo: acquisteranno anche l’energia (molto maggiore) guadagnata scendendo dal rilievo.

16 Fissione

17 Reazione a catena

18 La fissione produce due nuclei (radioattivi) e due/tre neutroni “veloci”, cioè molto energetici (oltre a raggi  e neutrini) Questi, diffondendosi nella materia, possono urtare altri nuclei fissili e dare altre fissioni; aumentando enormemente il numero delle fissioni (reazione a catena). L’unico isotopo fissile utilizzato è l’ uranio 235 (23592 U) Se la reazione a catena si sviluppa senza controllo si ha la “bomba atomica” I neutroni si possono perdere perché - vengono catturati da nuclei non fissili escono dal volume contente il materiale fissile

19 Poiché i neutroni prodotti da una fissione si possono perdere, per sviluppare la reazione a catena è necessaria una “massa critica” di materiale fissile, ma ….. …..l’uranio è composto per il 99,28 % da U non fissile (solo una minima probabilità per neutroni veloci) per lo 0,71% da U fissile per lo 0,01% da U (che trascuriamo) Per raggiungere la massa critica in un reattore è necessario aumentare artificialmente, con un processo tecnologico complesso e costoso, di circa 4 volte la percentuale di uranio U. Otteniamo così l’ “uranio arricchito”. Il residuo con percentualmente meno uranio fissile è l’“uranio impoverito”, che ha diversi usi, compreso quello militare, per alcune sue eccezionali proprietà meccaniche.

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21 Ciclo dei neutroni in un reattore a regime
Giriamo in senso orario, partendo dal vertice in basso a sinistra N0 : numero iniziale di neutroni veloci prodotti da fissione N1 > N0 : numero di neutroni veloci dopo la fissione (poco probabile) dell’uranio 238 N2 < N0 : numero di neutroni lenti, dopo le perdite per fuga o assorbimento d parte dell’uranio 238 N3 < N2 <N0 : numero di neutroni che danno fissione sull’uranio 235, dopo le perdite per fuga e assorbimento da parte del moderatore e delle barre di regolazione. N4 = 2,6 * N3 = N0 (a regime) : numero di neutroni veloci ottenuti dalle N3 fissioni Ciclo dei neutroni in un reattore a regime Lll Llll

22 Il ciclo dell’uranio

23 Il materiale “esaurito” estratto dal reattore costituisce le cosiddette “scorie”, contenenti i prodotti della fissione, radioattivi. Le loro emissioni possono dare una radioattività nell’ambiente incomparabilmente maggiore rispetto al fondo naturale, con gravi rischi per la vita. I nuclei radioattivi possono esaurire la loro attività in tempi estremamente variabile, da frazioni di secondo a miliardi di anni. Ad esempio dimezzano la loro attività: Xenon in 9,1 ore Iodio in 8 giorni Cesio in 30 anni Plutonio in anni I fenomeni radioattivi sono indipendenti da qualsiasi trattamento meccanico e chimico: ciò significa che le scorie saranno inevitabilmente attive e pericolose per tempi “infiniti” rispetto alla storia umana. L’unica possibilità è stoccarle in luogo ritenuto sicuro. Ma sinora …..

24 Una bella idea (che non funziona)
L’ U (che costituisce la gran parte dell’uranio) non è fissile; invece può catturare un neutrone, subire alcune trasformazioni e diventare un elemento artificiale più pesante dell’uranio: il plutonio 23994Pu Il plutonio è fortemente radioattivo e per molto tempo (dimezza la sua attività in anni ); ma è anche fissile e può essere utilizzato in un reattore. Ecco la bella idea: facciamo un reattore “autofertilizzante” (breeder) nel quale si produce plutonio dall’ 23892U, moltiplicando così di alcune decine di volte la quantità del materiale disponibile. Il difetto: l’unico reattore autofertilizzante, costruito in Francia (SuperPhoenix), dopo anni di cattivo funzionamento, ingenti capitali investiti e problemi tecnici irrisolti, è stato definitivamente chiuso nel 2003.