uno sguardo
sul problema
energetico
3 lezioni
cenni
di
struttura dell’atomo,
Energia nucleare
e fonti energetiche
alternative rinnovabili,
superconduttori
1^ parte
struttura dell’atomo,
Energia nucleare
di fissione
Energia nucleare
Prime applicazioni dell’energia nucleare
• Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la
produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici
• L’importanza dell’idea 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 dall’Europa, su cui
gravava l’ombra del nazismo. Essa svolse una incisiva funzione di stimolo
nei confronti dell’autorità 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 all’uso 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.
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 l’entrata 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…
• L’inizio dello sfruttamento dell’energia 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.
Prima però dobbiamo parlare un po’ dell’atomo…
Strumenti e metodi dei fisici
• Una domanda che viene spontanea quando ci si accinge a
parlare dell’atomo e della sua struttura, è come gli scienziati
studino e osservino l’atomo 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=10-10 m; nanometro =nm=10-9 m; picometro=pn =10-12 m ; fermi=fm= 10-15 m )
1.
2.
3.
Atomi di arsenico e
gallio
Atomi d’oro e molecole
di esatiofene
Strato di molecole di
estiofene
Cos’è?
E
questo?
• 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 dall’analisi dei dati che si ricavano si può
ricostruire la struttura che c’è 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.
Principio d’indeterminazione
Formulato dallo scienziato tedesco Werner Heisenberg
nel 1927.
Esso può esprimersi così:
Se in qualsiasi misura riguardante la posizione e la
velocità di un corpo moltiplichiamo tra loro l’incertezza δx
con cui conosciamo il valore della posizione e
l’incertezza 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*10-34 Js costante di
Planck indicata generalmente con h
In formula:
δx*δ(mv)>=h
scattering
• Gli esperimenti di scattering sono dunque l’unica soluzione per grandezze
sub-atomiche, dal momento che l’osservazione 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
dall’esperienza 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.
Struttura dell’atomo
La struttura dell'atomo
agli inizi del '900: Rutherford
•
•
Verso la fine dell’Ottocento si fece strada l’ipotesi che le cariche elettriche
avessero un ruolo importante nella struttura microscopica della materia.
Nel 1897 lo scienziato inglese John Joseph Thomson scoprì l’esistenza
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 d’oro 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 4He. Le particelle alfa sono tipicamente emesse
da elementi radioattivi pesanti, per esempio dagli isotopi dell‘uranio, del torio, del radio, etc.,
in un processo denominato decadimento α .
Esperimento di Rutherford
Egli osservò come le particelle α che giungevano sulla lamina d’oro 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 l’altro,
altre potrebbero toccare un paletto di striscio, deviando un po’, ed altre ancora (poche se i
paletti non sono molto fitti!) potrebbero rimbalzare indietro.
•
• 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 l’ipotesi che la carica
positiva degli atomi d’oro 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 104 e 105 più piccolo di
quello dell’atomo).
• Ne risultò un modello atomico piuttosto semplice, modello di
Rutherford. Secondo esso il nucleo positivo, che occupa
uno spazio piccolissimo al centro dell’atomo, 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.
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.
Tra tutte le orbite quelle più vicine al nucleo sono quelle a cui compete
l’energia minore ed anche quelle normalmente occupate dagli elettroni.
Di solito gli elettroni più interni dell’atomo occupano le loro orbite in modo
stabile, mentre l’elettrone più lontano, elettrone ottico, che più facilmente
interagisce e scambia energia con l’esterno, può spostarsi dall’orbita
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 l’energia della sua
orbita e quella in cui deve andare. Dopo un certo tempo non potendo
rimanere eccitato, l’elettone ritorna nell’orbita iniziale cedendo la differenza
di energia sotto forma di radiazione.
Bohr, pur introducendo una quantizzazione dell’energia, 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 l’atomo di elio per esempio che possiede due elettroni i risultati
sperimentali non erano coerenti col modello
.
In questo caso dobbiamo pensare ognuno degli elettroni interagisce non
soltanto con il nucleo,ma anche con l’altro elettrone. Il problema di
determinare l’orbita e quindi l’energia 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
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.
• 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
l’elettrone 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.
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
• ms numero quantico associato alla direzione di rotazione
dell'elettrone sul suo asse (spin)
• Solo una piccola osservazione di come n numero
quantico principale possa essere connesso con
l’energia e con l’’eccentricità’ dell’orbitale.
• L’elettrone 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 l’effetto
massimo,sempre meno intenso quanto più l’elettrone
si avvicina al nucleo. Dunque il livello energetico è
legato all’eccentricità. L’eccentricità 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.
Nucleo dell’atomo
Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa
dell’atomo. 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
AK
notazione
dove
Z
K rappresenta l’elemento 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 .
L’espressione 235U, ad esempio, rappresenta l’isotopo
dell’uranio di numero di massa 235
ISOTOPI Atomi con stesso Z ma diverso numero di neutroni
Il nucleo
formato da protoni e neutroni
Particella
massa(kg)
carica(C)
p+
1,672623.10-27
+1,6021177.10-19
n0
1,674928.10-27
0
e-
0.000911.10-27
-1,6021177.10-19
Dimensioni nucleo : 10-15 m (fm)
Dimensioni atomo : 10-10 m (Ǻ)
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.
•
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 all’idrogeno 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.
• 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 dell’onda d’urto
• 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.
Altre applicazioni
Con i neutroni si può guardare all’interno di antichi manufatti
per svelarne la struttura e la composizione e senza perforare
o danneggiare l’oggetto.
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 l’obiettivo di sviluppare un insieme di tecniche
d’indagine che utilizzano i neutroni per l’analisi 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 all’antico splendore.
• 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.
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
• 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 l’energia di legame.
• Per la legge di conservazione di massa-energia (E=mc2)
possiamo dire che il difetto di massa di un nucleo è pari in
valore assoluto alla massa della sua energia di legame
• Come l’interazione fra particelle cariche avviene per scambio
di fotoni virtuali, l’interazione fra nucleoni avviene mediante lo
scambio di gluoni , elettricamente neutri, dotati di carica di
colore.
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
Normalmente l’energia delle particelle
viene misurata in elettronvolt (eV)
Energia di legame per nucleone
definisce stabilità del nucleo
• Se analizziamo l’andamento dell’energia 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
d’azione dell’interazione 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
• 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.
Modelli nucleari
Come sia effettivamente strutturato il nucleo è ancora
argomento di studio: attualmente viene accettato un
modello collettivo, nato dall’integrazione 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.
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.
Fissione nucleare
Il funzionamento di una centrale a fissione nucleare, in linea di principio, è
molto simile a quello di una centrale termoelettrica convenzionale, soltanto
che l’acqua 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 dell’uranio 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 l’uranio,aumentando la concentrazione
dell’isotopo 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 l’acqua pesante (acqua che, al posto del normale
idrogeno, ha due atomi di deuterio)
Schema di centrale nucleare PWR
(Pressurized Water Reactor)
• 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 d’urto), 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
Un esempio di configurazione del nocciolo di
un reattore nucleare a fissione
L’energia di fissione nucleare
L’energia
nucleare
si
sprigiona
per
trasformazione dei nuclei di uranio (isotopo 235)
bombardati da neutroni
L’uranio viene scisso in nuclei di atomi radioattivi e
neutroni secondari:
235 U
+ n → 148La + 85 Br + 3 n + E
Lattanzio e berillio
L’energia liberata è all’incirca 3*10-11 J per nucleo di uranio
235. Con un Kg si libera energia equivalente a 20.000
megawattora, pari alla combustione di 3*106 t di carbone
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.
vantaggi
• L’analisi dell’equazione di fissione dell’uranio 235 consente di evidenziare
subito il principale vantaggio del nucleare: l’enorme 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 dell’atomo. 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 dell’energia 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 l’emissione di gas nocivi quali anidride carbonica, ossidi di zolfo e
di azoto, principali responsabili di fenomeni ambientali quali le piogge acide
e l’effetto serra.
• Infine, l’alto 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
svantaggi
• Gli svantaggi dello sfruttamento dell’energia nucleare derivano
dall’elevato 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.
Il problema delle scorie radioattive
•
•
•
Una delle questioni più delicate riguardanti la produzione di energia nucleare è quella
dell’immagazzinamento a lungo termine delle scorie. Per scorie radioattive si intende
tutto il complesso dei materiali entrati in qualche misura nel processo di produzione
dell’energia 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, dell’ordine 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 trent’anni, 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 200.000 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, all’interno 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 l’eliminazione delle scorie mediante invio nello spazio (su un’orbita
solare) o il riciclo del materiale radioattivo più pericoloso, mediante irraggiamento con
neutroni e produzione di materiale fissile riutilizzabile
In Italia abbiamo 50.000
m3 di scorie radioattive
L' Inventario Nazionale
dei Rifiuti Radioattivi
- ENEA 2000
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 dell’Enea
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 sull’utilizzo del sistema ADS, ovvero
sull’accoppiamento tra un acceleratore di particelle ad altissima intensità e
un dispositivo sottocritico nucleare”. “L’ADS 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.
"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 5-600 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 l’iniettore di protoni. Se c’è un problema, lo spengo
come giro l’interruttore della luce e la reazione si blocca istantaneamente. Nulla può
sfuggire di mano e portare all’incubo della fusione del nocciolo, come accadde a
Chernobyl."
r
u
b
b
i
a
t
r
o
n
Bibliografia
• Caldirola-Casati-Tealdi Fisica
Ed. ghisetti-Corvi
• Bergamaschini-marazzini- Mazzoni Quanti,particelle,cosmologia
Ed. Signorelli
• www.unipv.it/iuss/safi/materiale/flor.ppt
• http://www.dpci.unipd.it/DipPagesIt/rbertani/lez/lezioni
• "Energia nucleare," Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online 2007
http://it.encarta.msn.com © 1997-2007 Microsoft Corporation
• http://www.calion.com/cultu/atomo/modelli.htm
• http://ulisse.sissa.it/
• http://www.zonanucleare.com
• http://w3.uniroma1.it/anat3b/libro%20motta/libro%20motta.htm
