ELEMENTI DI FISICA
NUCLEARE
a cura di
STEFANO GRANDE
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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)
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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
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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)
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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
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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
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ESEMPIO DI FUSIONE NUCLEARE
1 atomo di deuterio H2 e 1 di trizio H3
(isotopi dell’idrogeno) si fondono:
D T He2 3,52MeV n0 14,06MeV
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1
3
1
4
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.
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D + T → He4 + n + 17.6 MeV
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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).
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Ricordando che:
Fissione dell’uranio 235: U235 cattura un neutrone
e si scinde in due elementi di massa intermedia ed
emette altri tre neutroni
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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.
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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
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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
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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
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Alcuni neutroni prodotti dalla reazione vengono riutilizzati
per produrre tritio, nella reazione:
n + 3Li6 = 2He4 + 1H3
oppure
n + 3Li7 = 2He4 + 1H3 + n
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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.
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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
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Macchina a confinamento magnetico
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SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FUSIONE CONFINATA
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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.
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SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FISSIONE
NUCLEARE
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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
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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)
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Bibliografia
IMMAGINI DELLA FISICA,
U. Amaldi, Zanichelli Editore
IL FUOCO DELLA FUSIONE
TERMONUCLEARE CONTROLLATA
Caldirola, Pozzoli, Sindoni, Mondadori Editore
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