Fissione indotta e fusione nucleare (cenni)

Fissione indotta e fusione nucleare
(cenni)
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La fissione spontanea avviene per nuclei molto pesanti
Z 2/A > 47 (per 238U, Z 2/A=36 )
Fissione indotta: lo scattering di una particella su di un
nucleo fissile puo' fornire energia sufficiente affinche' il
nucleo superi (o effetto tunnel) la barriera di potenziale.
Quale particella? Il neutrone e' il migliore candidato (no
repulsione coulombiana + sezione d'urto dell'interazione
forte (a differenza di un fotone ad esempio))
Compound nucleus
Fissione indotta:
Distribuzione della
massa dei frammenti
prodotti da 235U.
Massimi intorno ad
A=95 e A=140 (nota:
scala log)
Difficile che i frammenti
abbiano la stessa massa
Processi di scattering del neutrone
1) Cattura del neutrone e fissione con emissione di altri neutroni
2) Cattura del neutrone e diseccitazione per emissione gamma
3) Scattering elastico del neutrone
-) Fissione molto favorita a basse energie (neutroni termici) per 235U, per 238U neutroni
solo con energie del MeV e comunque la corrispondente sezione d'urto e' soppressa di
2-3 ordini di grandezza rispetto a quella del 235U.
-) Picchi associati ad eccitazione dei livelli nucleari
Perche' 235U e 238U hanno un cosi' diverso comportamento?
235
U e' pari-dispari (Z-N), 238U e' pari-pari (Z-N). L'aggiunta di un
neutrone nel compound nucleus “accende” il termine di
accoppiamento a5 nel primo caso e lo “spegne” nel secondo
caso.
Fissiona
Di conseguenza la differenza di massa tra 235U+n e
236
U > all'energia di attivazione per la fissione del 236U
...mentre e' inferiore nel caso del 238U: infatti servono
ancora 1.2 MeV di energia cinetica del neutrone per
ottenere la fissione.
La fissione come sorgente energetica
Ogni processo di fissione indotta rilascia energia , circa 200 MeV in media,
e neutroni, 2.5 in media nel caso di 235U (… ricorda a parita' di peso 105
piu' energia rispetto a processi chimici (combustione di idrocarburi))
Un esempio:
I neutroni rilasciati possono
innescare altre reazioni di
fissione
Energia cinetica dei prodotti
della reazione: riscaldamento
del materiale, conversione di
calore in energia “buona”
(energia elettrica)
Reazione a catena: i neutroni
secondari causano altre fissioni
(rilascio di energia) e altri neutroni che
a loro volta indurranno altre fissioni...
ecc ecc
Pila di Fermi: il primo reattore nucleare
1942
La reazione a catena puo' essere
usata come sorgente di energia se
controllata (centrali nucleari)
oppure come esplosivo se non
controllata (bomba atomica, 1945)
Il reattore nucleare
Ingredienti del core del reattore:
1) Materiale fissile: Uranio arricchito
(3-5% di 235U) contro lo 0.72%
dell'uranio naturale
2) Materiale moderatore: serve a
rallentare i neutroni (tramite
scattering elastici) prodotti dalla
fissione per facilitarne poi la
successiva cattura da parte di altri
nuclei di 235U (la sezione d'urto di
assorbimento e' grande per neutroni
termici)
3) Materiale in grado di assorbire i
neutroni (senza fissionare) per
controllare la cinetica della reazione
(reazione controllata)
Moderatore e assorbitore
-) Alta sezione d'urto per scattering elastico e
bassa per scattering anelastico (assorbimento)
-) Leggero: in scattering elastici con nuclei pesanti
il neutrone rimane veloce (ricorda scattering 2
corpi)
-) Motivi economici: abbondante/economico
-) Chimicamente stabile
-) Denso per aumentare gli scattering
Moderatore: H2O, C, D2O
+)Economico e si
puo' usare per
raffreddare il reattore
-) alta sezione d'urto
di assorbimento (n+p
→ 2H+γ)
+)bassa sezione d'urto
per n+D->3H+γ
-) il trizio va filtrato in
quanto radioattivo
Grafite: piu' massivo (c'e' bisogno di
scattering multipli) ma bassa sezione
d'urto di cattura. E' il materiale preferito
come moderatore
Assorbitore: 113Cadmio molto
efficiente per neutroni termici
Cinetica della reazione: appunti
Ciclo di fissione
Diversi processi
contribuiscono a modificare il
n. di neutroni:
-) cattura di neutroni non
termalizzati da 238U (fast
fission+neutroni , ε)
-)cattura di neutroni
attraverso risonanze di 238 U
(resonance escape p)
-) cattura di neutroni dalla
grafite (thermal utilization f)
-) perdite attraverso la
superficie della pila (neutroni
fast e termici)
Vapore a 280 °C e 6Mpa di pressione
330 °C temperatura
dell'acqua a 16MPa di
pressione
Emissione di vapore
nell'aria (no CO2)
Svantaggi: scorie nucleari e incidenti
-)I residui di un reattore nucleare sono radioattivi, tramite decadimenti nucleari
che vedremo a breve, anche per migliaia di anni.
-)Necessita' di stoccare le scorie in ambienti che siano “stabili” (rispetto ad
eventi antropici o naturali) su quelle scale temporali, depositi sotterranei
tipicamente. Non ne esistono al momento.
-)Circa 104 m3 di scorie altamente radioattive prodotte da tutte le centrali
esistenti al mondo in un anno.
-) Esplosioni (chimiche) a Cernobyl e Fukushima
-) ...discusione aperta
La fusione nucleare
Picco di Gamow appunti
Fusione
From G.
Fiorentini
No scorie nucleari!!!
… e' possibile accendere il Sole sulla
terra??
Il progetto ITER (2020?),
confinamento magnetico di
un plasma di nuclei deuterio
e trizio, T ~ 108K (costo 15
miliardi – LHC 5 miliardi)
http://www.iter.org/
https://lasers.llnl.gov/science/icf
Fusione fredda??(see arXiv:0810.0159)
Sistema fisico: superfici metalliche (Ni)
con idrogeno adsorbito, T ambiente o
poco piu'
W ~ 0.8 MeV, chi li
mette a
disposizione??
Moti collettivi di elettroni
sulla superficie ?
Probabilmente efficienza
estremamente piccola (molto piu'
piccola di quella dichiarata in alcuni
esperimenti), quindi interessante la
fisica ma di scarso interesse come
fonte energetica.