Fissione indotta e fusione nucleare Fissione indotta e fusione nucleare (cenni) (cenni)

● 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))

Difficile che i frammenti Difficile che i frammenti abbiano la stessa massaabbiano la stessa massa

Distribuzione della Distribuzione della massa dei frammenti massa dei frammenti prodotti da prodotti da 235235U. U. Massimi intorno ad Massimi intorno ad A=95 e A=140 (nota: A=95 e A=140 (nota: scala log)scala log)

Fissione indotta:Fissione indotta:

Compound nucleus

Processi di scattering del neutroneProcessi di scattering del neutrone1) 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

Fissiona

Di conseguenza la differenza di massa tra Di conseguenza la differenza di massa tra 235235U+n e U+n e 236236U > all'energia di attivazione per la fissione del U > all'energia di attivazione per la fissione del 236236U U

Perche' Perche' 235235U e U e 238238U hanno un cosi' diverso comportamento? U hanno un cosi' diverso comportamento? 235235U e' pari-dispari (Z-N), U e' pari-dispari (Z-N), 238238U e' pari-pari (Z-N). L'aggiunta di un U e' pari-pari (Z-N). L'aggiunta di un neutrone nel compound nucleus “accende” il termine di neutrone nel compound nucleus “accende” il termine di accoppiamento aaccoppiamento a

55 nel primo caso e lo “spegne” nel secondo nel primo caso e lo “spegne” nel secondo

caso.caso.

...mentre e' inferiore nel caso del ...mentre e' inferiore nel caso del 238238U: infatti servono U: infatti servono ancora 1.2 MeV di energia cinetica del neutrone per ancora 1.2 MeV di energia cinetica del neutrone per ottenere la fissione. ottenere la fissione.

La fissione come sorgente energeticaLa fissione come sorgente energetica

Ogni processo di fissione indotta rilascia energia , circa 200 MeV in media, Ogni processo di fissione indotta rilascia energia , circa 200 MeV in media, e neutroni, 2.5 in media nel caso di e neutroni, 2.5 in media nel caso di 235235U (… ricorda a parita' di peso 10U (… ricorda a parita' di peso 105 5

piu' energia rispetto a processi chimici (combustione di idrocarburi)piu' energia rispetto a processi chimici (combustione di idrocarburi)))

Un esempio:Un esempio:

Energia cinetica dei prodotti Energia cinetica dei prodotti della reazione: riscaldamento della reazione: riscaldamento del materiale, conversione di del materiale, conversione di calore in energia “buona” calore in energia “buona” (energia elettrica) (energia elettrica)

I neutroni rilasciati possono I neutroni rilasciati possono innescare altre reazioni di innescare altre reazioni di fissione fissione

Reazione a catena: i neutroni Reazione a catena: i neutroni secondari causano altre fissioni secondari causano altre fissioni (rilascio di energia) e altri neutroni che (rilascio di energia) e altri neutroni che a loro volta indurranno altre fissioni... a loro volta indurranno altre fissioni... ecc ecc ecc ecc

Pila di Fermi: il primo reattore nucleare Pila di Fermi: il primo reattore nucleare 19421942

La reazione a catena puo' essere La reazione a catena puo' essere usata come sorgente di energia se usata come sorgente di energia se controllata (centrali nucleari) controllata (centrali nucleari) oppure come esplosivo se non oppure come esplosivo se non controllata (bomba atomica, 1945)controllata (bomba atomica, 1945)

Il reattore nucleareIl reattore nucleare

Ingredienti del core del reattore:Ingredienti del core del reattore:1) Materiale fissile: Uranio arricchito 1) Materiale fissile: Uranio arricchito (3-5% di (3-5% di 235235U) contro lo 0.72% U) contro lo 0.72% dell'uranio naturaledell'uranio naturale

2) Materiale moderatore: serve a 2) Materiale moderatore: serve a rallentare i neutroni (tramite rallentare i neutroni (tramite scattering elastici) prodotti dalla scattering elastici) prodotti dalla fissione per facilitarne poi la fissione per facilitarne poi la successiva cattura da parte di altri successiva cattura da parte di altri nuclei di nuclei di 235235U (la sezione d'urto di U (la sezione d'urto di assorbimento e' grande per neutroni assorbimento e' grande per neutroni termici)termici)

3) Materiale in grado di assorbire i 3) Materiale in grado di assorbire i neutroni (senza fissionare) per neutroni (senza fissionare) per controllare la cinetica della reazione controllare la cinetica della reazione (reazione controllata) (reazione controllata)

Moderatore e assorbitoreModeratore e assorbitore

-) Alta sezione d'urto per scattering elastico e -) Alta sezione d'urto per scattering elastico e bassa per scattering anelastico (assorbimento)bassa per scattering anelastico (assorbimento)

-) Leggero: in scattering elastici con nuclei pesanti -) Leggero: in scattering elastici con nuclei pesanti il neutrone rimane veloce (ricorda scattering 2 il neutrone rimane veloce (ricorda scattering 2 corpi)corpi)

-) Motivi economici: abbondante/economico-) Motivi economici: abbondante/economico

-) Chimicamente stabile-) Chimicamente stabile

-) Denso per aumentare gli scattering-) Denso per aumentare gli scattering

Moderatore: HModeratore: H22O, C, DO, C, D

22OO

+)Economico e si +)Economico e si puo' usare per puo' usare per raffreddare il reattore raffreddare il reattore -) alta sezione d'urto -) alta sezione d'urto di assorbimento (n+p di assorbimento (n+p → 2H+→ 2H+γγ))

+)bassa sezione d'urto +)bassa sezione d'urto per n+D->per n+D->33H+H+γγ-) il trizio va filtrato in -) il trizio va filtrato in quanto radioattivoquanto radioattivo

GrafiteGrafite: piu' massivo (c'e' bisogno di : piu' massivo (c'e' bisogno di scattering multipli) ma bassa sezione scattering multipli) ma bassa sezione d'urto di cattura. E' il materiale preferito d'urto di cattura. E' il materiale preferito come moderatorecome moderatore

Assorbitore: Assorbitore: 113113Cadmio molto Cadmio molto efficiente per neutroni termici efficiente per neutroni termici

Cinetica della reazione: appunti

Ciclo di fissioneCiclo 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)

330 °C temperatura dell'acqua a 16MPa di pressione

Vapore a 280 °C e 6Mpa di pressione

Emissione di vapore nell'aria (no CO

2)

Svantaggi: scorie nucleari e incidenti 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 nucleareLa fusione nucleare

Picco di Gamow appuntiPicco di Gamow appunti

FusioneFusione

From G. Fiorentini

No scorie nucleari!!!No scorie nucleari!!!

… … e' possibile accendere il Sole sulla e' possibile accendere il Sole sulla terra??terra??

Il progetto ITER (2020?), Il progetto ITER (2020?), confinamento magnetico di confinamento magnetico di un plasma di nuclei deuterio un plasma di nuclei deuterio e trizio, T e trizio, T ~~ 10 1088K (costo 15 K (costo 15 miliardi – LHC 5 miliardi)miliardi – LHC 5 miliardi)

http://www.iter.org/http://www.iter.org/

https://lasers.llnl.gov/science/icfhttps://lasers.llnl.gov/science/icf

Fusione fredda??Fusione fredda??(see arXiv:0810.0159)(see arXiv:0810.0159)

W W ~~ 0.8 MeV, chi li 0.8 MeV, chi li mette a mette a disposizione??disposizione??

Sistema fisico: superfici metalliche (Ni) Sistema fisico: superfici metalliche (Ni) con idrogeno adsorbito, T ambiente o con idrogeno adsorbito, T ambiente o poco piu'poco piu'

Moti collettivi di elettroni Moti collettivi di elettroni sulla superficie ? sulla superficie ?

Probabilmente efficienza Probabilmente efficienza estremamente piccola (molto piu' estremamente piccola (molto piu'

piccola di quella dichiarata in alcuni piccola di quella dichiarata in alcuni esperimenti), quindi interessante la esperimenti), quindi interessante la fisica ma di scarso interesse come fisica ma di scarso interesse come

fonte energetica. fonte energetica.