Nuclei atomici ed energia Nuclei atomici ed energia nuclearenucleare

• Nel 1911 Rutherford presentò il Nel 1911 Rutherford presentò il suo modello di atomo:suo modello di atomo:

un nucleo centrale carico un nucleo centrale carico positivamente circondato da positivamente circondato da elettroni su orbite circolari;elettroni su orbite circolari;

Un po’ di storiaUn po’ di storia

+

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

La scoperta del neutrone (1/2)La scoperta del neutrone (1/2)• Nel 1932 Chadwick analizzò i risultati degli esperimenti effettuati Nel 1932 Chadwick analizzò i risultati degli esperimenti effettuati

da:da:

paraffina

Po-Be? p

Po Beα ?

• Bothe - Becker

• Joliot - Curie

• La radiazione misteriosa non veniva deviata da campi magnetici e La radiazione misteriosa non veniva deviata da campi magnetici e quindi era di carica elettrica = 0quindi era di carica elettrica = 0

La scoperta del neutrone (2/2)La scoperta del neutrone (2/2)• Chadwick verificò il principio di conservazione della quantità di moto Chadwick verificò il principio di conservazione della quantità di moto

misurando le velocità di rimbalzo dei protoni e dei nuclei di Nmisurando le velocità di rimbalzo dei protoni e dei nuclei di N1414 dopo dopo un urto (supposto elastico) con la radiazione misteriosa:un urto (supposto elastico) con la radiazione misteriosa:

xx

xp v

m

mv

1

2

• La massa della particella misteriosa era molto simile a quella del La massa della particella misteriosa era molto simile a quella del protone ed essendo di carica neutra ebbe il nome di neutrone.protone ed essendo di carica neutra ebbe il nome di neutrone.

Le velocità misurate sonovp = 3,3 x 109 m/svN

14 = 4,7 x 108 m/sx

x

xN

vm

mv

14

214

1511

14

1074

10338

9

14

,,

,

xx

x

N

p mm

m

v

v

Il nucleo è composto da protoni e neutroni

Struttura dell’atomo (1/2)Struttura dell’atomo (1/2)Gli atomi sono composti da:Gli atomi sono composti da:• un nucleo centrale contenente un nucleo centrale contenente

la quasi totalità della loro la quasi totalità della loro massa ripartita fra protoni (+) e massa ripartita fra protoni (+) e neutroni;neutroni;

• una nube di elettroni (-) che una nube di elettroni (-) che circonda il nucleo;circonda il nucleo;

Il numero di elettroni carichi Il numero di elettroni carichi negativamente che “ruotano” negativamente che “ruotano” attorno al nucleo dell'atomo è attorno al nucleo dell'atomo è pari al numero di protoni pari al numero di protoni carichi positivamente dentro carichi positivamente dentro il nucleo così che gli atomi in il nucleo così che gli atomi in natura sono elettricamente natura sono elettricamente neutri. neutri.

Struttura dell’atomo (2/2)Struttura dell’atomo (2/2)• Il numero di protoni presenti nel nucleo (Il numero di protoni presenti nel nucleo (numero atomico Znumero atomico Z), determina le ), determina le

caratteristiche chimico fisiche dell’atomo;caratteristiche chimico fisiche dell’atomo;• Gli atomi con uguale Z si comportano allo stesso modo e sono classificati come Gli atomi con uguale Z si comportano allo stesso modo e sono classificati come

elemento;elemento;• Gli elementi sono ordinati in una tavola periodica (finora sono stati individuati 115 Gli elementi sono ordinati in una tavola periodica (finora sono stati individuati 115

elementi);elementi);

Struttura del nucleo (1/5)Struttura del nucleo (1/5)I costituenti del nucleo sono i I costituenti del nucleo sono i nucleoninucleoni che si che si presentano in 2 forme distinte:presentano in 2 forme distinte:

• ProtoniProtoni (1906 - Thomson): (1906 - Thomson): • particelle stabili di carica elettrica positiva unitariaparticelle stabili di carica elettrica positiva unitaria

• mmpp = 1,6727·10 = 1,6727·10-27-27 kg kg

• NeutroniNeutroni (1932 - Chadwick ): (1932 - Chadwick ): • particelle instabili prive di carica elettrica particelle instabili prive di carica elettrica

• mmnn = 1,6749·10 = 1,6749·10-27-27 kg kg

Unità di misura della massaUnità di misura della massa• U.m.a (Unità di Massa Atomica) è pari a 1/12 mU.m.a (Unità di Massa Atomica) è pari a 1/12 mCC

1212

• 1 uma = 1,66056 · 101 uma = 1,66056 · 10-27-27 kg kg

• ElettronVolt (eV) è la quantità di energia acquisita ElettronVolt (eV) è la quantità di energia acquisita da 1 eda 1 e-- che si muove sotto la differenza di potenziale che si muove sotto la differenza di potenziale di 1 Volt:di 1 Volt:• 1 eV = 1,602 1 eV = 1,602 · 10· 10-19-19 J J

• Dalla equivalenza fra massa ed energia Dalla equivalenza fra massa ed energia E = mcE = mc22, si , si ottiene che m = E/cottiene che m = E/c22

• mmpp = 1,00727 uma = = 1,00727 uma = 1,6726·101,6726·10-27-27 kg = 938,27 MeV kg = 938,27 MeV/c/c22

• mmnn = 1,00867 uma = = 1,00867 uma = 1,6749·101,6749·10-27-27 kg = 939,57 MeV kg = 939,57 MeV/c/c22

• mmee = 5,486 = 5,486·10·10-4-4 uma = 9,11 uma = 9,11·10·10-31-31 kg = 0,511 MeV kg = 0,511 MeV/c/c22

Struttura del nucleo (2/5)Struttura del nucleo (2/5)• Il numero ottenuto sommando protoni e neutroni, si chiama Il numero ottenuto sommando protoni e neutroni, si chiama numero numero

didi massamassa e si indica con e si indica con AA;;• Ogni specie nucleare individuata da Z ed A è detta nuclide;Ogni specie nucleare individuata da Z ed A è detta nuclide;• Gli atomi di uno stesso elemento che hanno uguale Z, ma differiscono Gli atomi di uno stesso elemento che hanno uguale Z, ma differiscono

per il numero di neutroni contenuti nel nucleo, sono detti per il numero di neutroni contenuti nel nucleo, sono detti isotopiisotopi;;

• Due o più nuclei aventi uguale numero di massa A, ma diverso Z si Due o più nuclei aventi uguale numero di massa A, ma diverso Z si dicono dicono isobari isobari ((22HeHe66, , 33LiLi6 6 , , 44BeBe66););

• I nuclei aventi uguale numero di neutroni ma diverso numero di I nuclei aventi uguale numero di neutroni ma diverso numero di protoni si dicono protoni si dicono isotoniisotoni ( (66CC1414, , 77NN1515, , 88OO1616 tutti con 8 neutroni); tutti con 8 neutroni);

+

-

+

-

+

-

Idrogeno 1H1 Trizio 1H3Deuterio 1H2

Numero atomico Z

Numero di massa A

31

0 Arr

Il raggio di un nucleo è:

r0 ~ 1.2·10-15m.

Struttura del nucleo (3/5)Struttura del nucleo (3/5)

Nucleo

10-10 m

Protoni

Neutroni

10-14 m

10-15 m

Quarks

Nucleone

e-

Atomo

Nucleo

Schema non in scala

Per le proporzioni: se il nucleone fosse un pallone da calcio a 5 (raggio ~ 9.5 cm) messo nel cerchio di centrocampo, il limite del nucleo sarebbe a ~ 1 m di distanza, mentre l’orbita elettronica sarebbe a 10 km…

Struttura del nucleo (4/5)Struttura del nucleo (4/5)Per la legge di CoulombPer la legge di Coulomb- - F attrattiva per cariche di segno opposto F attrattiva per cariche di segno opposto

-- F repulsiva altrimenti F repulsiva altrimenti

• I protoni interni al nucleo (r =4I protoni interni al nucleo (r =4··1010-15-15 m) esercitano una m) esercitano una forza elettromagnetica repulsiva pari a forza elettromagnetica repulsiva pari a ~ ~ 14 N; 14 N; • p ed ep ed e-- hanno carica Q hanno carica Q11= Q= Q22= 1.6= 1.6·10·10-19-19CC• εε = 8.9 = 8.9 ·10·10-12-12CC22/Nm/Nm22

• Forza repulsiva 10Forza repulsiva 1022 cioè almeno100 volte più intensa di cioè almeno100 volte più intensa di quella attrattiva che lega equella attrattiva che lega e-- al nucleo; al nucleo;

• Questa forza se non bilanciata da forze di tipo attrattivo, Questa forza se non bilanciata da forze di tipo attrattivo, renderebbe impossibile l’esistenza del nucleo;renderebbe impossibile l’esistenza del nucleo;

221

4 r

QQF

NNNF 2

3010

38

21512

1919

1029210101181

10562

1010981434

10611061

,

,

,

,,

,,

• Esiste fra i nucleoni una forza attrattiva detta Esiste fra i nucleoni una forza attrattiva detta ““forza forteforza forte” che:” che:• Non dipende dalla carica elettrica;Non dipende dalla carica elettrica;• Non è percepita da altre particelle (es. elettroni);Non è percepita da altre particelle (es. elettroni);• A distanze brevi è molto più intensa della forza di A distanze brevi è molto più intensa della forza di

Coulomb;Coulomb;• A distanze atomiche (10A distanze atomiche (10-12-12 m) è trascurabile; m) è trascurabile;

Struttura del nucleo (5/5)Struttura del nucleo (5/5)

Di nuovo storia (1/3)Di nuovo storia (1/3)• Nel 1930 la reazione nucleare di trasformazione di un protone in un Nel 1930 la reazione nucleare di trasformazione di un protone in un

n e in un positronen e in un positrone• p→n+ep→n+e++

sembrava violare i principi di conservazione di energia e quantità di sembrava violare i principi di conservazione di energia e quantità di moto; moto;

• Dirac postulò l’esistenza del Dirac postulò l’esistenza del NEUTRINONEUTRINO, una particella , una particella senza senza massamassa e e senza caricasenza carica emessa nella reazione, la cui espressione emessa nella reazione, la cui espressione corretta divenne: corretta divenne: • p→n+ep→n+e++++νν• Il neutrino fu osservato da Cowan e Reines nel 1953;Il neutrino fu osservato da Cowan e Reines nel 1953;

• Nel 1933 Fermi ipotizzò l’esistenza di una nuova interazione che Nel 1933 Fermi ipotizzò l’esistenza di una nuova interazione che regolasse anche la reazione precedente:regolasse anche la reazione precedente:

La “La “forza deboleforza debole” che è la responsabile del fatto che le particelle ” che è la responsabile del fatto che le particelle tendano a trasformarsi (decadere) in particelle di minore massa.tendano a trasformarsi (decadere) in particelle di minore massa.

Difetto di massa (1/2)Difetto di massa (1/2)

• Il deuterio, isotopo dell’H (con 1 protone ed 1 Il deuterio, isotopo dell’H (con 1 protone ed 1 neutrone) ha massa neutrone) ha massa • mmdd = 3,3434·10 = 3,3434·10-27-27 kg kg

• Considerando le masse dei singoli nucleoni:Considerando le masse dei singoli nucleoni:• mmpp + m + mnn = (1,6726+ 1,6749) ·10 = (1,6726+ 1,6749) ·10-27 -27 kg = 3,3475 ·10kg = 3,3475 ·10-27-27 kg kg

(m(mpp + m + mnn) – m) – mdd = = 0,0041·100,0041·10-27-27 kg kg

Che fine ha fatto questa quantità???Che fine ha fatto questa quantità???

La massa di un nucleo qualsiasi è sempre La massa di un nucleo qualsiasi è sempre inferiore alla somma delle masse dei nucleoni inferiore alla somma delle masse dei nucleoni componenti.componenti.

Nel caso appena visto Nel caso appena visto → → mmnuc nuc < Zm< Zmpp+Nm+Nmnn

Questo è vero sempreQuesto è vero sempre !!Questa quantità mancante si chiamaQuesta quantità mancante si chiama

““difetto di massadifetto di massa””Dalla relatività:Dalla relatività:

• Equivalenza fra Equivalenza fra massamassa ed ed energia → E=mcenergia → E=mc22

Il difetto di massa Il difetto di massa è in relazione con l'energia e è in relazione con l'energia e più precisamente con l’energia di legamepiù precisamente con l’energia di legame

Difetto di massa (2/2)Difetto di massa (2/2)

Energia di legame (1/2)Energia di legame (1/2)Rappresenta la minima energia necessaria per separare il nucleo nei nucleoni componenti. L’energia di legame per nucleone caratterizza la stabilità nucleare

Maggiore è l’energia di legame per nucleone, più legati sono i nuclei (nuclei più stabili).Il nucleo di Fe in cui si ha il massimo valoredella curva è il nucleo più stabile.

Fusione

Fissione

• Nuclei con A inferiore al Fe tendono a unirsi Nuclei con A inferiore al Fe tendono a unirsi (“(“fondersifondersi”) per raggiungere una conformazione ”) per raggiungere una conformazione più stabile;più stabile;

• Nuclei con A superiore al Fe tendono a dividersi Nuclei con A superiore al Fe tendono a dividersi (“(“fissionarsifissionarsi”) per raggiungere una ”) per raggiungere una conformazione più stabile;conformazione più stabile;

In entrambi i casiIn entrambi i casi quando il nucleo originale si quando il nucleo originale si distrugge, distrugge, si libera energiasi libera energia sotto forma di sotto forma di energia dei prodotti della reazione (reazioni energia dei prodotti della reazione (reazioni esoenergetiche).esoenergetiche).

Energia di legame (2/2)Energia di legame (2/2)

Fissione nucleare (1/6)Fissione nucleare (1/6)• Reazione nucleare in seguito alla quale un nucleo si Reazione nucleare in seguito alla quale un nucleo si

scinde in 2 frammenti di massa molto simile fra scinde in 2 frammenti di massa molto simile fra loro, producendo neutroni, raggi loro, producendo neutroni, raggi ββ, raggi , raggi γγ e e liberando una grande quantità di energia sotto forma liberando una grande quantità di energia sotto forma di energia cinetica dei prodotti di fissione.di energia cinetica dei prodotti di fissione.

92U235 + n → 52Te136 + 40Cs97 + 3n

Fissione nucleare (2/6)Fissione nucleare (2/6)• Dopo la scoperta del neutrone nel 1932, lo si iniziò a Dopo la scoperta del neutrone nel 1932, lo si iniziò a

utilizzare per bombardare i vari nuclei e osservare i prodotti utilizzare per bombardare i vari nuclei e osservare i prodotti della reazione;della reazione;•

1313AlAl27 27 + n → + n → 1313AlAl28 28 → → 1414SiSi28 28 + e+ e--++υυ**

Nel 1934 Fermi lo usò per irraggiare nuclei più pesanti Nel 1934 Fermi lo usò per irraggiare nuclei più pesanti come l’U:come l’U:

•9292UU235 235 + n → Una sostanza radioattiva+ n → Una sostanza radioattiva

• L. Meitner e O. Hahn, 2 fisici tedeschi, ipotizzarono che il L. Meitner e O. Hahn, 2 fisici tedeschi, ipotizzarono che il nucleo di U bombardato con un neutrone si potesse dividere nucleo di U bombardato con un neutrone si potesse dividere o “fissionare ” in 2 nuclei di elementi differenti con Z pari a o “fissionare ” in 2 nuclei di elementi differenti con Z pari a circa la metà di quello di U.circa la metà di quello di U.

• (Hahn prese il nobel per la fisica nel 1944, omettendo nelle (Hahn prese il nobel per la fisica nel 1944, omettendo nelle sue pubblicazioni di essere giunto a quei risultati con l’aiuto sue pubblicazioni di essere giunto a quei risultati con l’aiuto della Meitner…). Meitner…).

9292UU235 235 + n → + n → 9292UU236236 → → 3737RbRb93 93 + + 5555CsCs141 141 + 2n+ 2n

Gli iniziali prodotti di fissione sono fortemente radioattivi Gli iniziali prodotti di fissione sono fortemente radioattivi e si trasformano (e si trasformano (decadonodecadono) verso elementi isobari:) verso elementi isobari:

3737RbRb93 93 →→(6s)(6s) 3838SrSr93 93 →→(7m)(7m) 3939YY93 93 →→(10h)(10h) 4040ZrZr93 93 →→(10(1066y)y) 4141NbNb9393

5555CsCs141141→→(25s)(25s) 5656BaBa141141→→(18m)(18m) 3737LaLa141141→→(4h)(4h) 5858CeCe141141→→(33d)(33d) 5959PrPr141141

Questi prodotti sono le scorie radioattive dei reattori.Questi prodotti sono le scorie radioattive dei reattori.

Fissione nucleare (3/6)Fissione nucleare (3/6)

92U235

n

92U236

+

+

55Cs141

37Rb93 n

n

Fissione nucleare (4/6)Fissione nucleare (4/6)• La somma delle masse dei prodotti di fissione è La somma delle masse dei prodotti di fissione è MINOREMINORE

della massa del nucleo originale: della massa del nucleo originale:• Ciò che manca si trasforma in Ciò che manca si trasforma in energiaenergia::

• 85% energia cinetica dei prodotti di fissione;85% energia cinetica dei prodotti di fissione;• 15% distribuito fra emissioni di raggi 15% distribuito fra emissioni di raggi ββ e e γγ;;(β (β elettroni, γ elettroni, γ radiazioni elettromagnetiche ad altissima radiazioni elettromagnetiche ad altissima

frequenza, molto penetranti);frequenza, molto penetranti);• Si produce Si produce ~ 1MeV/nucleone~ 1MeV/nucleone

• Dalla fissione di 1 kg di UDalla fissione di 1 kg di U235235 si ottengono 8,2 si ottengono 8,2 · 10· 1088 MJ: MJ:• 1 kg di legno 16 MJ;1 kg di legno 16 MJ;• 1 kg di petrolio 45 MJ;1 kg di petrolio 45 MJ;

• Sviluppa una potenza esplosiva pari a 20000 tonnellate di Sviluppa una potenza esplosiva pari a 20000 tonnellate di TNT; TNT; • UU235235 è solo lo 0,7% dell’U naturale; si può agire per aumentare è solo lo 0,7% dell’U naturale; si può agire per aumentare

(arricchire) questa percentuale; (arricchire) questa percentuale;

Fissione nucleare (5/6)Fissione nucleare (5/6)• In ogni fissione sono prodotti in media 2,6 neutroni veloci; In ogni fissione sono prodotti in media 2,6 neutroni veloci;

• I neutroni una volta rallentati possono provocare la fissione negli altri I neutroni una volta rallentati possono provocare la fissione negli altri nuclei e produrre altri k neutroni in una reazione a catena:nuclei e produrre altri k neutroni in una reazione a catena:

• Se K<1 la reazione tende ad esaurirsi;Se K<1 la reazione tende ad esaurirsi;• Se K=1 la reazione si autosostiene;Se K=1 la reazione si autosostiene;• Se K>1 la reazione diventa esplosiva;Se K>1 la reazione diventa esplosiva;

n n

n

n

n

n

n

n

Esempio di reazione a catena

Fissione nucleare (6/6)Fissione nucleare (6/6)• Progetto Manhattan:Progetto Manhattan:

• Programma di ricerca per la realizzazione Programma di ricerca per la realizzazione della bomba atomica negli USA, avviato della bomba atomica negli USA, avviato nel 1942 da Roosevelt in risposta ai nel 1942 da Roosevelt in risposta ai programmi di ricerca sulla fissione della programmi di ricerca sulla fissione della Germania nazista; Germania nazista;

• A.A. Einstein (1879-1955), nel 1939 scrisse Einstein (1879-1955), nel 1939 scrisse una lettera a Roosevelt per segnalare la una lettera a Roosevelt per segnalare la preoccupante possibilità che i fisici nazisti preoccupante possibilità che i fisici nazisti realizzassero per primi la bomba atomicarealizzassero per primi la bomba atomica

• Vide coinvolti fra gli altri E. Fermi (1901-Vide coinvolti fra gli altri E. Fermi (1901-1954), J. Von Neumann (1903-1957), R. 1954), J. Von Neumann (1903-1957), R. Oppenheimer (1904 -1967);Oppenheimer (1904 -1967);

• Per supportarlo vengono costruiti i Per supportarlo vengono costruiti i laboratori di Los Alamos, Oak Ridge;laboratori di Los Alamos, Oak Ridge;

• Nel dicembre 1942 a Chicago, Fermi Nel dicembre 1942 a Chicago, Fermi ottiene la prima reazione di fissione a ottiene la prima reazione di fissione a catena che si auto alimenta in una pila catena che si auto alimenta in una pila all’U;all’U;

• Nel Luglio del 1945 prima esplosione di Nel Luglio del 1945 prima esplosione di un ordigno nucleare, nel deserto del New un ordigno nucleare, nel deserto del New MexicoMexico

Prime applicazioni della fissionePrime applicazioni della fissione

• Erano bombe a fissione:Erano bombe a fissione:• ““Little Boy” - ULittle Boy” - U235235 - lanciata il 06/08/45 su Hiroshima – - lanciata il 06/08/45 su Hiroshima –

• 75000 morti;75000 morti;

• ““Fat Man” – PtFat Man” – Pt239239 - lanciata il 09/08/45 su Nagasaki – - lanciata il 09/08/45 su Nagasaki – • 70000 morti;70000 morti;

• In natura l’uranio radioattivo si trova per il In natura l’uranio radioattivo si trova per il 99,3% sotto forma di 99,3% sotto forma di 238238U e per il restante U e per il restante 0,7% come 0,7% come 235235U.U.

• Il moderatore della reazione può essere Il moderatore della reazione può essere l’acqua pesante (l’acqua pesante (22HH220), la grafite (come 0), la grafite (come nell’esperimento di Fermi) o l’acqua nell’esperimento di Fermi) o l’acqua semplice.semplice.

• In quest’ultimo caso però la percentuale di In quest’ultimo caso però la percentuale di 235235U deve essere aumentata (arricchimento U deve essere aumentata (arricchimento dell’uranio).dell’uranio).

Le centrali nucleari a fissione

Schema di una centrale nucleareSchema di una centrale nucleare

Fusione nucleare (1/5)Fusione nucleare (1/5)• La fusione nucleare è il processo attraverso il quale La fusione nucleare è il processo attraverso il quale

si producono nuclei di isotopi o di elementi più si producono nuclei di isotopi o di elementi più pesanti a partire dalla fusione di nuclei più leggeri.pesanti a partire dalla fusione di nuclei più leggeri.

ff

1H2 + 1H3 → 2H4 + n

Tale reazione esoenergetica prende il nome di fusione nucleare. La reazione di fusione avviene spontaneamente solo all’interno delle stelle, anzi la fusione è il processo fondamentale di produzione di energia nelle stelle. Infatti, per poter innescare il processo di fusione è necessario che i nuclei originari si avvicinino al di sotto della distanza di 10-15 m (1 fm), vincendo la normale repulsione elettrostatica, che prevale a distanze r0,5 fm. Per raggiungere l’energia sufficiente a fare ciò, i nuclei devono essere portati a temperature e a pressioni elevatissime, condizioni che si ritrovano in natura solo all’interno delle stelle.

Fusione naturale (stellare)

In queste condizioni, la materia si presenta allo stato di plasma, in cui gli atomi sono completamente ionizzati, vale a dire hanno perso tutti i loro elettroni. Da tempo gli scienziati stanno cercando di riprodurre in laboratorio un processo di fusione nucleare controllata, che però incontra due problemi principali: innescare l’ignizione del combustibile nucleare, per la quale si stima di dover arrivare a temperature almeno intorno a 100 milioni di gradi, e confinare il plasma che si produce. Una tecnica promettente è quella del tokamak, in cui il plasma, riscaldato con dispositivi a radiofrequenza, è mantenuto confinato da intensissimi campi magnetici.

Fusione artificiale (tokamak)

•Il JET (Joint European Torus), costruito nei pressi di Oxford, è un esperimento che fa parte del programma della U.E. sull’energia nucleare.

•In esso è possibile portare uno stato di plasma alla temperatura di 200 milioni di gradi. In questo apparato è stata realizzata, ma soltanto per alcuni secondi, la fusione nucleare di una miscela di deuterio e trizio, anche se il bilancio energetico del processo non è ancora in attivo: l’energia spesa per raggiungere la temperatura necessaria è infatti uguale a quella prodotta.

•Nell’immagine seguente è visibile la camera a vuoto di forma toroidale, all’interno della quale sono generati intensissimi campi magnetici, necessari per il confinamento stabile del plasma.

JET

Il JetIl Jet

Fusione nucleare (2/5)Fusione nucleare (2/5)• Negli anni ‘20 il chimico Harkins parlo di fusione di Negli anni ‘20 il chimico Harkins parlo di fusione di

atomi di H;atomi di H;• Negli anni 30 Eddington parlò di temperature e Negli anni 30 Eddington parlò di temperature e

pressioni assai elevate al centro del sole e delle pressioni assai elevate al centro del sole e delle stelle;stelle;

• Alla fine degli anni ’30 Bethe propose che il sole e Alla fine degli anni ’30 Bethe propose che il sole e le stelle fossero delle centrali nucleari a fusione; le stelle fossero delle centrali nucleari a fusione;

Fusione nucleare (3/5)Fusione nucleare (3/5)• La massa dei nuclei prodotti è < della somma delle masse dei La massa dei nuclei prodotti è < della somma delle masse dei

reagenti; reagenti; • La massa che manca si è trasformata in energia che viene rilasciata; La massa che manca si è trasformata in energia che viene rilasciata;

• Si produce Si produce ~ 3,5 MeV/nucleone~ 3,5 MeV/nucleone

• Per realizzare la fusione servono:Per realizzare la fusione servono:• alta pressione;alta pressione;

• alte temperature;alte temperature;

• tempo di confinamento sufficientemente lungo;tempo di confinamento sufficientemente lungo;

• La prima bomba a fusione (bomba H) esplose nel ’52;La prima bomba a fusione (bomba H) esplose nel ’52;• Reazione incontrollata, scatenata da fissione, che consentì il Reazione incontrollata, scatenata da fissione, che consentì il

raggiungimento delle condizioni necessarie a far avvenire la raggiungimento delle condizioni necessarie a far avvenire la fusione di nuclei di Deuterio e di Trizio;fusione di nuclei di Deuterio e di Trizio;

Fusione nucleare (4/5)Fusione nucleare (4/5)• A così elevate temperature:A così elevate temperature:

• La materia diventa plasma (miscela libera di elettroni e nuclei);La materia diventa plasma (miscela libera di elettroni e nuclei);• I nuclei hanno l’energia necessaria per vincere la repulsione I nuclei hanno l’energia necessaria per vincere la repulsione

elettrostatica ed avvicinarsi per attivare la forza forte e fondersi;elettrostatica ed avvicinarsi per attivare la forza forte e fondersi;

L’energia necessaria alla vita sulla L’energia necessaria alla vita sulla Terra è prodotta nel Sole con Terra è prodotta nel Sole con processi di fusione.processi di fusione.• Campo di attrazione gravitazionale Campo di attrazione gravitazionale

molto intenso consente di ottenere: molto intenso consente di ottenere: • pressioni superficiali pressioni superficiali ~ 340 volte quelle ~ 340 volte quelle

terrestri;terrestri;• Temperature 10Temperature 106 6 °C; °C; • lo stato di plasma per H ed He per un lo stato di plasma per H ed He per un

tempo sufficientemente lungo da far tempo sufficientemente lungo da far avvenire la fusione;avvenire la fusione;

Fusione nucleare (5/5)Fusione nucleare (5/5)• La fusione:La fusione:

• Produce meno isotopi radioattivi (Produce meno isotopi radioattivi (11HH33 e gli isotopi generati nelle e gli isotopi generati nelle strutture circostanti da reazioni indotte dai neutroni lenti rilasciati) strutture circostanti da reazioni indotte dai neutroni lenti rilasciati) rispetto alla fissione;rispetto alla fissione;

• Utilizzerebbe materiali (Utilizzerebbe materiali (11HH11, , 11HH22, , 11HH33) che si trovano già o si possono ) che si trovano già o si possono produrre in grande quantità sulla terraprodurre in grande quantità sulla terra

• Non corre il rischio di diventare incontrollata come la fusione Non corre il rischio di diventare incontrollata come la fusione • Ma:Ma:

• non esistono materiali che riescano a contenere il plasma a non esistono materiali che riescano a contenere il plasma a temperature così elevate;temperature così elevate;

• È difficile mantenere le condizioni per un tempo utile alla reazione;È difficile mantenere le condizioni per un tempo utile alla reazione;• Per poter avere il controllo (ancora non ottenuto) di una reazione di Per poter avere il controllo (ancora non ottenuto) di una reazione di

fusione si devono creare apparati molto complessi e molto costosifusione si devono creare apparati molto complessi e molto costosi

Produrre energia con la fusione sulla Terra è difficile!Produrre energia con la fusione sulla Terra è difficile!

Gli effetti biologici delle radiazioni nucleari

Alcuni vantaggi del nucleareAlcuni vantaggi del nucleare• Attualmente sembra unica fonte in grado di Attualmente sembra unica fonte in grado di

soddisfare le crescenti richieste energetiche del soddisfare le crescenti richieste energetiche del genere umano.genere umano.

• Non si produce CONon si produce CO22 e non si aumenta l’effetto e non si aumenta l’effetto serra ed il buco nell’Ozono.serra ed il buco nell’Ozono.

• Maggiore indipendenza energetica dal petrolio Maggiore indipendenza energetica dal petrolio ipotesi di una maggiore stabilità economica e ipotesi di una maggiore stabilità economica e politica mondiale (tutta da dimostrare, politica mondiale (tutta da dimostrare, considerando che poche nazioni sono considerando che poche nazioni sono attualmente in possesso della tecnologia attualmente in possesso della tecnologia necessaria e delle risorse economiche in scala necessaria e delle risorse economiche in scala industriale: USA, Francia, GB, Germania, e industriale: USA, Francia, GB, Germania, e poche altre).poche altre).

•Costi dell’intero ciclo del nucleare superiori alle Costi dell’intero ciclo del nucleare superiori alle altre fonti non rinnovabili;altre fonti non rinnovabili;

•problemi di gestione delle scorie radioattive problemi di gestione delle scorie radioattive prodotte;prodotte;

•rischio incidenti agli impianti, sia casuali rischio incidenti agli impianti, sia casuali (guasti) che provocati (terrorismo);(guasti) che provocati (terrorismo);

•proliferazione armi (attualmente solo alcuni proliferazione armi (attualmente solo alcuni Stati hanno le armi nucleari).Stati hanno le armi nucleari).

Alcuni svantaggi del nucleareAlcuni svantaggi del nucleare

L’ultimo incidente (conosciuto)L’ultimo incidente (conosciuto)• 9 agosto 2004 a Tokaimura (Giappone): Era il giorno della 9 agosto 2004 a Tokaimura (Giappone): Era il giorno della

commemorazione del bombardamento di Nagasaki. La foto commemorazione del bombardamento di Nagasaki. La foto avrebbe dovuto dimostrare la possibilità di pescare senza avrebbe dovuto dimostrare la possibilità di pescare senza problemi nelle acque reflue della centrale in oggetto…problemi nelle acque reflue della centrale in oggetto…

FINE