ELEMENTI DI FISICA NUCLEARE a cura di STEFANO GRANDE

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ELEMENTI DI FISICA NUCLEAREa 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
  dinerzia)
• Elettromagnetismo ( forze coulombiane, campo
  magnetico prodotto da un campo elettrico ed
  effetto Joule )
• Relatività (acceleratore di particelle e
  relazione di Einstein Emc2)

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OBIETTIVI FORMATIVI E DISCIPLINARI

• rendersi conto dellimportanza 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 lanno 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 delluranio 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 ? ?E ?mc2 (difetto di massa
  differenza di massa fra i costituenti nucleari e
  il nucleo)
• Nuclei a distanza lt10-12 cm entrano in gioco le
  forze nucleari
• Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche
  (barriera di potenziale dovuta alla forza
  elettrica coulombiana repulsiva UZ1Z2e2/R) ?
  occorre fornire energia cinetica elevata per
  lavvicinamento. Effetto tunnel
• Si riscaldano i nuclei con lesplosione di una
  bomba Atomica (innesco) ? reazione termonucleare
• Temperatura elevata a milioni di gradi ? notevole
  aumento delloscillazione 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
  dellidrogeno) si fondono
• 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 latomo di deuterio può
  essere facilmente estratto dallacqua 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 (questultimo è
  abbondante sulla crosta terrestre).

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Ricordando che

• Fissione delluranio 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 lenergia
  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 lostacolo 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

• Tgt 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)
• T100 milioni di gradi gli ioni positivi di
  deuterio e tritio, che tendono a respingersi,
  acquistano un energia cinetica (dovuta
  allagitazione 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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una componente della velocità è parallela alle
linee di flusso magneticouna componente è
perpendicolare alle linee di flusso ( moto di
girazione)composizione dei due moti ? moto
elicoidale lungo le linee di forza
BOTTIGLIA MAGNETICA
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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.
• Lelio è raccolto allesterno del reattore.
• Energia sottoforma di calore portata via
  dallacqua, 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 lenergia spesa
  per farlo funzionare (cioè per scaldare il plasma
  ecc.)
• ? 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