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Energia nucleare

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presentazione sull'energia nucleare per alunni di terza media

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  • 1. La presentazione è stata parzialmente modificata da Elena MartellatoP.Montagna Fisica nucleare pag.1 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 2. IL NUCLEO ATOMICO E L’ENERGIA NUCLEAREIl nucleo atomico• Struttura atomica• Elementi e isotopi• Forze nucleari• Decadimento radioattivo L’energia nucleare• Fissione e fusione • Reattori nucleari • Centrali nucleari • La bomba atomica • Le mine antiuomo • Chernobyl • Il nucleare in Italia P.Montagna A.QUARTA mag 2003 Fisica nucleare Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico pag.2
  • 3. L’atomo Z protoni mp = 1.67 • 10-27 kg N neutroni mn = 1.67 • 10-27 kg Z elettroni me = 9.07 • 10-31 kg Rnucleo  10-15 m = 1 fm Ratomo  10-10 m = 1 Å Numero di massa: Ratomo  105 ! A = Z + N Ail nucleo è 100000 volte Notazione: Z X Rnucleopiù piccolo dell’atomo! P.Montagna Fisica nucleare pag.3 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 4. Atomi, nuclei, particelle: le loro dimensioniP.Montagna Fisica nucleare pag.4 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 5. Elementi chimiciElementi chimici: atomi con diverso Znaturali: da idrogeno (Z=1) a uranio (Z=92)artificiali: tecnezio (Z=43) e transuranici (Z>92) TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEVP.Montagna Fisica nucleare pag.5 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 6. IsotopiIsotopi: Nstesso n.protoni Zdiverso n.neutroni N(stessa specie chimica, diversa massa) stabili radioattivi (naturali e artificiali)Stabilita’ dei nuclei:Nuclei leggeri (Z  20)  N = Z ZNuclei pesanti (Z > 20)  N > Z… come si spiega? … P.Montagna Fisica nucleare pag.6 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 7. Ma i protoni non si respingono? Nel nucleo ci sono Z protoni molto vicini tra loro (d  10-15 m). Essi risentono delle forze di: attrazione repulsione gravitazionale elettrostatica ?!? FE FG FG FE P PIn base alle forze che conosciamo (gravitazionale ed elettromagnetica) i protoni dovrebbero respingersi violentemente e quindi distruggere o impedire la formazione dei nuclei atomici. A MENO CHE… P.Montagna Fisica nucleare pag.7 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 8. La “colla” nucleare A MENO CHE…All’interno dei nuclei atomici si manifesti una ulteriore nuova forzadi attrazione, capace di “incollare” tra loro i protoni vincendo laloro repulsione coulombiana.Caratteristiche della forza nucleare:• E’ sempre attrattiva• Si manifesta solo a distanze d  10-15 m• Vale tra protoni, tra neutroni, tra protoni e neutroni P.Montagna Fisica nucleare pag.8 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 9. Guardando i nuclei leggeri... ... si vede che quando ci sono troppi o pochi neutroni il nucleo non è stabile Idrogeno: Z=1 Elio: Z=2 1 Non 1H 2 2 He esiste! 2 1H Deuterio 3 2 He 3 1H Trizio 4 2 He  instabile! 5 2 He  instabile!P.Montagna Fisica nucleare pag.9 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 10. Ma quanti neutroni ci vogliono nel nucleo? Né troppi, In natura esistono soloné troppo pochi! • nuclei leggeri (Z  20) con N  Z • nuclei pesanti (Z > 20) con N > Z N Altri nuclei non esistono, o – se prodotti – decadono spontaneamente dopo un certo tempo, emettendo particelle, o trasformandosi in altre specie, o spezzandosi in nuclei più piccoli. Z RADIOATTIVITA’ P.Montagna Fisica nucleare pag.10 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 11. Radioattivita’Radioattività = trasformazione spontanea o artificiale dei nuclei con emissione di radiazione corpuscolare  particelle elettromagnetica  energiaQuando? NNei nuclei non compresinella “valle di stabilità”:• nuclei con troppi protoni (Z>92)• nuclei con troppi neutroni• nuclei con pochi neutroni Z• nuclei con troppa energia P.Montagna Fisica nucleare pag.11 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 12. Decadimenti radioattivi + Nuclei pesanti- + + Nuclei con troppi neutroni+ + + Nuclei con pochi neutroni + Spesso dopo decadimento  o  P.Montagna Fisica nucleare pag.12 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 13. P.Montagna Fisica nucleare pag.13 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 14. La fissione nucleareI nuclei pesanti (Z>92), se bombardati ad es. con neutroni, tendonoa decadere spezzandosi in due nuclei di massa circa metà di quelladi partenza, emettendo inoltre altri neutroni, che possono provocareuna reazione a catena. Nella fissione viene emessa energia: circa 200 MeV (contro i 20 eV delle reazioni chimiche) 1g di fissione  30000 kWh di energia = consumo familiaren 235 92 U  236 * 92 U  144 56 Ba  36 Kr  3n 89 di 5 anni!!!  140 54 Xe  38 Sr  2n 94 P.Montagna Fisica nucleare pag.14 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 15. La fusione nucleare I nuclei leggeri (Z<15), in condizioni particolari (es. altissimetemperature) in cui riescono ad avvicinarsi l’un l’altro a piccolissime distanze, possono fondersi a due a due in nuclei più pesanti. Nella fusione viene emessa energia: alcuni MeV (contro i 20 eV delle reazioni chimiche) Nel Sole, a ogni secondo, 564500 kg di idrogeno si convertono in 560000 kg di elio; i restanti 4500 kg diventano energia che viene irraggiata nello spazio. P.Montagna Fisica nucleare pag.15 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 16. Verso l’energia nucleare: le tappeDai fenomeni naturali... 1905: Einstein  E=mc21895: Roentgen  raggi X1896: Becquerel  radioattività naturale1898: Curie  elementi radioattivi1899: Rutherford  radiazioni , ,  ...ai fenomeni artificiali 1919: Rutherford  reazioni nucleari 1932: Chadwick  neutrone 1934: Curie  produzione di radioisotopi 1934: Fermi  neutroni lenti su uranio 1938: Hahn-Strassmann  fissione 1942: Fermi  reattore nucleare P.Montagna Fisica nucleare pag.16 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 17. I neutroni lenti e l’uranio1932: scoperta del neutroneIl neutrone è neutro, e quindi nonè soggetto a repulsione elettrica.Ha quindi un’elevata capacità dipenetrazione nel nucleo.Bombardando nuclei di uranio con neutroni si ottengonomoltissime sostanze radioattive.Inoltre vengono emessi altri neutroni che possono essereutilizzati a loro volta per continuare il processo a catena. P.Montagna Fisica nucleare pag.17 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 18. Reazioni a catenaLa fissione nucleare può avvenire con reazioni a catena. Se controllata, è una enorme sorgente di energia! Se incontrollata, ha effetti devastanti! P.Montagna Fisica nucleare pag.18 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 19. Il reattore nucleare• Cubo di grafite (moderatore dei neutroni) Pila di Fermi,• barre di uranio Chicago 1942• barre di controllo di boro e cadmio (assorbitori dei neutroni in eccesso) Sollevando o abbassando le barre di controllo, è possibile innescare o bloccare la reazione a catena. P.Montagna Fisica nucleare pag.19 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 20. Centrali nucleariReattore protetto da unacampana di rivestimento +sistema di raffreddamentoin cui circola acqua.L’acqua trasformata invapore mette in azione unaturbina collegata con unalternatore che produceenergia elettrica.Il vapore uscito dallaturbina passa in uncondensatore dove vieneraffreddato e trasformatoin acqua. Questacqua vienedi solito inviata al reattoreper essere riutilizzata. P.Montagna Fisica nucleare pag.20 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 21. Verso la bombaIl processo di fissione realizzato da Fermi in Italia nel 1934viene capito solo nel 1939 da Hahn e Strassmann in Germania.Negli Stati Uniti, dove Fermi e molti altri sono emigrati dopole leggi razziali del 1938, si teme che la Germania produca labomba atomica.I fisici europei emigrati negli Stati Uniti, con l’appoggio determinante di Einstein, convincono il presidente Roosevelt della necessità di iniziare le ricerche per costruire la bomba prima della Germania. "Se avessi saputo che i tedeschi non sarebbero riusciti a costruire la bomba atomica, non avrei mai alzato un dito.“ Albert EinsteinP.Montagna Fisica nucleare pag.21 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 22. Los AlamosDicembre 1941: gli USA entrano in guerraEstate 1942: Roosevelt crea il Progetto Manhattan per le ricerchesulla bomba atomicaDicembre 1942: Fermi realizza il reattore nucleare (pila di Fermi)Marzo 1943: inizia in gran segretola costruzione della cittadella diLos Alamos (direttore Oppenheimer)Novembre 1944: si capisce che laGermania non riuscirà ad arrivarealla bomba. Inizia il dubbio degliscienziati: non ci sono più motiviper la bomba.Primavera 1945: alcuni scienziatiscrivono a Roosevelt: fermiamoci!Aprile 1945: muore Roosevelt. P.Montagna Fisica nucleare pag.22 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 23. Via alla bomba!Aprile 1945: Truman nuovo Presidente USA. Finisce la guerra inEuropa. Il Giappone non si arrende.Giugno 1945: un gruppo di fisici (Oppenheimer, Fermi e altri)chiede di lanciare subito la bomba sul Giappone; un altro gruppodi fisici (Slizard e altri) chiede di usare la bomba solo nel deserto,a scopo dimostrativo. Truman decide per il lancio sul Giappone.Luglio 1945: pronti 2 tipi di bombe,a uranio 235 e plutonio 239. Lanciodimostrativo nel Nuovo Messico:potenza: 20000 tonnellate di tritolo.Ultimatum al Giappone: respinto.6 agosto 1945: Hiroshima9 agosto 1945: Nagasaki P.Montagna Fisica nucleare pag.23 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 24. La bomba atomica Principio contrario a quello del reattore: fissione totalmente incontrollata.Tempi accelerati: uso di neutroni veloci  eliminato il moderatoreSi ha fissione quando l’uranio supera una certa massa critica per “programmare” l’esplosione, il combustibile viene suddiviso inpiù parti, e la reazione viene innescata mediante un normaleesplosivo, posto sulla testata, che fa “scontrare” le diverseparti di uranio. In base ai danni che si vogliono procurare, l’esplosione viene fatta avvenire a una certa quota, determinata da un altimetro. P.Montagna Fisica nucleare pag.24 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 25. Hiroshima e Nagasaki Hiroshima uranio 235 98% distruzione 70000 morti Nagasaki plutonio 239 47% distruzione 75000 morti La scienza in crisi Prima bomba: necessaria?  sgomento... Seconda bomba: inutile!  rabbia!...P.Montagna Fisica nucleare pag.25 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 26. Lo sminamento umanitarioL’energia nucleare, così devastante in guerra, può essere una preziosaalleata in tempo di pace. Un esempio: le MINE ANTIUOMO.Ogni anno: 20000 vittime per “vecchie” mine antiuomo (20% bambini). Sminamento troppo costoso: ispezione del terreno con sensoridi anomalia  allarme  estrazione e neutralizzazione esplosivo tempo: > 30 minuti costo: 300-1000 $ falsi allarmi: 99 % Tutti gli esplosivi contengono azoto in gran quantità (20-30%, contro il <2 % normale)  I terreni minati sono ricchissimi di azoto P.Montagna Fisica nucleare pag.26 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 27. Il nucleare contro le mine antiuomo INFN Pavia, Padova, Bari. Bombardando con neutroni il terreno, si può rivelare una anomala quantità di azoto.Metodo proposto:• tubo portatile (dimensioni 50 cm) azionato da robot• neutroni da fissione spontanea di 252Cf• rivelazione dell’energia mediante scintillatori• analisi automatica (computer) durante le successive ispezioni• intervento umano solo dopo la conferma P.Montagna Fisica nucleare pag.27 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 28. L’energia nucleare è “buona” o “cattiva”? Come ogni cosa, ha vantaggi e svantaggi.Fissione: + facile innesco e controllo - costo e produzione combustibile forte inquinamento radioattivo pericolo di catastrofeFusione: + disponibilità illimitata combustibile nessun inquinamento - difficile innesco (altissime temperature)  fusione fredda?... P.Montagna Fisica nucleare pag.28 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 29. Energia nucleareP.Montagna Fisica nucleare pag.29 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 30. Il disastro di ChernobylChernobyl, Ucraina, 26 aprile 1986Per un test:interruzione del vapore +disattivazione sistemi di sicurezzareazione a catena incontrollata  energia 100 volte superioreaumento di temperatura  fusione del reattoreaumento di pressione  esplosione del “tetto”incendio della grafite per 10 giorniNube radioattiva in tutta Europa:131I  T1/2  8 giorni137Cs  T1/2  30 anni P.Montagna Fisica nucleare pag.30 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 31. Chernobyl prima e dopoP.Montagna Fisica nucleare pag.31 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 32. Il nucleare in ItaliaDopo il disastro di Chernobyl, in Italia si diffonde tral’opinione pubblica un sentimento di ostilità e di rifiutonei confronti dell’energia nucleare.Nei di tre referendum popolari del 1987 gli italianiesprimono il netto rifiuto della politica energeticanucleare. In Italia non esistono più centrali nucleari: le 4 esistenti, a Caorso (PC), Trino (VC), Latina, Garigliano (FR), sono state smantellate, e nessun’altra verrà più costruita. Ma l’Italia deve importare una enorme quantità di energia dai Paesi vicini (es. Francia). E se avvenisse un incidente ai nostri confini... P.Montagna Fisica nucleare pag.32 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 33. Il nucleare ai nostri confiniDal 1987 lItalia ha chiuso col nucleare, ma 13 centrali straniere sono aun passo da noi. LAnpa (Agenzia nazionale per la protezione ambientale) le considera come se fossero praticamente nel territorio italiano, per le conseguenze di un incidente sulla popolazione e sull’ambiente. Mappa delle fonti di un possibile inquinamento nucleare per l’Italia. Il nostro Paese è circondato da una serie di centrali nucleari stanziate a pochi centinaia di km dai confini. Sono evidenziati in rosso i centri di rilevamento di radiazioni che dovrebbero dare tempestivamente l’allarme in caso di incidente nucleare. P.Montagna Fisica nucleare pag.33 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 34. Rinunciare all’energia nucleare? La verità è che non vi abbiamo mai rinunciato... Lenergia elettronucleare soddisfa il 18% del fabbisogno elettrico mondiale e il 35% di quello europeo. Dal 1995 a oggi, anche lItalia ha importato elettricità nucleare dall’estero per quote variabili fra il 14 e il 18%.P.Montagna Fisica nucleare pag.34 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico
  • 35. Quali sono le prospettive per il Futuro? La presentazione è stata parzialmente modificata da Elena MartellatoP.Montagna Fisica nucleare pag.35 mag 2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

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