1. LE APPLICAZIONI DELLA RADIOATTIVITA' E DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI: LA
PRODUZIONE DI ENEREGIA ELLETTRO NUCLEARE.
La radioattività, o decadimento radioattivo, è un insieme di processi fisico-nucleari attraverso i quali
alcuni nuclei atomici instabili o radioattivi decadono, in un certo lasso di tempo detto "tempo di
decadimento", in nuclei di energia inferiore raggiungendo uno stato di maggiore stabilità con emissione
di radiazioni ionizzanti in accordo ai principi di conservazione della massa/energia e della quantità di
moto. Il processo continua più o meno velocemente nel tempo finché gli elementi via via prodotti,
eventualmente a loro volta radioattivi, non raggiungono una condizione di stabilità attraverso la cosiddetta
"catena di decadimento".
In fisica nucleare il termine catena di decadimento indica una serie di decadimenti radioattivi di diversi
prodotti di decadimento legati tra loro in una serie di trasformazioni. La maggior parte degli elementi
radioattivi non decade direttamente in un nucleo stabile, ma passa piuttosto attraverso una serie di
decadimenti successivi fino a raggiungere un nuclide derivato stabile.
Per capire la definizione riguardante la radioattività è necessario introdurre quello che è il concetto di
rapporto tra massa ed energia: "L'energia totale E di un corpo di massa a riposo m0, in movimento con
velocità di modulo V rispetto ad un dato sistema di riferimento, é:"
E=mc2
Dove E è l'energia, m è la massa per l'osservatore che vede il corpo a velocità V e c è la velocità della luce
pari a circa 3,00*108
m/s.
In seguito agli studi di Ernest Rutherford i decadimenti nucleari sono stati raggruppati in tre classi
principali:
decadimento alfa;
decadimento beta;
decadimento gamma.
A questa prima classificazione, in seguito a ulteriori investigazioni sul fenomeno, si sono aggiunte
l'emissione di neutroni, l'emissione di protoni e la fissione spontanea. Mentre il decadimento alfa e il
decadimento beta cambiano il numero di protoni nel nucleo e quindi il numero di elettroni che vi
orbitano attorno (cambiando così la natura chimica dell'atomo stesso), il decadimento gamma avviene
fra stati eccitati dello stesso nucleo e comporta solo la perdita di energia.
Subentra così il concetto del tempo di decadimento. Il momento esatto in cui un atomo instabile decadrà
in uno più stabile è ritenuto casuale e impredicibile. Ciò che si può fare, dato un campione di un
particolare isotopo, è notare se il numero di decadimenti rispetta una precisa legge statistica. Il numero di
decadimenti che ci si aspetta avvenga in un intervallo dt è proporzionale al numero N di atomi presenti.
Questa legge può essere descritta tramite la equazione differenziale del primo ordine (in cui λ è la
costante di decadimento):
N=-λN
2. con questa soluzione (in cui "e" è il numero di Eulero):
N(t)=N0e-λt
che rappresenta un decadimento esponenziale. Bisogna notare che questa rappresenta solamente una
soluzione approssimata, in primo luogo perché rappresenta una funzione continua, mentre l'evento fisico
reale assume valori discreti, poiché descrive un processo casuale, solo statisticamente vero. Comunque,
poiché nella gran parte dei casi N è estremamente grande, la funzione fornisce un'ottima approssimazione.
Oltre alla costante di decadimento λ il decadimento radioattivo è caratterizzato da un'altra costante
chiamata vita media. Ogni atomo vive per un tempo preciso prima di decadere e la vita media
rappresenta appunto la media aritmetica sui tempi di vita di tutti gli atomi della stessa specie. La vita
media viene rappresentata dal simbolo τ, legato a λ dalla:
τ=1/λ .
Un altro parametro molto usato per descrivere un decadimento radioattivo è dato dalla emivita o tempo di
dimezzamento t½. Dato un campione di un particolare radionuclide, il tempo di dimezzamento ci dice
dopo quanto tempo saranno decaduti un numero di atomi pari alla metà del totale ed è legato alla vita
media dalla relazione:
t1/2=ln 2/λ
Queste relazioni ci permettono di vedere che molte delle sostanze radioattive presenti in natura sono
ormai decadute, e quindi non sono più presenti in natura, ma possono essere prodotte solo artificialmente.
Per avere un'idea degli ordini di grandezza in gioco, si può dire che la vita media dei vari radionuclidi può
variare da 109 anni fino a 10−12 secondi. L'insieme degli elementi ottenuti per decadimenti successivi
costituisce una famiglia radioattiva. In natura esistono tre famiglie radioattive principali: la famiglia
dell'uranio, quella dell'attinio e quella del torio.
APPLICAZIONI DELLA RADIOATTIVITA': PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRO
NUCLEARE.
L'utilizzo della radioattività da parte dell'uomo oggigiorno è vastissima, ma ciò che fa discutere
maggiormente, è il suo utilizzo in campo civile, ossia con la produzione di energia da parte delle
molteplici centrali nucleari. Queste forniscono una fonte di energia non rinnovabile, in quanto gli isotopi
radioattivi presenti sulla terra sono ben pochi e possono essere reperiti in posti scomodi da raggiungere e
politicamente contesi. Se da un lato abbiamo un'alta densità energetica (poco materiale sprigiona molta
energia) dall'altro abbiamo rischi che riguardano la sicurezza e lo smaltimento delle scorie.
Abbiamo due tipi di reazioni nucleari : fissione nucleare e fusione nucleare. Le
centrali utilizzano la prima reazione in quanto "più semplice".
FISSIONE NUCLEARE
La fissione nucleare può avvenire in modo incontrollato e in modo controllato. Il primo è utilizzato
3. nell'ambito bellico e consiste nel rilascio libero di energia.
Una massa di uranio viene schiacciata da un'esplosione, questa scatena una reazione incontrollata a
catena:
rottura di un atomo;
l'atomo libera elettroni;
i neutroni colpiscono altri atomi;
produzione di energia.
Il risultato è una detonazione con grandi masse d'aria spostate che creano un'onda d'urto.
La fissione nucleare controllata invece è utilizzata nelle centrali nucleari appunto ed ha un procedimento
ben preciso.
Il materiale fissile (uranio radioattivo) viene colpito;
l'atomo viene diviso in 2 o 3 atomi più piccoli (dipende da dove viene colpito);
difetto di massa (la massa persa è trasformata in energia che si manifesta sotto forma di
luce, calore e radiazioni di tipo x e gamma).
Per far avvenire la fissione nucleare c'è bisogno di un generatore di neutroni che colpirà gli isotopi di
4. uranio. Questi ultimi, in base alla direzione nella quale verranno colpiti si divideranno in altri 2 o 3 atomi
liberando neutroni ed energia. Un ruolo fondamentale lo svolgono le barre di controllo le qali assorbono
i neutroni. Queste possono essere di diversi materiali, dipende dalle scelte ingegneristiche e variano nelle
diverse centrali, inoltre possono alzarsi ed abbassarsi in modo tale da lasciar passare i neutroni. Senza di
esse vi sarebbe una reazione incontrollata. Dei neutroni, uno deve essere respinto in modo da poter
continuare la reazione.
L'energia liberata è davvero molto elevata, pertanto devono essere applicate delle lastre molto spesse di
piombo al di sopra del nocciolo (materiale fissile) e delle barre, in modo tale da contenere il tutto.
Se l'energia generata è molto elevata, il calore attorno al nocciolo lo sarà altrettanto e il tutto dev'esser
raffreddato in modo tale da non far fondere i componenti ed evitare detonazioni. Il nocciolo è immerso in
un liquido di raffreddamento. Il processo di raffreddamento avviene grazie alla successione di condotti
che trasportano il fluido, per mezzo di pompe specifiche, nella centrale di raffreddamento, dove, seppur
non venendo a contatto diretto con l'acqua fredda, il liquido riesce a raffreddarsi e tornarne a refrigerare il
nocciolo.
Con il passaggio del fluido incandescente, l'acqua presente nella centrale di raffreddamento evapora.
Giungendo ad una turbina, il vapore genera energia elettrica che verrà trasformata da un alternatore e
spedita nei cavi con una tensione di circa 20.000 V. Una volta uscito dalla turbina, il vapore viene
aspirato da un'altra pompa, che lo raffredda facendolo cambiare di stato, concludendo così il ciclo.
FUSIONE NUCLEARE
In modo nettemante diverso dalla fissione nucleare, la fusione nucleare è un processo di reazione nucleare
in cui due o più atomi sono compressi al punto da far prevalere l'interazione forte sulla repulsione
magnetica. Gli atomi si fondono tra loro creando un nuovo nucleo di massa maggiore. Il processo di
fusione nucleare è presente nelle stelle e nel Sole.
Le reazioni di fusione nucleare sono essenzialmente due:
2
H+2
H -> 3
H+ n0
+ 3,3eV
2
H+3
H -> 4
He+ n0
+ 17,6eV
Nella prima due atomi di deuterio danno luogo ad uno di tritio e un neutrone; la seconda in cui un nucleo
di deuterio ed un nucleo di tritio danno luogo ad un neutrone e ad un nucleo di elio.
Pur sembrando semplici queste reazioni sono quasi impossibili da riprodurre artificialmente sulla terra in
quanto, ci vorrebbe un campo magnetico generato da una correttente elettrica davvero troppo elevata.
Eppure negli ulti anni, in Francia si sta sperimentando una centrale a fusione nucleare. Una grandissima
struttura composta da 18 bobine di 17*9m dal peso di circa 305 tonnellate. Queste, una volta
attraversate dalla corrente produrranno un campo magnetico di 11,8T circa 250.000 volte maggiore a
quello terrestre, in modo da contenere il plasma incandescente. La struttura dovrebbe essere completata
entro il 2025 e i primi risultati dovrebbero esser visti entro il 2050.
BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA
5. Per completare questa relazione ho preso informazioni dal libro scolastico di fisica e di scienze della terra.
Maggior informazioni sono state reperite dal sito "zona nucleare" e dell' ANSA per quanto rigurda la
notizia finale.
LAVORO REALIZZATO DA: MATTEO CAMPLONE
CLASSE: 5F
ANNO SCOLASTICO: 2019/2020
