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Tesina - Premio maturità 2009
Titolo: L'Acqua Pesante
Autore: Guglielmini Paolo
Scuola: Liceo scientifico
Descrizione: Partire dicendo che l'acqua pesante è acqua normale con al posto dell'idrogeno il deuterio, poi dire cosa sono gli isotopi approfondendo la questione. Un isotopo è un atomo dello stesso elemento chimico, e quindi con lo stesso numero atomico (numero di protoni), ma con differente numero di massa (somma protoni+neutroni). Se due nuclei contengono lo stesso numero di protoni, ma un numero differente di neutroni, i due nuclei avranno lo stesso comportamento chimico, ma avranno comportamenti fisici differenti, essendo uno più pesante dell'altro. La reale massa del nucleo atomico è leggermente inferiore della somma delle masse a riposo dei suoi nucleoni(neutroni+protoni), parte della massa è stata infatti persa per la formazione del nucleo, per rompere il nucleo e separare i nucleoni è necessaria questa energia:L'energia legante. Quanto più è grande l'energia legante per nucleone, maggiore sarà la stabilità del nucleo. Inoltre nel nucleo è presente la cosidetta "forza forte" che lega i nucleoni evitando che le forze elettromagnetiche li respingano; un nucleo è instabile quando c'è un grande numero di protoni e pochi neutroni che li separano. Gli isotopo nucleari acquistano stabilità emettendo radiazioni elettromagnetiche ad alta energia (alfa, beta, gamma) Le radiazioni beta sono elettroni ad alta energia, mentre le reazioni alfa sono nuclei di elio (2 protoni + 2 neutroni). Il trizio non è un isotopo naturale, ma viene prodotto nei reattori nucleari ed è impiegato nella produzione delle bombe all'idrogeno e usato come tracciante isotopico nelle bioscienze e in cinetica chimica, e come sorgente di radiazione nelle vernici fosforescenti.
Materie trattate: Chimica, Fisica, Storia (la Seconda Guerra Mondiale)
Area: scientifica
La molecola Gli impieghi La storia
L’acqua pesante
_____
L’importanza di un isotopo
Paolo Guglielmini
Liceo Scientifico Tecnologico “G.Fracastoro”
Verona - Luglio 2009
La molecola Gli impieghi La storia
Motivazione Ho voluto correlare alcune
conoscenze apprese con una
applicazione industriale
importante ma poco
conosciuta.
Obiettivi Capire come teoria, tecnologia e
storia, si intreccino in applicazioni
che ci possono coinvolgere
Paolo Guglielmini D O L’importanza di un isotopo
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La molecola Gli impieghi La storia
Gli isotopi dell’idrogeno
Abb. in Tempo MeV
Dec.
Isotopo Prod
natura dimezzam. decad
H
1 99,985% H è stabile con 0 neutroni
(Prozio)
²H (Deuterio) 0,015% H è stabile con 1 neutrone
³H sintetico 12,33 anni β 0,019 ³He
-
(Trizio)
H sintetico Ignoto n 2,910 ³H
4
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La molecola Gli impieghi La storia
La molecola D O
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Nome IUPAC : ossido di deuterio
Formula bruta: D O
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Massa molecolare: 20,02 u
Aspetto: liquido incolore
Densità :1,11g/cm3
Temperatura di fusione: 3,82 °C
Temperatura di ebollizione: 101,4 °C
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Produrre l’acqua pesante
Distillazione Elettrolisi
frazionata
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Produzione per elettrolisi
Anodo (ossidazione): 2H O(l) O (g) + 4H (aq) + 4e E° = -1,23V
+ -
2 2 ox
Catodo (riduzione): 2H O(l) + 2e H (g) + 2OH (aq) E = -0,83V
- - °rid
2 2
E (H) > E°(D)
°
Riduzione preferenziale dell’idrogeno
rispetto al deuterio
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La molecola Gli impieghi La storia
Gli impieghi
Centrale nucleare CANDU
(CANadian Deuterium Uranium)
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…segue
Nei reattori CANDU è possibile l’uso di
uranio naturale U come combustibile,
238
evitando la costosa necessità di impianti
di arricchimento di uranio U.
235
U U
235 238
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Una premessa… Energia
Neutrone Nucleo fissile Frammenti + altri neutroni +
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Materia ed energia
ΔE =Δmc
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C = velocità della luce
Δm = variazione di massa: la differenza tra
la massa degli elementi fissili e quella dei
prodotti della fissione
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La fissione in pratica
Materiale fissile adatto
Un moderatore
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U oppure U?
238 235
U
L’ è l’isotopo abbondante in natura (99,3%
238
del totale) ma tende ad “assorbire” i neutroni,
rendendo obbligato un moderatore particolare
affinchè la reazione sia autosostenibile.
U è scarso in natura (0,7% del totale) ma
L’
235
è facilmente fissile .
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Rallentare i neutroni
Nucleo Nucleo
Se i neutroni sono lenti
Se i neutroni sono rischiano numerosi di
troppo veloci hanno colpire l’elica, quindi di
minore probabilità di essere assorbiti
essere assorbiti,
passano oltre
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La molecola Gli impieghi La storia
Come fare?
Con materiali “moderatori”:
Acqua Grafite Acqua pesante
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Perché acqua pesante
L’acqua pesante, rispetto all’acqua
normale e alla grafite, non assorbe
facilmente i neutroni e quindi
permette l’uso dell’uranio naturale
U
non arricchito in 235
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