Appunti Fisica Nucleare

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l’uranio con una percentuale diversa di rispetto a quella del resto del mondo

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200kg di mancavano! Si pensò subito che fosse stato rubato per le bombe, ma in

realtà controllarono e videro che l’uranio presente era impoverito. Paul Kuroda (1956)

sostenne che in natura, sotto certe condizioni, si può sostenere la reazione a catena,

serve:

1) un deposito di uranio abbastanza grande;

2) un moderatore (acqua);

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3) presente in abbondanza (3%) e 2 miliardi di anni fa c’era questa concentrazione;

4) nessun elemento velenoso (assorbitore).

Una parte di uranio venne trasportata e contatto con la zona in cui c’era un flusso

d’acqua (zona allagata) permanente (per movimento di faglia, si individuarono 16 zone

di reattore!) ⇒

. Ci dovevano essere degli elementi prodotti studiano il terreno e trovano Neodu-

mium, e videro che ci fu concentrazione per produzione fissile. Di qui una prima stima

dell’età media (1,7 - 1,9 miliardi di anni). Si studiarono altri elementi (Xeno), ma

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non tornava qualcosa: non c’era match la spiegazione della distribuzione isotopica

anomala venne in seguito: il reattore non solo funzionò per 150 000 anni, ma anche in

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modo autoregolante ( no produzione continua, ma pulsata), a seconda delle condizioni

termiche che vi erano. Acqua bolle, evapora, moderatore non c’è più e la reazione

131 I;

si spegne. Lo Xeno gassoso va via, rimangono isotopi del la temperatura cala,

l’acqua ritorna e dopo circa 3 ore la reazione riparte. Lo Xeno che è rimasto è il residuo

dello iodio-131. Tutti gli elementi transuranici sono rimasti in loco! Buon test che un

deposito può far rimanere le scorie in loco.

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Capitolo 3

Progetto Manhattan

I fisici in America convncono Einstein a scrivere a Roosvelt che la reazione a catena è

possibile, la bomba è possibile, chiedono un sviluppo per la ricerca di reazione a catena

e poi di bombe. Dall’intelligence, si viene a sapere che la Germania stava già racco-

gliendo uranio. Viene quindi formata l’Uranium Commitee per sviluppare reazioni a

catena. Dopo il 1940 a guerra iniziata i finanziamenti aumentano. I primi due enti:

Natial Defence Research Council e Commitee. All’inizio vengono dati pochi finanzia-

menti, ma almeno si parte con la ricerca.

In Germania le cose vanno più veloci, già nel 1939 si fanno riferimento a nuove tecnolo-

gie militari, ma si sbaglierà poi la progettazione e lo sviluppo. In Europa, la Norvegia

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era produttrice di deuterio in grandi quantità nel 1940 viene trasferita una grande

quantità in Francia e poi negli USA. I tedeschi capiscono la sua importanza e invadono

la Norvegia, vanno nella centrale produttrice e impongono la loro dittatura. Si sa già

quindi che i tedeschi ammassano uranio e acqua pesante.

Edgar Sengier, direttore di miniere d’uranio francesi, capisce le intenzioni tedesche e

manda molto uranio a New York, ma comunque i tedeschi riusciranno ad ammassare

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quintali di uranio. nel 1943 gli USA riescono a sabotare la centrale norvegese di

deuterio. I tedeschi quindi vanno sulla grafite, ma non capiscono che serve pura⇒ usa-

no quella in commercio che ha delle componenti di boro, assorbitore di neutroni! In più

i tedeschi dividono le forze di ricerca in due team, che lavorano in parallelo facendosi

la guerra interna per le risorse, e così facendo rallentano tutti i progressi.

Nel maggio 1942 i tedeschi erano oggettivamente più avanti perché avevano a disposi-

zione uranio, deuterio, e vogliono provare a fare la pila. Hitler e i vertici militari però

sono diffidenti = pochi fondi. Heisemberg e il suo gruppo per errori tecnici portano

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grafite ad alta temperatura e le permettono di andare a contatto con l’aria incendio

di tutto l’edificio. Tale fallimento induce Hitler a negare ulteriori finanziamenti.

Nel 1944 missione Alsos americana per identificare gli scienziati tedeschi e prenderli

con loro (fisici nucleari) prima che l’URSS se li prendesse. Vennero trattati benissimo

perché venivano spiati e registrati (per 6 mesi!). Le registrazioni sono pubbliche, e si

capì da quelle come erano giunti agli sviluppi sulle reazioni a catena. Si scopre che

dal punto di vista pratico avevano sbagliato tutti i conti. Heisemberg infatti era un

eccelso teorico, ma Fermi oltre che teorico aveva una natura ottima da sperimentale

per cui aveva calcolato perfettamente la massa critica necessaria, mentre Heisemberg

aveva miseramente sbagliato. (Nota: opera teatrale, colloquio tra Bohr e Heisemberg).

I primi conti giusti per la massa critica per la fissione vennero da Otto Frisch e Rudolf

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Pererls contattano il governo inglese per fare una prima collaborazione e gestire

uranio (MAUD). Non vennero coinvolti loro due perchè erano uno tedesco e l’altro au-

striaco. Gli inglesi capirono che era un progetto dai costi troppo alti, così contattarono

USA offrendo una collaborazione.

Nel giugno 1942 Roosvelt e Churchill si incontrano per parlare della bomba atomica, e

Churchill incoraggia tale collaborazione.

Nel dicembre 1942 vengono stanziati 2 bilions of dollars sul progetto Manhattan: de-

⇒

sign bomba + arricchimento uranio. Inoltre nel 1941 si era scoperto il plutonio

produzione plutonio too! Stima prevista: produzione bomba entro giugno 1945.

1940 = Glenn Seaborg produce plutonio, metallo con diverse fasi di coesistenza (6), per

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cui si distingue efficienza rispetto alla fissione. La terzultima fase è la più efficiente

⇒

bisogna lavorare a temperature elevate (pressioni elevate) produzione di due diversi

tipi di bombe. Leslie Groves:

Un figura determinante fu il generale supervisione completa del Pro-

getto, fattore chiave per gestire problemi, persone, caratteri vari ecc... era quello a

capo del Pentagono. Il capo teorico era Oppnheimer, criticato per le sue forti simpatie

comuniste, scelta però vincente; ebbe strascichi, negli anni dopo la guerra ebbe proble-

mi con l’FBI, con la missione McArtree.

Gli scopi del progetto erano:

1) scegliere siti industriali, tecnologie, opzioni da usare;

2) stare entro i tempi dati;

3) gestire le persone: militari e scienziati;

4) sicurezza e privacy (ma fallirono: spia russa entrò già nel 1942 come infiltrata!)

Vennero costruiti circa 36 siti in 19 stati. Coinvolte 120000 persone, 2 bilions di

dollari (oggi 225!) stanziati. I siti principali erano a Los Alamos, Oack Ridge (costruita

dal nulla e non si poteva uscire : città al 100%), Richland, Alamogordo (sito esplosione

prima bomba), Hanford (produzione plutonio).

Teoria di Groves: Se tra due metodi uno è buono e l’altro è promettente, li seguiamo

entrambi!. Vennero per tanto seguiti due modi di produzione:

- sistema a diffusione gassosa per arricchire uranio;

- sistema della centrifuga, ma tecnologia ancora indietro.

Teller e Bethe : vedevano già anche la bomba termonucleare (La Super). Essa

è una bomba a due stadi: bomba a fissione che vanno a scaldare deuterio e trizio che si

fondono per energia termonucleare. Stallo dopo la II guerra mondiale, ma già durante

il progetto Manhattan si era inizia a sviluppare. Poi dopo la guerra sopravvisse in un

centro di ricerca che esiste ancora oggi, dove si fa fisica della fusione con scopi civili.

Bethe poi negli anni ’80 tornò alla ribalta con la storia dello scudo nucleare.

Little Boy Bomba a uranio, modello gun-type: obiettivo + proiettile. L’obiettvo

è una sorgente di neutroni (radio-beriglio). Venne sganciata su Hiroshima. Output

esplosione equivalente a 15 000 tonnellate di TNT.

12 Figura 3.2: Fat Man

Figura 3.1: Little Boy

Fat Man Bomba a implosione, modo più efficacie per il plutonio. Onde di com-

prssione isotropica comprimono la massa. Con elettronica del tempo non era facile

ottenere una compressione uniforme ( i transistor ancora non erano stati inventati,

arriveranno 10 anni dopo). La prima esplosione di prova: 16 luglio 1945, bomba al

plutonio, Trinity.

Effetti della bomba:

1) Blush = onda d’urto + onda di riflesso;

2) Palla di fuoco = brucia tutto quello che è infiammabile anche a distanza;

3) Effetti delle radiazioni.

Discussioni:

- avvertimenti: da fare? al Giappone, all’URSS? Gli scienziati volevano fare un’esplo-

sione al largo della costa, notturna, così da far vedere cosa si poteva fare. Hiroshima

venne scelta per la sua spettacolarità (bel tempo, pianeggiante). 6 agosto 1945, lan-

ciata e fatta esplodere a 500 metri per avere il massimo effetto. Nagasaky venne scelta

all’ultimo per motivi meteorologici, 9 agosto 1945, blust acuito dalla morfologia del

territorio.

- perché lanciarla? Per finire la guerra? Per giustificare i costi del Progetto? Per

far impressione ai sovietici? Per vendicare l’attacco subito a Pearl Harbor? Truman

approva la decisione, ordine del 25 luglio 1945.

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Capitolo 4

Fisica delle Bombe Nucleari - slide

Bomba nucleare = congegno composto da un materiale fissile in grado di mantenere

la reazione a catena veloce in modo da consumare la maggior parte del combustibile

nel più breve tempo. Il problema legato alla bomba è tenere il materiale in un volume

piccolo il più a lungo possibile.

Per ottenere una bomba di 20kg, c’è bisogno di concentrazione di uranio elevata

⇒

rispetto al plutonio. Un pezzo essenziale è il TAMPER bisogna tenere compresse la

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materia e riflettere i neutroni che sono liberati (tipicamente il beriglio, ma anche

si usa).

La bomba si costituisce di tre parti:

1 - innesco: iniziatore dell’esplosione;

2 - materiale fissile: produce esplosione;

3 - tamper: scudo per tenere esplosione entro un volume piccolo e per riflettere i neu-

troni.

L’unità di misura utilizzata in questi casi è l’equivalente in tonnellate di TNT =

kilotone.

Due tipi di bombe:

- armi a fissione: massimo qualche cento di kilotone, perché poi va lanciata in qualche

modo.

- arma termonucleare: combinazione tra bomba a fissione canonica e bomba a fusione.

Il meccanismo di fusione in realtà ha un output energetico molto più favorevole, se

riesco a raggiungere le condizioni necessarie (20-50 Megatoni).

Gun Design: Formo massa critica mandando, con esplosivo comune, una parte di

massa accanto a un’altra parte => massa critica, innesco, bum. Attualmente in real-

tà non è usata perché l’arricchimento dell’uranio fino all’80% non è economicamente

affrontabile per il costo. è affrontabile per gli stati canaglia: hanno grandi disponi-

bilità finanziare ma non hanno la tecnologia, per cui comprano uranio. &eg