Appunti Fisica Nucleare

Appunti di Fisica Nucleare - parti storiche

Lorenzo Casadei

2013-2014

Indice

1 Storia della Fissione Nucleare 3

1.1 La Nascita della Fisica Nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 La scoperta della Fissione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Reattori Nucleari 7

2.1 Note dalle Slide sui reattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2 Storia dei Reattori - slide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3 Progetto Manhattan 11

4 Fisica delle Bombe Nucleari - slide 14

4.1 Blast dell’esplosione atomica: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 distruttivi: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.3 Bomba a idrogeno: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.4 I protagonisti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5 Nuclear Accidents - slide notes 19

5.1 Stima di un incidente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.2 Three Mile Island . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.2.1 Problemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.2.2 TimeLine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.3 CHERNOBYL (1986) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.3.1 Descrizione Reattore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.3.2 TimeLine - 15 aprile 1986 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6 L’uranio 26

6.1 Il ciclo del carburante nucleare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6.1.1 Quanto Fuel? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6.1.2 START . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.2 Conversione ed Arricchimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.3 Rifiuti Nucleari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.4 Riprocessamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.4.1 NEVADA test SITE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.5 Economia dei Reattori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7 Nucleare in Italia - una tipica storia italiana 31

7.1 1946 - 1963 - gli anni pioneristici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.2 1963-1973 - Gli anni perduti? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1

7.3 1973- 1986: ripresa o uscita? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2

Capitolo 1

Storia della Fissione Nucleare

1.1 La Nascita della Fisica Nucleare

La fisica nucleare nasce nel 1985 con la scoperta di Roetgen dei raggi X. Le prime

scoperte sono i cosiddetti raggi di Bequerel sugli studi di Uranio ( 1896 scoperta della

radioattività).

Roetgen con un tubo di Crookes (raggi catodici) studia effetti su lastra a fluore-

scenza. Scopre che c’erano anche altre emissioni, misteriose: raggi X. La scoperta è

quasi casuale: vide che oscurato il laboratorio, su una lastra con nitrato d’argento si

era impressa una scia luminosa che usciva dal tubo catodico. Doveva trattarsi di raggi

altamente penetranti. Il primo uso fu la famosa radiografia della mano di sua moglie.

I raggi X divennero subito famosi, anche a livello popolare (usi fantasiosi e disparati).

Bequerel nel 1896 scopre la radioattività naturale. Studia uranio perché interessato

alla fosforescenza nei sali di uranio. Solitamente mette i sali sopra una lastra che poi

esponeva al sole, ed effettivamente c’era un segno dopo lo sviluppo della lastra. In

un giorno nuvoloso lascia la lastra con sopra i sali in un cassetto, ma si accorge che

sviluppandola essa era rimasta molto impressionata; quindi doveva trattarsi di una

proprietà intrinseca dell’uranio.

Marie Curie Interessata ai raggi di Bequerel e insieme a Pierre Curie fece studi sui

minerali di uranio, anche studi chimici. L’uranio in natura si trova in varie forme, la

⇒

più comune è la pitchblenda fecero analisi chimica per capire i vari composti chimici

⇒ ⇒

isolarono per la prima volta il Polonio e il Radio si aspettavano una fosforescenza

e invece si vide una radiazione propria e trasmutazione degli elementi nucleari ( era

una cosa rivoluzionaria, paragonabile all’alchimia medievale). ⇒

Il passo decisivo fu l’uso di strumenti non fotografici ma di elettroscopi (piezoelettrici

compressione può creare elettricità). Grazie a questi meccanismi fu capace di separare

⇒

sostanze radioattive. Il radio ebbe un facile impatto sul popolo prodotto facilmente.

Applicazioni mediche in piccola quantità (vs tumori), e poi anche usato per cure termali

ecc . . . , a sproposito. Negli USA una delle prime cause sociali collettive avvenne proprio

−→

a causa del radio in una fabbrica di orologi con striscia fosforescente data dal radio,

le operaie appuntivano il pennello con la bocca, ed ebbero tutte disturbi causati dal

radio. 3 ⇒

J.J.Thomson 1897, scopre elettrone dai raggi catodici misura abbastanza precisa,

si misura la natura corpuscolare dei raggi catodici come elettroni. Poi fa modello ato-

mico a panettone (positive pudding), che viene confutato e sorpassato dagli esperimenti

successivi. α β

Ernest Rutherford Padre della Fisica Nuclare. indentificò particelle e dei raggi

di Bequerel, identifico le catene isotopiche (Uranio, Attinio, Torio); descrisse in modo

corretto le catene radioattive in modo esponenziale. Nel 1908 ricevette il Nobel per

la chimica. Nelle catene di decadimento sfuggiva un’emanazione che non riusciva a

⇒

identificare, e tornerà spesso Radon (gas!).

Espone pubblicamente queste catene di decadimento, e fa lavoro notevole su di esse.

Stima anche i tempi di decadimento. Ovviamente non distingueva i vari elementi perché

avendo stesse proprietà chimiche non li distingueva. Se avesse avuto uno spettrometro

di massa l’averebbe fatto, ma fu inventato dopo.

Nel 1911 propose il primo modello di atomo nucleare, e nel 1913 Bohr andò da Ruther-

ford in cerca di lavoro! Intanto si introduce il concetto di isotopo (ma non di neutrone).

Nel 1919 Rutherford induce la prima trasformazione nucleare.

⇒ ⇒

α

Esperimento della scoperta del nucleo particelle su lamina d’oro schermo di

⇒

detector per le particelle scatterate esperienza migliorata poi con meccanismo di

conteggio di Geiger. Nota: tavola periodica pre-isotopi: numeri non interi di A perché

c’erano mescolanze di isotopi (ancora ignoti).

Niels Bohr fu il primo ad applicare le idee della meccanica quantistica al nucleo;

fu anche il primo a descrivere la serie di Balmer con un modello che aveva solo la

quantizzazione del momento angolare e assumendo che gli osservabili fossero gli stati

stazionari (modello semiclassico). Questo modello fu il primo in cui venne applicata la

meccanica quantistica, e funzionava bene solo per l’atomo di idrogeno o per idrogenoidi.

⇒

Moseley Studiò l’effetto dello spettro degli X per tutti gli elementi conosciuti

n ⇒prova

f (Z ) che la carica è un multiplo intero della carica di idrogeno. Altri studiosi

(Otto Hann, Lisemeitner) lavorarono nell’istituto Kaiser Wielhmen sulla catena degli

isotopi del radio.

Aston inventò la spettrometria di massa, per separare gli elementi chimici in funzione

del numero di massa. Assieme a Thomson ottennero misuro dei vari isotopi (elio fu il

primo studio).

La Grande Guerra. Prima guerra mondiale: prima volta in cui i fisici e i chimici

vennero usati per produrre materiale bellico, come mitragliatrici, aereomobii, carri ar-

mati, ma anche per le tecnologie (armi chimiche, gas lacrimogeni)... e i vari scienziati

reagirono in modo molto diverso. Dopo la guerra Rutherford ottenne la prima trasmu-

⇒ ⇒

α

tazione con gli dell’azoto trova il protone trasmutazione nucleare! (reazione

42 11

→

α N a + He O + H

con Q < 0 ma energetico di pochi MeV innesca la reazione:

⇒ idea di un terzo componente della materia. La prima idea fu quella di Rutherford,

che vedeva protone ed elettrone legati assieme.

4

1.2 La scoperta della Fissione

I fisici sulla scena erano: Heisemberg, Bethe, Oppenheimer. Ma vi erano anche espo-

nenti dalla scuola ungherese, che cambiò il mondo in questo senso (profughi ebraici):

→

- Szilard visionario di decenni, capì il carattere bellico della fissione. Caratteraccio.

→

- Neumann inventore del computer;

→

- Teller sostenitore principale della bomba a fissione e termonucleare.

I centri che attiravano più l’attenzione e la presenza di grandi menti erano quelli dove

vi erano più fondi a disposizione: Cambridge, Manchester, Copenaghen.

Scoperta del Neutrone Nel 1930 Boethe provò a cambiare gli isotopi su cui si face-

α.

vano incidere gli In alcune reazioni vedeva radiazione molto penetrante non carica

→ γ?? γ,

Non tornava però la conservazione dell’energia. Infatti, se fossero stati dei

la loro energia sarebbe stata di circa 54 MeV. Ma esaminando la reazione che veniva

4 9 C

→

He + Be 13 + γ, E

studiata: l’energia doveva essere attorno ai 15 MeV. Quindi

γ

la conservazione dell’energia non tornava.

Nel 1932 Chadwick rifece esperimento cambiando il materiale attorno ( da paraffina ad

azoto), e conta l’effetto di ionizzazione sul materiale. L’effetto era molto elevato nella

→

discrepanza capì che la trasmissione migliore di energia si aveva con due corpi di

→

massa uguale testò questa ipotesi: se ipotizzava che ci fosse un’emissione di massa

'

m m

neutro , i conti tornavano perfettamente. Rimane in gioco l’ipotesi che il

n p

neutrone fosse la somma di protone ed elettrone (n = p + e). Ulteriori esperimenti

permisero di capire meglio la natura del neutrone (Cockfold e Walton).

Avvento nazismo Nel 1932 con l’imporsi del nazismo, anche l’idea della conserva-

→

zione della scienza pura vs ebrei (teoria relatività). Nel 1933 con l’incendio del

Reichstag Hitler venne poi nominato cancelliere e il nazismo divenne realtà. I fisi-

ci ebrei o che avevano simpatie contrarie al regime furono costretti a cercare rifugio.

Questa fu la più grande fortuna dell’ America, che non aveva molte menti brillanti, ma

se le vide arrivare dall’Europa a causa dei movimenti nazionalistici.

Nel 1934 la figlia di Curie produce la radioattività indotta per la prima volta, da una

fonte di polonio.

In Italia In Italia, Fermi (alla normale di Fisica) impara da solo la meccanica quan-

tistica. Si circonda di Majorana, Rossetti, Amaldi, Segré, ecc... Famosa la conferenza

della fisica nucleare del 1931.

→

Ragazzi di via Panisperna radioattività indotta tramite scattering di neutroni. Pro-

blema: Italia povera di uranio, per cui viene usato il radio, da cui si generano i com-

pound nucleus. ;

A+1 A+1

A →

→ X Y γ

n + X

Z Z+1

Z ⇒

L’uranio aveva molti tempi di decadimento si ottenevano diversi risultati a se-

conda di come si facevano gli esperimenti! Ad esempio, se l’apparato era un tavolo di

legno o di marmo cambiava l’esito, perché il legno contiene acqua, quindi era un otti-

mo moderato di neutroni. (nota: fu Fermi a capire che per la fissione si aveva bisogno

5

di neutroni lenti). La sezione d’urto dei neutroni è infatti molto elevata per energie

⇒

piccole, mentre è molto piccola per energie del MeV esperimento della fontana di

Fermi, con cui si capisce che la fissione avviene in modo molto più efficacie tramite

neutroni lenti. Non si riuscì comunque a vedere la fissione perché operando con il radio

(γ emettitore), avvolsero il composto con alluminio in modo da schermare, ma esso

fermava i prodotti del decadimento, per cui in realtà misurarono i prodotti ritardati.

⇒ ÷

2 3

n + U X + Y + n

' ÷

N/Z 1.3 1.4,

X e Y hanno un rapporto sono prodotti fortemente instabili, che

⇒

β.

decadono presto con alluminio fermavano X e Y e misuravano solo la radiazione

β e non lo potevano sapere. Pensavano a cosa fosse dovuta tale emissione. Popolando

gli elementi transuranici pensarono che fossero dovuti a nuovi atomi prodotti, nuovi

elementi, ma si sbagliavano.

La Fissione Nel 1938 i Curie studiarono l’attività dell’antanio (tempo di decadi-

mento di 3 ore e mezza); fecero uno studio chimico in modo da poter far preciparare

elementi sulla stessa colonnina. Passare all’ Attinio (89) dall’ Uranio (92) era impro-

ponibile (emissione Li). ⇒

Vennero portati avanti continui studi da Hahn e Strassman studiarono anche bario

e altri isotopi, e non capivano come mai bario e antanio si comportassero allo stesso

modo. Nel 1939 scrivono come non riescono a capire come chimicamente hanno otte-

nuto degli elementi leggeri, non riescono ad interpretare il risultato. Continuano gli

studi e arrivano alla soluzione che il radio cristallizzato non può essere altro che bario.

Poi si capisce: viene proposto il modello a goccia per la fissione nucleare, dove si ha

una goccia in vibrazione e con vibrazioni sempre più alte il nucleo si spezza. Venne

calcolata l’energia di fissione dal modello a goccia: 200 MeV per ogni fissione!

6

Capitolo 2

Reattori Nucleari

2.1 Note dalle Slide sui reattori

- Il grosso problema dell’energia nucleare è che tutto è altamente tecnologico: dal com-

9

bustibile al decomissioning. Il prezzo iniziale è quindi molto alto (10 euro), quindi

conta molto il tasso di sconto del finanziamento. Se la città nucleare vive tutta la sua

vita (40 - 60 anni) è fonte di reddito economico. Richiede che il sistema economico

possa ragionare in termini di un centinaio di anni. In un mercato molto competitivo

è difficile metter su delle centrali nucleari. Un altro scoraggiamento viene dal fatto

che l’energia è prodotta con alta efficienza e molto localizzata: è un bene in periodi

di boom economico, ma non in periodi di crisi o di de-industralizzazione, dove viene

richiesta minore energia o comunque generata in modo più diffuso.

- Materiali di un reattore: Fuel, Moderator, Reflector, Containement e sheding vessel

(edifici attorno al core), coolant, control system. 5

- Energia: termica (0.5 eV), intermedi (1000 eV), fast (10 eV)

- elio ottimo per coolant (inerte)

Modelli Attualmente, i reattori più costruiti sono quelli di II generazione.

• BWR = boiled water reactor = usa sia acqua liquida sia vapore; molto efficiente

dal punto di vista energetico, ma poco efficiente per la sicurezza, perché il vapore

che va a generare energia entra in diretto contatto con il core, quindi è velenoso.

Ha una service life di circa 60 anni, circa 35 % di efficienza. Il ciclo è semplice e

ha anche un sistema di autoregolazione: se la temperatura aumenta, aumenta il

vapore e l’acqua liquida diminuisce, i neutroni non vengono rallentati e la reazione

si spegne. Se però cala troppo il core potrebbe sciogliersi e non è bello.

• PWR = pressure water reactor = sono i reattori ad acqua pressurizzata che

vengono ancora oggi più costruiti. Sono meno efficienti, ma più sicuri, perché,

con un doppio ciclo di conversione, l’acqua che genera energia non entra mai in

diretto contatto con il core. Sono i reattori più usati ancor oggi, costano poco

(moderatore = acqua), efficienza di circa 32%, ha un ciclo complicatino e richiede

3 anni per la costruzione. 7

• AGR = moderatore a grafite, con efficienza termica del 42%. Oggi in disuso per

problemi legati alla grafite, che è infiammabile ad alte temperature e produce un

rifiuto radioattivo.

• CANDU = reattori canadesi con moderatori al deuterio; lavorano con l’uranio

naturale, non c’è bisogno di arricchirlo. In generale sono come i PWR, il loro

costo è dovuto alla produzione di deuterio. Efficienza circa 33%.

• RBMK = reattore a grafite, modello russo (Chernbyl); aveva doppio scopo: pro-

2 39P u

duzione energia e plutonio. Il è un prodotto che può anche reagire con

2 40P U

i neutroni producendo , che è un emettitore spontaneo di neutroni e può

innescare da solo la reazione (es la bomba!). Per questo era necessario cambiare

spesso le barre e togliere chimicamente il plutonio prodotto.

E dopo? Cosa fare dopo il ciclo di vita?

1) attendere un tempo opportuno di raffreddamento (anni);

2) Smantellamento = riciclaggio barre di combustibile per ridurre i costi delle scorie;

immagazzinamento in fusti.

La radiattività in milioni di anni è ancora non trascurabile! I nuovi reattori che si

stanno progettando tengono conto anche di queste scorie. Solo gli attinidi hanno tempi

di 20 - 30 anni, molto velenosi per l’uomo. Nei nuovi reattori si cerca di inserire sistemi

fertilizzazione

di dell’uranio che ribruciano le sostanze prodotte ad altissima vita

media, portandoli a materiali con una vita media della decina o centinaia di anni.

Nuovi reattori in progetto:

Reattori veloci

• −→

SCRF - sodium cooled fast reactor più caldi dei precedenti, manutenzione

complessa (problemi di corrosione)

• LCFR - lead cooled fast reactor

• −→

GCFR - gas cooled fast reactor bruciano plutono

Reattori lenti

• MSR - molten salt reactor (sali fusi)

• SWR - supercritical water reactor

• VHTR - very hgh temperature reactor

Nei reattori veloci cerco di minimizzare i rifiuti, consumanto tutto o quasi il com-

bustibile. MSR è in progetto per il torio come combustibile, che è molto molto più

presente sulla Terra rispetto all’uranio. Se si sfrutta la combustione degli altri materiali

oltre all’uranio, si va costi (proiettati) molto più bassi rispetto all’uso del solo uranio

−→ fertilizzazione dell&