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storia

• I primi processi di fissione vennero ottenuti nel 1936 da un

gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi, mentre

bombardavano dell'uranio con neutroni rallentati per mezzo di

paraffina. Il gruppo di fisici però non si accorse di ciò che era

avvenuto. Alla fine di Dicembre 1938, due chimici nucleari

tedeschi, Otto Hahn e suo giovane assistente, furono i primi a

realizzare e capire che un nucleo di uranio 235, colpito, quando

assorbe un neutrone si rompe in due o più frammenti ed ha

luogo cosi la fissione del nucleo. A questo punto per i chimici e

fisici nucleari di tutto il mondo fu chiaro che si poteva usare

questo processo, costruendo dei reattori che contenessero la

reazione, per produrre energia o degli ordigni nucleari.

Come avviene la fissione

Nella fissione nucleare, quando un nucleo di materiale fissile assorbe un neutrone si fissiona

producendo due o più nuclei più piccoli. Gli isotopi prodotti da tale reazione sono radioattivi in quanto

posseggono un eccesso di neutroni che decadono a catena fino a che arrivano ad una configurazione

stabile. Inoltre nella fissione vengono prodotti in media 2.3 neutroni liberi. L'energia liberata dalla

rottura di 1 nucleo di U235 è di 211,5 Mev, una quantità

elevatissima data dalla formula dove la prima massa è la massa del nucleo

di U235 mentre la seconda massa è la somma delle masse dei nuclei e dei neutroni prodotti. c è la

costante che rappresenta la velocità della luce nel vuoto (300’000 Km/s). Perciò in questo fenomeno

parte della massa iniziale scompare e si trasforma in energia cinetica, ovvero in moto dei prodotti

della reazione. In un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio fornisce

un'energia di circa 4 eV, un'energia che è meno di cinquanta milionesimi di quella prodotta nella

reazione nucleare.

I nuovi neutroni prodotti possono venire assorbiti dai nuclei degli atomi di uranio 235 vicini. Se ciò

avviene, producono una nuova fissione del nucleo. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove

fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena in cui il numero di fissioni aumentano

esponenzialmente, se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile e in tal caso si parla di

massa critica. La massa critica è dunque quella concentrazione e disposizione di atomi con nuclei

fissili per cui la reazione a catena si mantiene stabile,. Se si varia tale disposizione allora il numero di

neutroni assorbiti può scendere sotto tale valore e si ha che la reazione si spegne. Se arriva al di

sopra di tale valore si ha che la reazione aumenta esponenzialmente.Per cui scrivendo:

se la disposizione è tale che si abbia R>1 allora il numero di reazioni aumenta, se R<1 diminuisce,

mentre se R=1 il numero di reazioni resta stabile e si parla di massa critica.

La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari e le bombe atomiche (o,

meglio, nucleari). Se per i reattori nucleari il valore di R non deve superare mai il valore di 1 se non di

una quantità bassissima (come quando si aumenta la potenza del reattore e allora si può arrivare a

R=1.01) per le armi nucleari si deve avere che il valore di R deve essere il più alto possibile e in tal

caso si arriva a R=1.2.

L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi: U238 e U235 in rapporto di 150 a 1, dunque l'

uranio 235 è solo lo 0.7% del totale dell' uranio, e solo quest'ultimo è fissile. Il processo di

arricchimento consiste nell' aumentare la percentuale di uranio U235 a discapito del U238 in modo da

Descrizione generale di un

reattore

Qualunque sia il modello di reattore,

esso ha alcune parti componenti

fondamentali, come illustrato in

figura. La sorgente di energia è il

nucleo di combustibile, composto da

materiale fissile (tipicamente una

miscela di 235U e 238U) che,

emettendo neutroni e subendo la

fissione ad opera degli stessi, emette

energia sotto forma di calore. Questo

calore è asportato da un fluido

(gassoso o liquido, o che subisce un

cambio di fase nel processo) che lo

trasporta ad un utilizzatore, quasi

sempre una turbina. Un moderatore,

solitamente grafite o acqua, rallenta i

neutroni in modo da consentire la

gestione del flusso degli stessi a

mezzo delle barre di controllo, che

sono barre metalliche che assorbono

neutroni, ovviamente senza emetterne

a loro volta. Il nucleo quindi emette in

continuazione una certa quantità Schema di un reattore

(fissa) di neutroni, e quando i sistemi nucleare

di controllo (le barre) sono sollevate

(almeno parzialmente), la quantità

statistica di neutroni che colpiscono

un atomo di 235U è pari alla quantità

di neutroni prodotti dallo stesso:

questo è il cosiddetto punto di

Reattore nucleare a

fissione

Un reattore nucleare a fissione è

un sistema complesso in grado di

gestire una reazione a catena in

modo controllato e utilizzato come

componente base nelle centrali

nucleari che possono contenere

più reattori nucleari nella stessa

struttura.. Esistono reattori

nucleari per la ricerca, nei quali

l'energia prodotta è trascurabile e

reattori di potenza, utilizzati dalle

centrali nucleari nei quali l'energia

termica prodotta sotto forma di

vapore acqueo viene convertita in

energia elettrica attraverso

turbine. Allo stato attuale tutti i

reattori nucleari si basano sul

processo di fissione nucleare Nocciolo di un reattore a fissione

sebbene vi siano importanti studi

su reattori a fusione nucleare che

in futuro dovrebbero sostituire o

affiancare gli attuali reattori a

fissione.

Il reattore RBMK (Chernobyl)

• RBMK è un acronimo, dal russo, per reaktor bolshoi

“reattore

moshchnosty kanalny che significa di grande

potenza a canali” e descrive una classe, di reattori

nucleari che furono prodotti solamente in Unione

Sovietica. Nel 2004 molti reattori di questo tipo erano

ancora operanti ma non vi erano progetti per nuove

costruzioni RBMK.

• I reattori RBMK furono il punto culminante del programma

sovietico per produrre un reattore di potenza raffreddato

ad acqua basato sui reattori per la produzione di plutonio

moderati a grafite

• Usando acqua naturale per il raffreddamento e grafite

come moderatore fu possibile usare uranio naturale come

combustibile. Così si rendeva possibile la costruzione di

reattori di grande potenza che non richiedevano uranio

arricchito e acqua pesante e quindi con costi di

costruzione e gestione decisamente minori rispetto ad

altri.

• I reattori RBMK furono gli unici ad essere realizzati con tali

caratteristiche che, sfortunatamente, ebbero notevoli

risvolti sulla sicurezza in quanto questi reattori si

rivelarono instabili se portati al massimo di produttività.

• Di norma l'acqua assorbe i neutroni abbastanza facilmente

cosicché la sua rimozione dal nocciolo (cosa che accade

quando bolle e si trasforma in vapore) tende ad aumentare

la velocità con cui le reazioni nucleari avvengono. In un

reattore raffreddato ad acqua questo effetto è compensato

dall'effetto moderatore dell'acqua stessa ma nei reattori

RBMK l'effetto di moderazione dell'acqua è modesto, se

confrontato con quello della grafite, cosicché l'effetto

complessivo è positivo. Tecnicamente ciò è detto

coefficiente a vuoto positivo.

• I reattori RBMK vennero progettati anche per avere un

coefficiente di potenza positivo, cioè che ad ogni

incremento nella potenza prodotta dal reattore tende ad

aumentare anche la velocità di reazione.

• Ben presto si scoprì che questi due effetti insieme


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DESCRIZIONE APPUNTO

Appunti di Fisica nucleare con analisi dei seguenti argomenti:definizione fissione nucleare. reattori nucleari, bombe atomiche, nucleo di materiale fissile che assorbe un neutrone e si fissiona, isotopi prodotti da tale reazione che sono radioattivi, reattore nucleare a fissione, reattore RBMK, Chernobyl, radioattività come capacità che ha un nucleo instabile di emettere spontaneamente radiazioni.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in chimica
SSD:
A.A.: 2008-2009

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher trick-master di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica fisica I con laboratorio e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università La Sapienza - Uniroma1 o del prof Gozzi Daniele.

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