11

ELEMENTI DI FISICA ELEMENTI DI FISICA NUCLEARENUCLEARE

a cura dia cura di

STEFANO GRANDESTEFANO GRANDE

22

PREREQUISITIPREREQUISITI

Forze nucleari, forze di legame , Forze nucleari, forze di legame , radioattività, fissioneradioattività, fissione

Meccanica (energia cinetica, energia Meccanica (energia cinetica, energia termica, principio di azione e reazione e termica, principio di azione e reazione e principio d’inerzia)principio d’inerzia)

Elettromagnetismo ( forze coulombiane, Elettromagnetismo ( forze coulombiane, campo magnetico prodotto da un campo campo magnetico prodotto da un campo elettrico ed effetto Joule )elettrico ed effetto Joule )

Relatività (acceleratore di particelle e Relatività (acceleratore di particelle e relazione di Einstein : E=mcrelazione di Einstein : E=mc2) )

33

OBIETTIVI FORMATIVI E DISCIPLINARIOBIETTIVI FORMATIVI E DISCIPLINARI

rendersi conto dell’importanza degli studi rendersi conto dell’importanza degli studi scientifici per migliorare le condizioni di vita scientifici per migliorare le condizioni di vita sulla terra sulla terra

prendere coscienza delle difficoltà tecniche per prendere coscienza delle difficoltà tecniche per la realizzazione di reattori a fusione a livello la realizzazione di reattori a fusione a livello industrialeindustriale

saper collocare storicamente gli studi sul saper collocare storicamente gli studi sul processo di fusione nucleareprocesso di fusione nucleare

sapere cosa si intende per fusione nuclearesapere cosa si intende per fusione nucleare saper fare un confronto tra fusione e fissione saper fare un confronto tra fusione e fissione

(tra energie e scorie radioattive prodotte)(tra energie e scorie radioattive prodotte) sapere come funzionano i principali reattori a sapere come funzionano i principali reattori a

confinamento magnetico confinamento magnetico

44

CENNI STORICICENNI STORICI Entra nella storia della Fisica negli anni 20: Entra nella storia della Fisica negli anni 20:

quali meccanismi sono alla base della continua quali meccanismi sono alla base della continua emissione di energia da parte del Sole?emissione di energia da parte del Sole?

Anni 30: idea degli scienziati di produrre energia Anni 30: idea degli scienziati di produrre energia di fusione in laboratorio→ problema dei tempi di di fusione in laboratorio→ problema dei tempi di reazione lunghi (tempo caratteristico per le reazione lunghi (tempo caratteristico per le stelle : 10stelle : 109anni – la potenza liberata per unità di massa è piccola)

1938: Hahn e Strassman producono la prima reazione di fissione nucleare (uranio bombardato da neutroni)

1942: Primo reattore nucleare ; 1945: bomba atomica

→ energia prodotta da una esplosione atomica per innescare reazioni di fusione ( ~10-9s)

55

1952: Prima esplosione termonucleare americana ( e sovietica l’anno dopo)

ricerche segrete sulla fusione controllata (USA,URSS,Gran Bretagna,Francia)

difficile realizzazione del primo reattore a fusione (mentre “facile” quello a fissione → reazione a catena : neutroni prodotti dalla fissione dell’uranio 235)

1961: ideato lo Stellarator (configurazione toroidale per il confinamento magnetico del plasma) a Princeton → Plasma Physics Laboratory

1968: orientamento delle ricerche verso configurazioni di tipo Tokamak → Istituto Kurchatov di Mosca

66

LA FUSIONE NUCLEARELA FUSIONE NUCLEARE Processo nel quale due nuclei “leggeri” si Processo nel quale due nuclei “leggeri” si

uniscono liberando energia: il nucleo prodotto uniscono liberando energia: il nucleo prodotto ha massa minore della somma delle masse dei ha massa minore della somma delle masse dei nuclei originari nuclei originari → ΔΔE= E= ΔΔmcmc2 (difetto di massa = differenza di massa fra i costituenti nucleari e il nucleo)

Nuclei a distanza <10Nuclei a distanza <10-12-12 cm : entrano in gioco le cm : entrano in gioco le forze nucleariforze nucleari

Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche Bisogna vincere le repulsioni elettrostatiche (barriera di potenziale dovuta alla forza elettrica (barriera di potenziale dovuta alla forza elettrica coulombiana repulsiva : U=Zcoulombiana repulsiva : U=Z1Z2e2/R) ) → occorre occorre fornire energia cinetica elevata per fornire energia cinetica elevata per l’avvicinamento. Effetto tunnell’avvicinamento. Effetto tunnel

Si riscaldano i nuclei con l’esplosione di una Si riscaldano i nuclei con l’esplosione di una bomba Atomica (innesco) bomba Atomica (innesco) → reazione termonucleare

Temperatura elevata a milioni di gradi Temperatura elevata a milioni di gradi notevole aumento dell’oscillazione termica: i notevole aumento dell’oscillazione termica: i nuclei si avvicinano fino a interagire nuclei si avvicinano fino a interagire (interazione forte)(interazione forte) inizia il processo di fusione inizia il processo di fusione

77

ESEMPIO DI FUSIONE ESEMPIO DI FUSIONE NUCLEARENUCLEARE

1 atomo di deuterio H1 atomo di deuterio H22 e 1 di trizio H e 1 di trizio H33 (isotopi dell’idrogeno) si fondono: (isotopi dell’idrogeno) si fondono:

Energia liberata 10 volte superiore a Energia liberata 10 volte superiore a quella della fissione nucleare.quella della fissione nucleare.

Reazione nucleare = energia pulita? Non ci Reazione nucleare = energia pulita? Non ci sono scorie radioattive, ma provocherebbe sono scorie radioattive, ma provocherebbe un innalzamento della temperatura del un innalzamento della temperatura del globo.globo.

MeVnMeVHeTD 06,1452,3 04

23

12

1

88

D + T → HeD + T → He4 + n + 17.6 MeV + n + 17.6 MeV

99

Altri esempi di fusioneAltri esempi di fusione 1H1H1 + 1H + 1H1  = 1H   = 1H 2 + e + e+ + v + Q + v + Q 1H1H2 + 1H + 1H2  = 1H   = 1H 3 + 1H + 1H1+ 4 MeV+ 4 MeV

La prima delle tre rappresenta la reazione più La prima delle tre rappresenta la reazione più promettentepromettente per diversi motivi, tra questi il fatto che per diversi motivi, tra questi il fatto che gli elementi interagenti sono facilmente ricavabili: gli elementi interagenti sono facilmente ricavabili: l’atomo di deuterio può essere facilmente estratto l’atomo di deuterio può essere facilmente estratto dall’acqua di mare, ve ne è uno ogni 7000 di dall’acqua di mare, ve ne è uno ogni 7000 di idrogeno, mentre il trizio, irreperibile sulla terra idrogeno, mentre il trizio, irreperibile sulla terra perché ha un tempo di decadimento molto breve, si perché ha un tempo di decadimento molto breve, si può ottenere dalla reazione di fissione del litio può ottenere dalla reazione di fissione del litio (quest’ultimo è abbondante sulla crosta terrestre).(quest’ultimo è abbondante sulla crosta terrestre).

1010

Ricordando che:Ricordando che:Fissione dell’uranio 235: UFissione dell’uranio 235: U235235 cattura un neutrone cattura un neutrone e si scinde in due elementi di massa intermedia ed e si scinde in due elementi di massa intermedia ed emette altri tre neutroniemette altri tre neutroni

1111

FUSIONE E FISSIONE A FUSIONE E FISSIONE A CONFRONTOCONFRONTO

Facendo un breve confronto tra le energie Facendo un breve confronto tra le energie ottenibili dalla reazione di fusione e da quella di ottenibili dalla reazione di fusione e da quella di fissione:fissione:

   fusione   17,6 MeV /5 nucleoni = 3,5 MeV/nucleonefusione   17,6 MeV /5 nucleoni = 3,5 MeV/nucleone fissione   200 MeV/235 nucleoni »1 MeV/nucleonefissione   200 MeV/235 nucleoni »1 MeV/nucleone  

(1 (1 eVeV = 1,60219 x 10 = 1,60219 x 10-12 erg = erg = 1.6 x 101.6 x 10-19 JJ).).  

vediamo che per ogni ‘unità di massa’ l’energia vediamo che per ogni ‘unità di massa’ l’energia liberata dalla reazione di fusione è circa 3,5 volte liberata dalla reazione di fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione.maggiore di quella ottenibile dalla fissione.

1212

VANTAGGI DELLA FUSIONE VANTAGGI DELLA FUSIONE RISPETTO ALLA FISSIONERISPETTO ALLA FISSIONE

minori scorie radioattive (con la fusione minori scorie radioattive (con la fusione verranno prodotti tra 10 e 100 volte meno verranno prodotti tra 10 e 100 volte meno radioisotopi). radioisotopi).

la fusione nucleare è una fonte energetica la fusione nucleare è una fonte energetica quasi rinnovabilequasi rinnovabile (gli elementi che (gli elementi che interagiscono nel processo sono interagiscono nel processo sono facilmente reperibili sulla terra )facilmente reperibili sulla terra )

maggior energia sviluppatamaggior energia sviluppata

1313

REATTORI NUCLEARIREATTORI NUCLEARI

Problemi tecnologici per la fusione controllata in Problemi tecnologici per la fusione controllata in laboratorio: riscaldamento del gas ad altissima laboratorio: riscaldamento del gas ad altissima temperatura e il "confinamento" dei nuclei temperatura e il "confinamento" dei nuclei reagentireagenti

Confinamento magnetico : l’ostacolo della Confinamento magnetico : l’ostacolo della repulsione tra i nuclei interagenti nella fusione repulsione tra i nuclei interagenti nella fusione viene risolto portando la miscela di deuterio e viene risolto portando la miscela di deuterio e tritio ad altissime temperaturetritio ad altissime temperature

Confinamento inerziale: il bombardamento di Confinamento inerziale: il bombardamento di raggi X, oppure di raggi laser, su una capsula di raggi X, oppure di raggi laser, su una capsula di deuterio e tritio che ne provoca la fusione deuterio e tritio che ne provoca la fusione

1414

TOKAMAKTOKAMAK T> 100.000 °C: H ionizzato. Come mantenere l'idrogeno T> 100.000 °C: H ionizzato. Come mantenere l'idrogeno

alla temperatura di decine di milioni di gradi? Quale alla temperatura di decine di milioni di gradi? Quale contenitore può reggere ad una prova così devastante?contenitore può reggere ad una prova così devastante?

Il gas reagente è sotto forma di plasma:Il gas reagente è sotto forma di plasma:

DEUTERIO + TRIZIO DEUTERIO + TRIZIO → PLASMA PLASMA

(con riscaldamento o passaggio di corrente)(con riscaldamento o passaggio di corrente)

TT~~100 milioni di gradi: gli ioni positivi di deuterio e 100 milioni di gradi: gli ioni positivi di deuterio e tritio, che tendono a respingersi, acquistano un energia tritio, che tendono a respingersi, acquistano un energia cinetica (dovuta all’agitazione termica) che fa superare la cinetica (dovuta all’agitazione termica) che fa superare la repulsione, avviene dunque la fusione. repulsione, avviene dunque la fusione.

Tempo di confinamentoTempo di confinamento: periodo di tempo necessario : periodo di tempo necessario affinchè si stabiliscano le condizioni di temperatura affinchè si stabiliscano le condizioni di temperatura opportuneopportune

1515

Alcuni neutroni prodotti dalla reazione Alcuni neutroni prodotti dalla reazione vengono riutilizzati per produrre tritio, nella vengono riutilizzati per produrre tritio, nella reazione: reazione:

n + 3Lin + 3Li6 = 2He = 2He4 + 1H + 1H3

oppureoppure

n + 3Lin + 3Li7 = 2He = 2He4 + 1H + 1H3 + n + n

1616

IL PLASMAIL PLASMA Plasma (ioni ed elettroni liberi) confinato e Plasma (ioni ed elettroni liberi) confinato e

“sospeso” in una regione toroidale “sospeso” in una regione toroidale

3 3 campi magnetici →campi magnetici →forza di Lorentz forza di Lorentz (perpendicolare al campo magnetico e alla (perpendicolare al campo magnetico e alla corrente che fluisce) :il plasma non si corrente che fluisce) :il plasma non si raffredda a contatto con le pareti del reattore raffredda a contatto con le pareti del reattore nucleare.nucleare.

Uno di questi campi magnetici è generato da Uno di questi campi magnetici è generato da una forte corrente circolare di circa 1 milione una forte corrente circolare di circa 1 milione di A, che attraversa il plasma stesso; inoltre di A, che attraversa il plasma stesso; inoltre esso provoca  il riscaldamento del plasma e esso provoca  il riscaldamento del plasma e quindi lo porta ad avvicinarlo alle condizioni di quindi lo porta ad avvicinarlo alle condizioni di fusione.fusione.

1717

una componente della velocità è parallela alle linee di flusso magneticouna componente della velocità è parallela alle linee di flusso magneticouna componente è perpendicolare alle linee di flusso ( moto di girazione)una componente è perpendicolare alle linee di flusso ( moto di girazione)

composizione dei due moti composizione dei due moti → → moto elicoidale lungo le linee di forzamoto elicoidale lungo le linee di forza

BOTTIGLIA MAGNETICABOTTIGLIA MAGNETICA

1818

Macchina a confinamento Macchina a confinamento magneticomagnetico

1919

SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FUSIONE SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FUSIONE CONFINATACONFINATA

2020

Reazioni di fusione del plasma nel Reazioni di fusione del plasma nel contenitore toroidale contenitore toroidale

Litio intorno, utile per la produzione del Litio intorno, utile per la produzione del trizio. trizio.

L’elio è raccolto all’esterno del reattore. L’elio è raccolto all’esterno del reattore.

Energia sottoforma di calore portata via Energia sottoforma di calore portata via dall’acqua, come nei reattori a fissione, dall’acqua, come nei reattori a fissione, per produrre energia elettrica.per produrre energia elettrica.

2121

SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FISSIONE SCHEMA DI UN IMPIANTO DI FISSIONE NUCLEARENUCLEARE

2222

Rendimento di un reattoreRendimento di un reattore Per avere interesse dal punto di vista pratico un reattore Per avere interesse dal punto di vista pratico un reattore

dovrebbe fornire almeno l’energia spesa per farlo funzionare dovrebbe fornire almeno l’energia spesa per farlo funzionare (cioè per scaldare il plasma ecc.):(cioè per scaldare il plasma ecc.):

ηη = potenza prodotta dalle reazioni nucleari/ potenza iniettata - = potenza prodotta dalle reazioni nucleari/ potenza iniettata - deve essere maggiore di 1deve essere maggiore di 1

Sistema di riscaldamento: iniezione di atomi neutri nel plasma Sistema di riscaldamento: iniezione di atomi neutri nel plasma (non soggetti al confinamento magnetico)→ energia cinetica (non soggetti al confinamento magnetico)→ energia cinetica termalizzatatermalizzata

2323

SPERIMENTAZIONI SPERIMENTAZIONI

Ad oggi non è possibile realizzare processi di Ad oggi non è possibile realizzare processi di fusione controllati, autosostenuti e con sviluppo fusione controllati, autosostenuti e con sviluppo programmato di energiaprogrammato di energia

1993 a Princeton (New Jersey)1993 a Princeton (New Jersey) : prototipo : prototipo sperimentale sulla fusione controllata → la sperimentale sulla fusione controllata → la temperatura raggiunse un valore superiore al triplo temperatura raggiunse un valore superiore al triplo di quella del nucleo del Sole di quella del nucleo del Sole

1992: Iter (International Tokamak experimental 1992: Iter (International Tokamak experimental reactor) → sperimentazione nel giro di 30 anni, reactor) → sperimentazione nel giro di 30 anni, potrebbe cominciare a produrre energia pulita a potrebbe cominciare a produrre energia pulita a basso costobasso costo (autosostenuto)(autosostenuto)

2424

BibliografiaBibliografia

IMMAGINI DELLA FISICAIMMAGINI DELLA FISICA, ,

U. Amaldi,U. Amaldi, Zanichelli EditoreZanichelli Editore

IL FUOCO DELLA FUSIONE IL FUOCO DELLA FUSIONE TERMONUCLEARE TERMONUCLEARE CONTROLLATACONTROLLATA Caldirola, Pozzoli, Caldirola, Pozzoli, Sindoni,Sindoni, Mondadori EditoreMondadori Editore