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Armi Nucleari

S.I.S. - Laboratorio di Fisica Nucleare

a.a. 2004-2005

Prof. Maina

Debernardi Elisa Mastropasqua Tommaso

Villarboito Erik

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Contesto e modalità

Prevediamo di svolgere la seguente unità didattica in un Liceo durante l’ultimo anno del corso di studi. Dal momento che riteniamo opportuno affrontare lo studio della fisica da un punto di vista storico-sperimentale, tale argomento verrà affrontato verso la fine del programma, con l’attenzione che non venga percepito dagli studenti come qualcosa di superfluo. Una trattazione storica della fisica che, a partire dalle esperienze dei ricercatori nel corso dei secoli, mostri l’evoluzione e l’emergere di nuovi concetti fisici mette in evidenza un’idea della fisica come attività in continua evoluzione e che necessita di continue verifiche. E’ bene che gli studenti comprendano che la fisica non è qualcosa di finito, ma che esistono ancora molte domande a cui rispondere e interrogativi che potranno ancora scaturire dagli esperimenti che bisogna continuare a svolgere

I tempi previsti sono stimati intorno alle quattro-sei ore, con un’eventuale prima ora aggiuntiva in compresenza con il professore di Storia. Si può quindi prevedere un attacco dell’argomento a partire dalle tematiche relative alla seconda guerra mondiale (lettera di Einstein a Roosevelt, Progetto Manhattan, Hiroshima e Nagasaki)

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Prerequisiti di fisica nucleare• struttura atomica

• cenni di radioattività

• raggi α, β e γ

• trasformazioni radioattive

• concetto di isotopia e misura della massa dei nuclei

• scoperta del neutrone

• neutrini

• cenni di relatività: equivalenza massa energia

• difetto di massa, energia di legame, stabilità del legame nucleare

• intensità delle forze nucleari

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Il 16 luglio del 1945, alle 5.30 del mattino, esplodeva la prima bomba atomica della storia in un test nel deserto del New Mexico

Qualche giorno dopo queste bombe venivano sganciate su Hiroshima e Nagasaki

A lato l’esplosione su Hiroshima(6 agosto 1945, Little BoyLittle Boy)

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Esplosione su Nagasaki

(9 agosto 1945, Fat BoyFat Boy)

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Hiroshima fotografata dai ricognitori USA prima del lancio della bomba

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Hiroshima fotografata dai ricognitori USA dopo il lancio della bomba

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Hiroshima al suolo

L'orrenda deflagrazione generata dallo scoppio della bomba causò la morte immediata di oltre

70.000 persone e di altrettante, per le ferite riportate, nei giorni seguenti

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L’esplosione di un ordigno nucleare

sviluppa temperature di decine di milioni di gradi

produce nell’aria una sfera di fuoco che, come un piccolo Sole, emette radiazioni luminose e termiche che viaggiano alla velocità della luce

Per esempio la sfera di fuoco della bomba di 1 megatone (1 MtonMton equivale a 1 milione di tonnellate di tritolo), che esplodesse in aria, apparirebbe a 100 km molte volte più luminosa del Sole medesimo

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Come si ripartisce l’energia di un’esplosione?

per il 15 %15 % circa va in radiazioniradiazioni: vengono liberati sia raggi gamma che neutroni, che irraggiano le zone circostanti

il 50 %50 % circa forma un’onda d’urtoonda d’urto che si espande a una velocità di poco superiore a quella del suono (circa 500 m/s): sul suo fronte si genera un fortissimo sbalzo di pressione, che danneggia meccanicamente cose e persone

il restante 35 %35 % circa va invece in un’onda di caloreonda di calore, che si propaga più lentamente, vaporizzando i materiali più vicini all’epicentro dell’esplosione e incendiando quelli più lontani

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Differenza con l’esplosivo tradizionale

ESPLOSIVO CONVENZIONALEESPLOSIVO CONVENZIONALE, dopo la deflagrazione:

• si ha a che fare solo con l’onda d’urto o onda di onda di pressionepressione e, in misura ridotta, con l’onda di calore

ESPLOSIVO NUCLEAREESPLOSIVO NUCLEARE, dopo la deflagrazione:

• si ha a che fare con l’onda d’urto o l’onda di pressioneonda di pressione

• si ha a che fare con la radiazione termica o onda di onda di calorecalore

• si ha a che fare con la radioattività o onda radioattivaonda radioattiva

• si ha a che fare con il fall outfall out, la ricaduta dopo tempi differenti di materiale radioattivo sollevato in quota

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Onda di pressione Gli effetti distruttivi di quest’onda sono strategicamente

importanti soprattutto per il cratere che producono

Un’onda di pressione origina sovrapressione che si aggiunge all’ordinaria che è di 1 Kg su ogni cm2 di superficie

Una sovrapressione di 0,35 Kg/cm2 è considerata sufficiente a distruggere la maggior parte degli edifici e gli ordigni nucleari generano tale valore ad una distanza in km proporzionale alla radice cubica della loro potenza esplosiva in chilotoni. Le bombe più grandi distribuiscono la loro potenza distruttiva in modo meno efficace delle più piccole

La sovrapressione sufficiente a uccidere un uomo è pari a 2.104 Kg/cm. Questa sovrapressione, nel caso di una bomba atomica da 20 kiloton, si manifesta a circa 600 m dall’epicentro

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Onda di caloreL’onda termica arriva dopo l’onda d’urto, ciò perché i fotoni pur viaggiando con la velocità della luce hanno un cammino medio piccolo; di conseguenza essi vengono continuamente assorbiti dagli atomi che compongono l’atmosfera e quindi riemessi. Il processo di diffusione dei fotoni è, quindi, realizzato secondo un percorso a tappe con andamento zig-zag e, per quanto il tempo di percorrenza delle singole tappe sia brevissimo, il tempo di diffusione è relativamente grande, in quanto l’assorbimento e la relativa emissione dei fotoni da parte degli atomi che compongono l’atmosfera richiede un certo tempo.

Es: Nel caso di una bomba atomica di 20 kiloton, la durata di emissione dell’energia termica è di 3 secondi.

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Onda di calore Un ordigno di 1 Mton nell’atmosfera dà luogo ad un’onda di

calore che provoca:

• ustioni di 1° grado (eritemi) a distanze di 20-25 km

• ustioni di 2° grado (bolle con siero e flittene) a 15-20 km (ciò nel caso in cui non vi siano schermi tra la sfera di fuoco ed il corpo)

I dati sulla gravità delle ustioni provocate dalle bombe atomiche usate in Giappone sono i seguenti:

• a 0-1000 m: 95% carbonizzati

• a 1400-2000 m: carbonizzati e ustionati di 2°grado

• a 2000 m: eritema bolloso, depigmentazione

• a 2000-4000 m: pigmentazione bruna

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Onda radioattiva

La radioattività emessa dall’esplosione di una bomba atomica si suddivide in due categorie:

• radioattività iniziale

• radioattività residua (fall outfall out)

La separazione convenzionale di queste due forme di radioattività è fondata sul fatto che la radioattività iniziale viene emessa nel giro di un minuto primo. Tutte le radiazioni, emesse dopo che sono trascorsi 60 secondi dall’esplosione, formano la radioattività residua

La radiazione nucleare che si libera immediatamente uccide in tempi brevi proporzionalmente all’esposizione alla radiazione

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Onda radioattiva Se la bomba è da 1 Mton:

• in un raggio di poco più di 3 km si ha una dose di radiazione sufficiente ad uccidere fino al 95 % della popolazione

• a 5 km si hanno scarsi effetti radioattivi somatici ma c’è possibilità che insorgano effetti genetici

Le principali manifestazioni patologiche, che si possono osservare nelle popolazioni sottoposte al bombardamento atomico, sono:

• sterilità e impotenza• cataratte e cecità• danni al sangue• danno genetico

• danni sullo sviluppo infantile• danni sul feto• produzione di tumori maligni

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Il Fall out

Supponiamo che la bomba esploda al suolo: una gran massa di terreno e detriti viene risucchiata dall’esplosione e portata in quota (all’incirca a 10 km)

I pezzi più grossi ricadono a terra nelle ore e nei giorni successivi, l’estensione della zona interessata dipendono dalle condizioni metereologiche; la polvere più minuta sale nella stratosfera ricadendo solo dopo mesi o anni e interessando tutta la terra

Questo particolare fenomeno radioattivo si fa sentire vario tempo dopo l’esplosione

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Dopo l'esplosione, si genera una palla di fuoco radioattiva che crea un'onda d'urto e di calore distruttiva. Successivamente si genera un fenomeno depressivo inverso, che risucchia i materiali circostanti l'esplosione. L'effetto secondario è la creazione di una nube a fungo, che genera un fall-out stratosferico o globale e una corrente convettiva che riporta in basso polveri e radiazioni.

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Esplosione e possibile difesa

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Tempo di efficacia di un dato effetto, a partire dal momento dell’esplosione

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Cosa fare per difendersi?

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Quali schermi sono più efficaci contro le radiazioni?

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Armi nucleari

Le armi nucleari sfruttano per produrre un’esplosione:

• la fissionefissione di nuclei pesanti

• la fusionefusione di nuclei leggeri

In generale i materiali usati come esplosivi nucleari sono:

• Uranio fortemente arricchito per le bombe a

• Plutonio fissione

A cui vengono aggiunti:

• Deuterio per quelle a

• Trizio fusione

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Le armi a fissione: sono state le prime ad essere costruite, e hanno potenza nell’ordine dei 10-150 Kton (migliaia di tonnellate equivalenti di tritolo)

Le armi a fusione: possono liberare energie fino a 50 Mton

Le testate tattiche (bombe a neutronibombe a neutroni): sono pensate per essere utilizzate in battaglia, hanno un potere esplosivo minore (meno di 1 Kton) ma emettono un quantitativo di neutroni molto più alto del normale, per incapacitare in tempi brevi truppe ed equipaggi di mezzi corazzati

Diversi tipi di armi nucleari per impieghi diversi

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Armi a fissione

Esempi di bombe a fissione sono quelle di Hiroshima e Nagasaki

Come si genera l’energia sviluppata in

queste bombe?

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Il grafico mostra come variano le energie di legame per nucleone per differenti atomi dei vari elementi della tavola periodica, al variare del numero di massa A

In corrispondenza del massimo (fascia rossa) si ha una maggiore energia media di legame per nucleone e ciò vuol dire che siamo nella situazione di nuclei più stabili, più fortemente legati

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E’ possibile prendere dei nuclei estremamente stabili e renderli instabili bombardandoli con particelle altamente energetiche. Questo processo è chiamato radioattività radioattività artificialeartificiale o indottaindotta

Agli inizi degli anni trenta il fisico italiano Enrico FermiEnrico Fermi, con il gruppo di ricercatori il gruppo di ricercatori di via Panispernadi via Panisperna, si rese conto dell’importanza del bombardamento dei nuclei con neutroni

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Il gruppo di Roma bombardò una serie di elementi e quando arrivò all’uranio si aspettava di scoprire elementi transuranici prodotti in reazione come:

92U238 + 0n1 → 92U239 + γ

Ci si attendeva che il nucleo di uranio decadesse spontaneamente per emissioni β in nettunio e plutonio secondo i processi seguenti:

92U239 → 93Np239 + -1e0 + ν

93Np239→ 94Pu239 + -1e0 + ν

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gli elementi radioattivi prodottisi nel bersaglio erano più di 2

certamente l’uranio (isotopo 238) aveva dato origine a qualche transuranico non esistente in natura

contemporaneamente l’uranio (isotopo 235) aveva visto i suoi nuclei spezzarsi in 2 pezzi più piccoli

92U235  +  0n1   →   38Sr94  +  54Xe140  +  2 0n1

92U235  +  0n1   →   32Kr92  +  56Ba141  +  3 0n1

Cosa era accaduto nelle reazioni nucleari con l’uranio?

Le cose non erano per nulla chiare perché si sovrapponevano svariati fenomeni:

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9 gennaio 1939: Otto HahnOtto Hahn e Fritz StrassmannFritz Strassmann (due chimici tedeschi) compresero che il nucleo di uranio poteva venire suddiviso in due nuclei di massa atomica intermedia, bombardandolo con neutroni. Ma esitarono a trarre conclusioni

“Sulla base di questi esperimenti brevemente descritti, noi siamo costretti come chimici a sostituire ai nomi di Ra, Ac, Th [elementi pesanti che si pensava venissero formati nel bersaglio] i nomi di Ba, La, Ce. Tuttavia come «chimici nucleari», cioè molto vicini ai fisici, noi non ce la sentiamo di fare un passo così contrario a quanto ha mostrato fino ad oggi l’esperimento nel campo della fisica nucleare. Dopo tutto, una serie di strane coincidenze potrebbe forse avere portato a questi risultati”

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16 gennaio 1939: Lise MeitnerLise Meitner e Otto FrischOtto Frisch (due fisici austriaci) suggerirono che il neutrone può spezzare il nucleo di uranio in “due nuclei di dimensioni pressappoco uguali”

→ Fissione nucleareFissione nucleare

Poiché l’energia media di legame per nucleone nell’uranio è molto più piccola che nei nuclei prodotti nella fissione, Meitner e Frisch furono in grado di prevedere che i frammenti avrebbero dovuto avere alta energia

Def. Fissione nucleareFissione nucleare: la scissione di un nucleo pesante, come l’uranio, in due nuclei di massa intermedia, accompagnata dalla liberazione di due o più neutroni e di grandi quantità di energia

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Risultò che un nucleo di uranio, dopo aver catturato un neutrone, può spezzarsi dando luogo a più di 40 diverse coppie di frammenti

Inoltre nella fissione si originano anche alcuni neutroni, in media due o tre per ogni fissione

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Non tutti i nuclei possono dar luogo alla fissione nucleare

Per quelli fissionabili, la probabilità di spezzarsi in seguito a bombardamento da neutroni dipende dall’energia del neutrone

U235 → neutroni di qualsiasi energia, ma la probabilità aumenta per energie molto basse

U238 → solo neutroni veloci

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Modello a goccia nucleo → goccia di liquido carica di elettricità Se la goccia non è troppo grande, la tensione superficiale

riesce a vincere le forze repulsive delle cariche mantenendo unita la goccia

Le molecole sono tenute assieme da una forza che agisce a distanza corta come accade ai nucleoni nei nuclei

Le particelle entro il nucleo sono in continuo movimento casuale, esattamente come le molecole di un liquido

Analogamente al processo di evaporazione delle molecole dalla superficie di una goccia, alcune particelle, grazie a una serie favorevole di urti con altre particelle, possono acquistare abbastanza energia da vincere le forze nucleari attrattive e sfuggire dal nucleo

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1939 N.Bohr e J. A. Wheeler

Bombardamento di un campione di U235 con neutroni lenti (cioè con energia cinetica trascurabile):

massa nucleo U235

massa neutrone

massa totalemassa nucleo U236 (non eccitato)differenza di massa

235,04393 UMA1,00867 UMA

236,05260 UMA236,04573 UMA

0,00687 UMA

unità di massa atomica: 1 UMA = 1,66 ∙ 10-27 kg

Eccesso di energia corrispondente alla differenza di massa:

0,00687 UMA ∙ 931 MeV/UMA = 6,4 MeV

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U236 nell’istante della cattura del neutrone dispone di un’energia supplementare pari a 6,4 MeV → energia di eccitazioneenergia di eccitazione

Il nucleo di U236 si deforma assumendo una configurazione allungata con una strozzatura nel mezzo e le sue due parti si vengono a trovare a distanza maggiore del raggio d’azione delle forze nucleari attrattive

Quindi le forze di repulsione elettriche tra le due parti del nucleo deformato possono superare in intensità le forze attrattive a piccolo raggio, provocando la spaccatura del nucleo

Il modello a goccia spiega perché alcuni nuclei vengono fissionati anche con neutroni lenti, mentre altri solo con neutroni veloci

Il minimo di energia richiesto per deformare il nucleo in maniera sufficiente affinché le forze elettriche repulsive abbiano il sopravvento sulle forze nucleari è detto energia di attivazioneenergia di attivazione

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Modello a goccia

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Quando l’uranio U235 cattura un neutrone per dare U236, l’energia di eccitazione del nuovo nucleo è maggiore della sua energia di attivazione, anche se il neutrone-proiettile possiede energia cinetica trascurabile

Nel caso della cattura di un neutrone lento da parte dell’uranio U238, si forma U239, ma l’energia di eccitazione è inferiore di 0,9 MeV rispetto all’energia di attivazione

Se invece i neutroni-proiettile posseggono energia cinetica uguale o superiore a 0,9 MeV, la teoria di Bohr e Wheeler prevede, e l’esperienza conferma, che questi neutroni energetici sono in grado di provocare la fissione del nucleo di U238

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Il processo di fissione ha un ruolo di estrema importanza per le applicazioni industriali e militari

Una singola fissione libera un’energia di circa 200 MeV, che risulta più di un milione di volte maggiore dell’energia liberata in una reazione chimica

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In condizioni opportune, i neutroni generati nel processo di fissione possono dare luogo a fissioni secondarie, originando una reazione a catenareazione a catena

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L’energia liberata in una reazione a catena aumenta esponenzialmente a patto che i neutroni che si producono in una reazione non sfuggano tutti dalla zona interessata dalla reazione stessa

Def. Fattore di moltiplicazione kFattore di moltiplicazione k: il rapporto tra il numero di neutroni che producono fissione ad un qualunque stadio di reazione e il numero di neutroni che hanno prodotto fissione nello stadio immediatamente precedente

Quando k = 1 (quando ogni fissione genera una fissione addizionale), si dice che la reazione a catena è criticacritica

Per le bombe nucleari deve essere k >> 1 per ottenere la più completa liberazione di energia nel più breve tempo possibile

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Perché la reazione a catena raggiunga il livello critico, è richiesta una massa minima di sostanza fissionabile: massa criticamassa critica

La massa critica varia con il modo nel quale la sostanza fissile è distribuita nello spazio

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il metodo “balisticobalistico”: le due metà del materiale esplosivo sono ai capi di un cilindro in mezzo a loro c'è il vuoto. Quando la bomba viene innescata esplodono due cariche di esplosivo convenzionale che scagliano le due metà una contro l'altra. Di colpo le due metà compongono una massa ipercritica compressa che automaticamente esplode. (Hiroshima)

il secondo metodo si basa sul fatto che una massa subcritica, se fortemente compressa, può trasformarsi in una massa critica o ipercritica. Questo tipo di bomba è di forma sferica, nel centro di essa c'è il materiale fissile (uranio-235 o plutonio), nello strato sotto la corazza c'è invece dell'esplosivo chimico. Quando viene innescata l'esplosivo esplode creando una onda d'urto verso il centro della bomba che comprime molto rapidamente il materiale fissile finchè non raggiunge una massa ipercritica e quindi esplode. (Nagasaki)

2 modi di trasformare una massa subcritica in una critica o sovracritica:

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Il principio di funzionamento di una bomba atomica (bomba Abomba A)

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Un ordine di grandezza delle dimensioni delle prime bombe costruite a Los Alamos e poi sganciate su Hiroshima e Nagasaki lo si può avere con la figura:

A sinistra vi è il disegno di come si presentava la bomba usata su Hiroshima, realizzata con U 235 e del peso di 4 tonnellate, e a destra quella utilizzata su Nagasaki, realizzata con Pu 239 e del peso di 4,5 tonnellate

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L’ordigno esploso su Hiroshima

L’ordigno esploso su Nagasaki

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Un’altra fonte di energia nucleare proviene dalla fusionefusione che è il processo inverso della fissione

Def. Fusione nucleareFusione nucleare: una reazione nucleare nella quale due nuclei leggeri si combinano, cioè si fondono insieme, per formare un nucleo più pesante, con liberazione di una grande quantità di energia

Tale reazione nucleare è ancora allo studio e non è ancora in grado di fornire energia utilizzabile per scopi pacifici

Dalla fusione dipende però la vita del nostro sistema solare: sono le reazioni di fusione nucleare che avvengono sul Sole che forniscono l’energia necessaria al ciclo delle acque, alla fotosintesi e a tutti i processi vitali

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La fusione consiste nel fondere insieme due nuclei leggeri per ottenerne uno più pesante con conseguente emissione di un’enorme quantità di energia

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1H2  +  1H

2  →   1H3  +  1H

1  +  4 MeV

       1H2  +  1H

2  →   2He3  +  0n1  +  3,3 MeV  

       1H2  +  1H

3 →   2He4  +  0n1  +  17,6 MeV

           1H2  +  2He3  →   2He4  +  1H

1  +  18,3 MeV

dove 1H1 = Idrogeno; 1H

2 = Deuterio; 1H3 = Trizio;

2He3 = Elio 3; 2He4 = Elio 4

Esempi di reazioni di fusione

Vediamo quelle riguardanti gli isotopi dell’idrogeno

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Alcuni esempi di fusione

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Quando due nuclei leggeri (1H2 e 1H3) si uniscono per produrre un nucleo più pesante (2He4), si trova sperimentalmente che viene liberata energia. Risulta evidente dalla curva dell’energia che un nucleo di Elio è molto più stabile dei nuclei di Deuterio e Trizio

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I processi di fusione si realizzano soltanto ad altissime temperature (da 107 a 108 K), perciò la fusione controllata è molto più difficile da ottenersi della fissione controllata

L’unico uso pratico e realizzato dall’uomo di reazioni di fusione è quello della bomba all’idrogeno o della bomba H

Difficoltà legate alla fusione

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La bomba all’idrogeno o bomba H:

Si utilizza la fusione nucleare mediante la fissione (di una bomba a fissione), che produce le temperature necessarie alla fusione

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Per le bombe a fissione esiste un limite per le dimensioni massime raggiungibili, oltre il quale l’effetto distruttivo non aumenta più di molto (e questo è dovuto al fatto che una gran parte del materiale fissile viene disperso prima di dare la reazione di fissione)

Per le armi a fusione sembra che tale limite non esista e quindi non esista limite al loro potere distruttivo

L’energia liberata da una reazione di fusione è minore di quella liberata da una reazione di fissione. Essa però rappresenta una maggiore quantità di energia riferita all’unità di massa

Bomba A e Bomba H a confronto

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1H2  +  1H3 →   2He4  +  0n1  +  17,6 MeV

L’energia liberata in questa reazione di fusione è:

17,6 MeV / 5 [nucleoni] = 3,52 MeV / [nucleone]

92U235  +  0n1   →   32Kr92  +  56Ba141  +  3 0n1

L’energia liberata in questa reazione di fissione è:

200 MeV / 235 [nucleoni] ≈ 1 MeV / [nucleone]

Per ogni unità di massa l’energia liberata dalla fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione

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Bomba a neutroni (bomba Nbomba N)

E’ una variante della bomba ad idrogeno

Fissando due masse critiche (una minima di uranio-235 e una minima di idrogeno o litio) è possibile, contenendo gli effetti della deflagrazione, fare in modo che una parte molto consistente di neutroni sfugga alla massa in reazione investendo l’area circostante

E’ necessario inoltre provvedere alla realizzazione

dell’insieme utilizzando materiali che consentano di ottenere un grado di assorbimento dei neutroni pressoché minimo

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La bomba a neutroni viene spesso chiamata anche bomba bomba pulitapulita in quanto non lascia, già a distanza di poche ore dalla sua esplosione, tracce di radioattività

Distrugge la vita umana nel raggio di circa 1500 metri, lasciando però intatte le cose che vengono semplicemente attraversate dai neutroni ad esclusione di un’area piuttosto limitata (un diametro di circa 350 metri)Il terreno è praticamente interamente praticabile a distanza di sole poche ore dal lancio, le strutture possono così essere utilizzate

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Fare una bomba atomica è facile?

Qualsiasi fisico o ingegnere nucleare con un po’ di esperienza potrebbe, studiando un po’ il problema, sistemare l’esplosivo e progettare gli inneschi in modo corretto e in tempi abbastanza brevi

La vera difficoltà nel costruire una bomba atomica non è sapere come fare una volta reperito il materiale, ma è reperire il materiale

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Perché solo pochi paesi hanno armi nucleari?

per avere plutonioplutonio servono delle centrali nucleari e impianti per ritrattare il combustibile una volta uscito dal reattore che sono: enormi, complessi e dispendiosi sia a livello economico che di formazione del personale

per avere uranio arricchitouranio arricchito servono impianti di arricchimento che sono: complessi, costosi e che o consumano quantità spaventose di energia elettrica o richiedono tecnologie molto complesse e, ovviamente, tenute segrete

Il problema di fabbricare armi nucleari è fondamentalmente la reperibilità del materiale:

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Plutonio Il Plutonio non esiste in natura, ma si ottiene dall’U238 quando assorbe un

neutrone. Il nocciolo di un reattore è generalmente costituito da decine di tonnellate di uranio, quindi una grande quantità di materiale si trova esposta al notevole flusso di neutroni che si ha all’interno di  un reattore, e tutto questo materiale, assorbendo neutroni, genera plutonio

L’unico problema è che il Pu239 estratto da molti tipi di reattori sia inquinato da Pu240, un isotopo che ha proprietà che mal si conciliano con l’utilizzo militare.Tendenzialmente si estrae un buon plutonio quando si tiene per poco tempo dell’uranio naturale in reattori moderati ad acqua pesante o a grafite, un plutonio peggiore se si parte da uranio arricchito tenuto molto in reattori moderati ad acqua leggera (I Pwr o i Bwr,  cioè la stragrande maggioranza dei reattori per usi civili)

Non è un caso che il plutonio usato per la prima bomba americana fosse stato generato da un reattore costituito da grafite e uranio naturale costruito da Fermi

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Uranio arricchito. Cos’è?

Gli isotopi dell’uranio hanno comportamento chimico identico e massa solo lievemente diversa, ma hanno un comportamento totalmente diverso quando vengono irraggiati da neutroni lenti:

• quando un nucleo di U235 viene colpito da un neutrone ha circa il 90% di probabilità di dividersi in due (isotopo isotopo fissilefissile)

• se un nucleo di U238 viene colpito da un neutrone, invece, lo assorbe, e si trasforma dopo un po’ in Pu239 (isotopo isotopo fertilefertile)

L’uranio naturale è costituito da 3 isotopi:

U238 (~ 99.3%)

U235 (~ 0.7%)

U234 (tracce)

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Per utilizzarlo nelle armi nucleari (o anche nei reattori nucleari), è necessario arricchire l’uranio naturale con l’isotopo fissile, e quindi aumentare la percentuale di U235

Il materiale che ne deriva è noto come uranio arricchito.uranio arricchito.Per usi civili (centrali nucleari) si utilizza uranio arricchito al 2-3%, mentre per costruire una bomba atomica serve uranio arricchito oltre l’80%, e di solito si cerca di arrivare al 90%

Il prodotto di scarto della lavorazione dell’arricchimento dell’uranio è rappresentato dall’uraniouranio impoveritoimpoverito

Uranio arricchito. Cos’è?

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L’uranio impoverito

Caratteristiche:

Usi militari:

Nelle corazze dei carri armati

Nelle munizioni anticarro

Nei missili e proiettili

Prodotto di scarto (basso prezzo)

Alta densità (~ 1.7 volte maggiore del piombo)

Alto coefficiente di penetrazione

Duttilità

Piroforicità (alcume particelle prendono fuoco a contatto con l’aria)

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Come si ottiene l’uranio arricchito? La separazione degli isotopi di un elemento è estremamente

difficile da realizzare. Impiegando metodi chimici è impossibile ottenere una separazione totale, dal momento che le caratteristiche chimiche degli isotopi sono quasi identiche. Spesso è dunque necessario ricorrere a metodi fisici, che si basano su ridottissime differenze di proprietà chimico-fisiche, determinate dal diverso numero di massa

I primi isotopi a essere separati furono quelli dell'idrogeno, nel 1932, ad opera del chimico statunitense Harold Urey. Nel caso dell’H1 e H2, la differenza in peso degli isotopi è del 100%, mentre per l’U235 e U238 le piccole differenze percentuali in numero di massa riducono considerevolmente l'entità degli effetti osservabili, e rendono molto complessa la separazione

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I principali processi di arricchimento

Centrifuga e distillazione

Diffusione termica

Diffusione gassosa

Metodo elettromagnetico

Ionizzazione selettiva laser

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Tutti i metodi, fatta eccezione per quello elettromagnetico, richiedono un'elaborata successione di passaggi. Al termine di ciascuno di questi, la separazione è solo parziale: il materiale originario è diviso in due frazioni, una delle quali contiene una percentuale leggermente maggiore dell'isotopo più pesante e l'altra una percentuale maggiore di quello più leggero

Per ottenere una concentrazione apprezzabile dell'isotopo desiderato, è necessario separare ulteriormente la miscela. Questo processo viene ottenuto grazie a una sequenza di fasi che procede a cascata: la frazione arricchita prodotta in ciascuna fase diventa il materiale di partenza per la separazione successiva, mentre la frazione scartata, che ancora contiene una considerevole percentuale dell'isotopo desiderato, viene aggiunta al materiale iniziale dello stadio precedente

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Centrifuga e distillazione Il metodo della centrifugametodo della centrifuga sfrutta la piccola differenza di

massa tra i vari isotopi. Il materiale iniziale viene inserito in una sorta di cilindro rotante, che ha l'effetto di aumentare la concentrazione dell'isotopo più pesante nella regione più esterna del cilindro

E’ il metodo più facile e redditizio per avere un buon potenziale di fabbricazione per costruire un arsenale nucleare

Il metodo della distillazionemetodo della distillazione consiste nel distillare una miscela contenente vari isotopi. Le molecole con punto di ebollizione più basso (gli isotopi più leggeri) si concentrano nel flusso di vapore e possono quindi essere raccolte

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Diffusione termica Il metodo della diffusione termicametodo della diffusione termica sfrutta la tendenza delle

molecole più leggere di un liquido o di un gas a concentrarsi nelle zone più calde

Un semplice sistema per la diffusione termica consta di un alto tubo verticale, lungo il cui asse centrale è posto un filo riscaldato elettricamente alla temperatura di 500 °C; questo filo produce un gradiente di temperatura tra il centro e le pareti del tubo. Gli isotopi più pesanti tendono allora a concentrarsi nelle zone più esterne del tubo, quelli più leggeri verso il centro. Inoltre, il gas o il liquido vicino al filo tende a salire, mentre quello più esterno tende a scendere. L'effetto finale è quello di raccogliere gli isotopi più pesanti sul fondo del tubo e quelli più leggeri alla sua sommità

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Diffusione gassosa Il metodo della diffusione gassosametodo della diffusione gassosa si basa sulla diversa velocità

di diffusione delle molecole con pesi molecolari diversi La velocità di diffusione di un gas è inversamente

proporzionale alla radice quadrata della sua massa, così gli atomi leggeri diffondono attraverso una parete porosa più velocemente degli atomi pesanti. Nella separazione degli isotopi di uranio, l’unico composto gassoso di uranio, l'esafluoruro (UF6) viene spinto continuamente attraverso una barriera porosa

Il problema è che l’arricchimento per ogni stadio è molto basso, e che questi impianti consumano quantità immense di energia elettrica per pompare il gas.Inoltre il processo richiede l'uso di attrezzature e macchinari enormi, e di complessi metodi di controllo

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Diffusione gassosa

La diffusione gassosa fu il primo metodo, insieme al metodo elettromagnetico, usato su vasta scala per ottenere la separazione degli isotopi di uranio

Nel corso del progetto per la fabbricazione della bomba atomica, questi due metodi furono sfruttati per produrre circa 1 kg di U235 al giorno, che veniva impiegato nelle ricerche sulle armi nucleari

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Metodo elettromagnetico (Culatrone) I primi quantitativi considerevoli di U235 furono ottenuti a Oak

Ridge, nel Tennessee (Stati Uniti), utilizzando il metodo metodo elettromagneticoelettromagnetico

Un raggio ionico ottenuto da un composto di uranio viene inviato in un campo magnetico e attraversa una serie di unità separatrici. Siccome il raggio di curvatura della traiettoria degli ioni deflessi dipende dalla loro massa, ioni di masse diverse giungono al termine del percorso in tempi diversi, e ciò permette di separare i vari isotopi

Questo metodo però consente di trattare piccole quantità di materiale a ciascuna operazione. A causa di questa limitazione, esso venne abbandonato al termine della guerra e sostituito con quello di diffusione gassosa

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Ionizzazione selettiva laser (AVLIS) La separazione degli isotopi con il laserseparazione degli isotopi con il laser nacque nei primi

anni Sessanta, subito dopo l'invenzione del laser. Ebbe notevoli miglioramenti con l'invenzione del laser cromatico a lunghezza d'onda variabile, un dispositivo che produce un fascio di fotoni in uno stretto intervallo di frequenze, selezionabile con precisione fra le frequenze tipiche dell'infrarosso e quelle dell'ultravioletto

Sfruttando questo principio di operazione, se un elemento viene previamente vaporizzato, i suoi atomi possono successivamente essere eccitati e ionizzati da un laser accuratamente sintonizzato, separando selettivamente gli isotopi. È anche possibile ottenere la separazione in forma molecolare, con un laser che dissocia quelle molecole del composto che contengono l'isotopo desiderato

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Ionizzazione selettiva laser (AVLIS)

Dal 1972, questi processi, in continuo miglioramento e sviluppo, furono finalizzati all'arricchimento dell'uranio e del plutonio per gli impianti e le armi nucleari

Il metodo è costoso e di difficile realizzazione, ma in compenso richiede solo pochi stadi per la produzione di materiale estremamente arricchito

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Bibliografia• Joseph F. Mulligan, Fisica 3, ed. Cremonese, 1993• Paul A. Tipler, Corso di fisica – Fisica moderna, ed.

Zanichelli, 1995• AA.VV., PPC – Progetto fisica – Volume B, ed.

Zanichelli, 1986• Paolo Alberico, Fisica di base, ed. Minerva Italica, 1995

• www.fisicamente.it

• www.iapht.it

• www.unitus.it/Scienze/giovani

• wwwsis.inf.infn.it/seminars/aesposito

• http://rad.med.unisi.it/TSRM/med_nucl.htm

Sitografia