ENERGIA NUCLEARE E

RADIOATTIVITA’

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE

«MARCONI» FORLI’

PROF. ROBERTO RIGUZZI

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La somma del numero di protoni e del

numero di neutroni è denominato numero

di massa A = Z + N. I nuclidi di pari Z

sono denominati isotopi, quelli di pari A

sono denominati isobari, quelli di pari N

sono denominati isotoni.

DEFINIZIONI

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ISOTOPO

• Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno le stesse proprietà chimiche ma masse diverse determinate dal diverso numero di neutroni.

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Quando i protoni sono in numero troppo elevato (Z>82), per quanti neutroni

mettiamo al nucleo, esso diviene instabile. Un nucleo instabile tende a liberarsi di alcune particelle; tale processo viene

denominato decadimento radioattivo. Il processo di emissione di radiazioni è

denominato radioattività.

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2)Nuclei con numero atomico superiore ad 83 e numero di

massa superiore a 220 decadono emettendo particelle Alfa ()

positive, cioè nuclei di elio

1)Nuclei troppo ricchi di neutroni decadono emettendo

elettroni veloci dette particelle Beta ()

3) La cattura di elettroni o l’emissione di elettroni positivi

avviene quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto ai

neutroni. In tal caso un protone può trasformarsi in neutrone,

assorbendo un elettrone orbitante tra quelli più vicini

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I Radioisotopi sono nuclidi radioattivi di

uno stesso elemento chimico, il cui nucleo

è instabile. Il termine più corretto per

indicare una specie atomica con un

nucleo formato da un determinato numero

di protoni Z (numero atomico) ed un

determinato numero di neutroni N è infatti

nuclide o radionuclide

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I radionuclidi nella forma chimica opportuna (composti marcati) hanno innumerevoli impieghi in ambito scientifico (radiochimica e chimica nucleare). Possono essere usati per esempio per datare fossili, rocce, reperti. In campo biomedico, le radiazioni emesse da numerosi radionuclidi si sono rivelate utili nel diagnosticare svariate patologie e/o distruggere le cellule tumorali medicina nucleare.

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Nel 1896 Henri Becquerel notò che una lastra fotografica s'anneriva se posta nelle vicinanze di un minerale contenente composti dell'uranio. Nel 1899 Pierre e Marie Curie riuscirono ad estrarre dal minerale la sostanza radioattiva responsabile:il radio.

Lo studio approfondito di elementi “ radioattivi” portò in breve tempo ad identificare tre differenti tipi di radiazione:

Emissione di particelle neutre

Emissione di particelle cariche positivamente

Emissione di particelle cariche negativamente

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Atomi nei cui nuclei sono contenuti quantità eccessive di protoni e neutroni

emettono di solito una radiazione alfa, costituita da un nucleo di elio (due

protoni + due neutroni), e avente due cariche positive. Tale disintegrazione

porta alla formazione di un isotopo di altro elemento chimico, avente numero

atomico diminuito di due unità e numero di massa diminuito di quattro unità.

Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere

completamente bloccate da un semplice foglio di carta.

Esempio: l'uranio 238 (92 protoni + 146 neutroni) emette radioattività alfa

trasformandosi in torio-234 (90 protoni + 144 neutroni), con un tempo di

dimezzamento di 4,5 miliardi di anni. 238

92U → 234

90Th + 4

2He (Particella alfa)

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Atomi nei cui nuclei sono contenute quantità eccessive di neutroni

emettono di solito una radiazione beta, costituita da un elettrone. In

particolare, uno dei neutroni del nucleo si disintegra in un protone e in un

elettrone, che viene emesso. Tale disintegrazione porta alla formazione di

un isotopo di altro elemento chimico, avente numero atomico aumentato

di una unità (il protone in più) e numero di massa invariato (il protone si é

sostituito al neutrone).

Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere

completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad

esempio, pochi millimetri di alluminio).

Esempio: il cobalto-60 (27 protoni + 33 neutroni) emette radioattività

beta trasformandosi in nichel-60 (28 protoni + 32 neutroni), con un

tempo di dimezzamento di 5,3 anni. 60

27Co → 60

28Ni + e- (particella beta)

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La radiazione gamma é una onda elettromagnetica come la luce o i raggi X, ma assai più

energetica.

Le radiazioni alfa e beta sono invece di tipo corpuscolare e dotate di carica (positiva le

alfa, negativa le beta).

La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione

beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo é ancora eccitato perché i suoi protoni

e neutroni non hanno ancora raggiunto la nuova situazione di equilibrio: di conseguenza,

il nucleo si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l'emissione di una

radiazione gamma.

Al contrario delle radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono molto penetranti, e per

bloccarle occorrono rilevanti spessori di materiali ad elevata densità come il piombo. i

raggi gamma e i neutroni invece, elettricamente neutri, vengono assorbiti solo per urto

diretto contro un atomo o un nucleo atomico, e percorrono distanze molto maggiori.

Inoltre non esiste una distanza limite per il loro assorbimento ma vengono assorbiti

esponenzialmente, cioè all'aumentare del cammino percorso dal fascio, "sopravvive" una

frazione sempre più piccola (ma sempre diversa da zero) delle particelle originarie.

Neutroni: costituiti da neutroni liberi accelerati

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Quando una particella radioattiva viene assorbita, essa trasferisce la sua

energia al nucleo o all'atomo che l'ha catturata, eccitandolo: l'atomo

catturatore poi rimette questa energia sotto forma di una nuova

radiazione (raggi gamma o raggi X) o altre particelle (raggi beta o

neutroni termici) di minore energia rispetto a quelle assorbite; inoltre

l'impatto di particelle cariche di alta energia provoca l'emissione di raggi

X nel materiale di assorbimento. Nel progetto di schermature contro le

radiazioni è sempre necessario tenere conto di quali tipi di particelle si

debbono fermare e di quali emissioni secondarie si avranno.

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MISURA DELLA RADIOATTIVITA’

• Becquerel

• Il becquerel (simbolo Bq) è l'unità di misura del Sistema internazionale dell'attività di un radionuclide (radioattività), ed è definita come l'attività di un radionuclide che ha un decadimento al secondo. Perciò dimensionalmente equivale a s-1. 1Bq equivale ad 1 disintegrazione al secondo.

• Equivalenze rispetto alle vecchie unità:

• • 1 Rd = 106 Bq = 1 MBq

• • 1 Bq = 2,7×10-11 Ci = 27 picocurie

• Il becquerel deve il suo nome a Antoine Henri Becquerel, che nel 1903 vinse il premio Nobel insieme a Marie Curie

• e Pierre Curie per il loro pionieristico lavoro sulla radioattività

• Gray

• Il gray (simbolo Gy) è l'unità di misura della dose assorbita di radiazione del Sistema Internazionale. Un'esposizione

• di un gray corrisponde ad una radiazione che deposita un joule, (definito come 1 kg•m2/s2), per

• chilogrammo(simbolo: kg), di materia (sia tessuti biologici che qualsiasi altra cosa).

• Dimensionalmente si ha:

• Sottomultiplo del Gy è il cGy (centigray): 10−2 Gy ; 0,01 Gy ;1/100 Gy.

• Anche il cGy è utilizzato : 100 cGy = 1 Gy ; 1 Gy = 100 cGy.

• Il gray fu definito nel 1940 da Louis Harold Gray da cui prende il nome.

• Il gray ha sostituito la vecchia unità, il rad; vale la relazione 100 rad=1 Gy

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MISURA DELLA RADIOATTIVITA’ (2)

• Il sievert (simbolo Sv) è l'unità di misura della dose equivalente di radiazione nel Sistema Internazionale ed è una

misura degli effetti e del danno provocato dalla radiazione su un organismo. La dose equivalente ha le stesse

dimensioni della dose assorbita, ovvero energia per unità di massa. Nel Sistema Internazionale si ha:

• Relazione sievert - gray

• Rispetto alla dose assorbita e alla sua unità di misura, il gray (Gy), che riflettono in assoluto una dose di energia

assorbita da una unità di massa, la dose equivalente e il sievert riflettono piuttosto gli effetti biologici della radiazione

sull'organismo. I diversi tipi di radiazione possono essere infatti più o meno dannosi per l'organismo. Nel caso di raggi

X, gamma o beta 1 Gy di dose assorbita equivale ad 1 Sv di dose equivalente. Mentre per i raggi alfa, più dannosi per

l'organismo1 Gy è equivalente a 20 Sv. Per i neutroni 1 Gy equivale da 3 a 11 Sv a seconda dell'energia del fascio.

• Dosi equivalenti tipiche

• fondo naturale di radiazione per anno (media) 2,4 mSv

• massima dose di fondo naturale per anno 260 mSv

• radiografia convenzionale 1 mSv

• tomografia computerizzata 3 ~ 4 mSv

• PET, tomografia ad emissione di positroni 10 ~ 20 mSv

• scintigrafia 10 ~ 20 mSv

• radioterapia 10 ~ 40 mSv

• Il sievert ha sostituito l'unità tradizionale, il rem (1 Sv = 100 rem).

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MISURA DELLA RADIOATTIVITA’ (3)

• Il contatore Geiger, inventato nel 1913 in Inghilterra da Hans Wilhelm Geiger (1882 -1945), è uno strumento utile per misurare radiazioni di tipo ionizzante. In particolare può essere usato per misurare le radiazioni provenienti da decadimenti di tipo alfa e beta (nuclei di elio ed elettroni). Il cuore del contatore Geiger è costituito da un tubo contenente un gas a bassa pressione (per esempio, una miscela di argon e vapore di alcool alla pressione di 0,1 atmosfere). Lungo l'asse del tubo è teso un filo metallico, isolato dal tubo stesso. Tra il filo e il tubo si stabilisce una differenza di potenziale (sui 1000 volt), attraverso una resistenza dell'ordine del miliardo di ohm.

• Funzionamento

• Il contatore Geiger è una camera a deriva utilizzata in modo che la tensione prodotta dal passaggio della particella ionizzante non dipenda dall'energia rilasciata da questa e quindi dal numero delle coppie ione-ione prodotte. Infatti, quando una radiazione attraversa il tubo e colpisce una delle molecole del gas, la ionizza, creando una coppia ione-elettrone. Ma in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria. Infatti oltre alla ionizzazione si hanno fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta. Una piccola parte di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che generano nuova ionizzazione, tramite il processo della moltiplicazione a valanga. L'impulso elettrico risultante sarà testimone dell'avvenuto contatto con una radiazione ionizzante, e sarà contato da un circuito elettronico (i famosi “click” che si sentono). A seconda del numero di conteggi fatti in un'unità di tempo, riusciamo a capire se siamo in presenza di una sorgente radioattiva, e la sua pericolosità. La sensibilità dello strumento varia significativamente al variare dell'energia della radiazione incidente.

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EFFETTI

• La dose letale 50 %, DL50 o LD50, è la misura della dose necessaria di un agente tossico per

uccidere il 50 % della popolazione. Per le radiazioni che investono il corpo umano il valore

dell' LD50 varia da 2,50 Sv a 4,50 Sv. Per dosi di circa 0,50 Sv la probabilità di morte

istantanea è molto bassa, tuttavia si possono avere conseguenze nel tempo (leucemie,

cancro, ecc..).

• Dose equivalente effetti biologici

• 1 Sv alterazioni temporanee dell'emoglobina

• 2 ~ 5 Sv nausea, perdita dei capelli, emorragie

• 4 Sv morte nel 50% dei casi

• 6 Sv sopravvivenza improbabile

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L'uranio naturale è composto da una miscela di tre

isotopi, 234U, 235U, e 238U, di cui 238U è il più abbondante (99,3%),

mentre il 234U costituisce una percentuale trascurabile del totale.

Questi tre isotopi sono radioattivi; quello dotato di tempo di

dimezzamento più lungo è il 238U (emivita: 4,5 · 109 anni),

seguono 235U (7 · 108 anni) e 234U (2,5 · 105 anni). 238U emette

prevalentemente particelle alfa decadendo in 234Th. A sua volta,

questo decadimento, continua la catena fino a giungere al 206Pb,

stabile.

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Per ottenere un materiale fissile che sia adatto a scopi

nucleari, cioè che emetta una quantità sufficiente di

neutroni, è necessario aumentare la concentrazione

dell'isotopo 235U rispetto al più comune e meno

radioattivo 238U. Questo processo è chiamato arricchimento.

L'uranio si considera "arricchito" quando la frazione di 235U è

considerevolmente maggiore del livello naturale (circa lo

0,7%), tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%. 235U è il tipico materiale fissile per i reattori nucleari a

fissione ed è utilizzabile per la produzione di armi nucleari

se sufficientemente puro.

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Il processo di concentrazione dell'uranio - 235 è un compito

estremamente difficile: non è possibile separarli per via

chimica, essendo due isotopi dello stesso elemento, e l'unico

modo è sfruttare la piccolissima (meno dell'1,5%) differenza di

peso. Per fare questo si fa reagire l'uranio metallico

con fluoro ottenendo esafluoruro di uranio (UF6), un composto

solido bianco, che sublima in fase gassosa al di sopra di

56,4 °C. Questo composto in fase gassosa è usato nei due

più comuni processi di arricchimento, l'arricchimento

per diffusione gassosa o per centrifugazione del gas .

Dopo l'arricchimento l'esafluoruro è decomposto, riottenendo

uranio metallico e fluoro gassoso, dopodiché è ossidato a

formare diossido di uranio UO2.

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MASSA CRITICA

La massa critica di un materiale fissile e’ la quantità

di tale materiale necessaria per far in modo che una

reazione nucleare a catena possa autosostenersi.

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La reazione nucleare a catena indotta da neutroni, in una

massa di 235U avviene secondo uno schema di questo tipo: 235U + n → 236U "instabile" → 144Ba + 89Kr + 3 n + 211,5 MeV

La formula esprime ciò che succede ad un nucleo di uranio

(235U) quando viene colpito da un neutrone (n). L'effetto della

cattura da parte del nucleo è la trasformazione di

quest'ultimo in un nuovo elemento (236U) che però dura solo

un tempo brevissimo dopodiché l'elemento instabile si

spezza formando due nuovi elementi.

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Gli elementi indicati nella seconda parte della formula sono

il risultato relativamente più frequente della scissione, ma si

possono formare anche elementi diversi a seconda del

modo del tutto casuale in cui il nucleo si divide. La maggior

parte di questi elementi a loro volta sono spesso isotopi

instabili, perciò sono radioattivi e soggetti a ulteriore

decadimento (detti "frammenti di fissione"). Alcuni di questi

risultano estremamente pericolosi per l'ambiente e la salute

umana (particolarmente frequenti sono il cesio 137, lo

stronzio 90 e lo iodio 131) data la facilità con cui tendono ad

accumularsi nei tessuti degli esseri viventi.

REAZIONE A CATENA

• 1) Un nucleo di uranio 235 viene "bombardato" da un neutrone e avviene la fissione che spezza il nucleo in due frammenti e libera tre neutroni e dell'energia. 2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro nucleo di uranio 238 ed è perso nel bilancio. Un secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o essere assorbito da un elemento che non continua la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio 235 che si spezza in due frammenti liberando due neutroni e dell'energia. 3) I due neutroni liberati si scontrano con due nuclei di uranio 235 e ogni nucleo libera da uno a tre neutroni che servono per continuare la reazione a catena.

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FISSIONE DELL’ATOMO

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1 2

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FISSIONE DEL 232Th

29

Per ottenere le 160 t di uranio necessarie per a una centrale per

un anno, si parte da un granito uranifero (1000 ppm), occorre

processare 160.000 t di materiale prelevati da miniere che

prevedono lo sbancamento di quantità molto maggiore di roccia.

Queste miniere devono essere protette da infiltrazioni di acqua

(rischio inquinamento radioattivo delle falde).

Nelle miniere è facilmente presente il radon (Rn), radioattivo e

cancerogeno, che si libera nell’ambiente a seguito dello

sbancamento.

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Per ottenere un prodotto raffinato (yellowcake), che contenga

l’80% di ossidi di uranio (U3O8 principalmente), il materiale

estratto deve essere portato presso un impianto industriale e

trattato con acqua e acidi forti e altri prodotti chimici.

Le 159.840 t di minerali di scarto più le grandi quantità di

prodotti chimici utilizzati per la purificazione devono essere

smaltiti e contengono isotopi radioattivi.

Gli ossidi di uranio sono trasformati in esafluoruro di uranio

(UF6) e per centrifugazione si arricchisce l’235U. Questo viene

trasformato in UO2 e messo in barre di Zr lunghe 3,5 m.

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La fusione del nocciolo in una centrale nucleare consiste nella liquefazione del nocciolo radioattivo

e delle strutture di contenimento, con conseguente dispersione del materiale radioattivo. La fusione

del nocciolo è causata dalla reazione nucleare incontrollata che si innesca quando il sistema di

raffreddamento non è più in grado di controllare la reazione a catena, portando la temperatura del

reattore a migliaia di gradi centigradi. E' opportuno chiarire alcuni aspetti che possono indurre in

confusione. In primo luogo la fusione del nocciolo non va confusa con la fusione nucleare. In

secondo luogo, la fusione del nocciolo in una centrale nucleare non esplode come la bomba atomica

anche se le conseguenze non sono meno catastrofiche per l'ambiente e per l'uomo.

Contaminazione e nuvola radioattiva

La dispersione del materiale radioattivo comporta la contaminazione dell'ambiente circostante.

L'insorgere di incendi può trasportare le particelle radioattive in atmosfera, creando una nube

radioattiva che può spostarsi per migliaia di chilometri, ampliando la contaminazione

radioattiva su scala continentale. Per tali ragioni il nocciolo del reattore nucleare è circondato da

strutture in acciaio e da una gabbia di contenimento. Tuttavia, questi sistemi possono rivelarsi

inadeguati in presenza di eventi naturali come terremoti o tsunami. Gli eventi sismici possono

causare cedimenti alle strutture di protezione del reattore, dette anche sarcofago, e gravi

danneggiamenti al sistema di sicurezza e di raffreddamento. Tali eventi, pur avendo poca

probabilità di verificarsi contemporaneamente possono accadere, come hanno dimostrato i fatti

relativi all'incidente nucleare del marzo 2011 alla centrale atomica di Fukushima in Giappone.

Fusione del nocciolo

Fusione del nocciolo

Le alte temperature del nocciolo non più raffreddato fanno reagire l’acqua con

i materiali metallici della struttura producendo l’idrogeno responsabile delle

esplosioni del nocciolo. Sono esplosioni chimiche, non nucleari. La reazione

nucleare è invece responsabile dell’inquinamento radioattivo e del

riscaldamento iniziale del nocciolo. Come esempio alcune delle reazioni che

possono produrre idrogeno nelle condizioni di un nocciolo nucleare non

raffreddato.

Fe + H2O FeO + H2

Zr + 2H2O ZrO2 + 2H2

U + 2H2O UO2 + 2H2

2Pu + 3H2O Pu2O3 + 3H2

La reazione dell’idrogeno con l’ossigeno è responsabile delle esplosioni che si

sono osservate a Fukushima.

2H2 + O2 2H2O

Fusione del nocciolo

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Dopo 3 anni di permanenza all’interno del reattore il

combustibile passa alle piscine di raffreddamento; si sono

formati in totale circa 350 nuclidi differenti, 200 dei quali

radioattivi.

Si ha, in media, la seguente composizione:

- 94% uranio 238

- 1% uranio 235

- 1% plutonio

- 0.1% attinidi minori (Np, Am,

Cm)

- 3÷4% prodotti di fissione

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238U nella reazione di fertilizzazione con un neutrone si trasforma in 239Pu,

che a sua volta può essere utilizzato come fissile o per scopi bellici.

L'isotopo 239Pu è il prodotto fissile fondamentale per la maggior parte delle

armi nucleari: la sua produzione è quindi importante per le nazioni in

possesso di un arsenale nucleare e per quelle aventi programmi di

sviluppo del nucleare militare. 238

92U + n → 23992U "instabile" → 239

93Np + e- → 23994Pu + e-

239Pu viene normalmente prodotto nei reattori nucleari esponendo 238U a

un flusso di neutroni. Questo si trasforma in 239U che subisce due rapidi

decadimenti beta, trasformandosi prima in 239Np e successivamente

in 239Pu. Al termine dell'esposizione il 239Pu formatosi risulta mescolato ad

una ingente residua quantità di 238U e a tracce di altri isotopi dell'uranio,

nonché di eventuali prodotti di fissione; viene purificato per via chimica.

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Se 239Pu cattura a sua volta un neutrone, si trasforma però

in 240Pu, un isotopo che subisce facilmente fissione; per questo

motivo un plutonio ricco del suo isotopo 240 risulta poco utile

nelle armi nucleari perché emette radiazione di neutroni,

rendendone problematica la manipolazione, e potrebbe produrre

una parziale piccola esplosione che distrugge l'arma senza che

questa possa detonare efficacemente. Inoltre è impossibile

distinguere chimicamente 239Pu da 240Pu, sarebbe quindi

necessario separarli per via fisica, un processo difficile e costoso

(simile a quello impiegato per l'arricchimento dell'uranio). Per

questa ragione l'irraggiamento di 238U non si protrae mai per

tempi troppo lunghi, ma si tende a separare da esso il 239Pu

prima che questi possa raggiungere concentrazioni sufficienti per

poter reagire in maniera significativa con i neutroni incidenti.

39

Per via della sua facile fissione e per la sua disponibilità, il 239Pu

è un componente fissile fondamentale delle moderne armi

nucleari. La massa critica per una sfera di plutonio è di 16

chilogrammi, che può essere ridotta a 10 chilogrammi attraverso

l'uso di una schermatura che le rifletta contro i neutroni da essa

emessi. Una tale quantità corrisponde circa ad una sfera di 10

centimetri di diametro che per completa detonazione libera

un'energia di 200 chilotoni. Il 239Pu ha tempo di dimezzamento

(emivita) di 24.200 anni.

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Il plutonio è un componente fissile chiave nelle moderne armi nucleari; devono essere prese cautele per evitare accumulo di quantità di plutonio che si avvicinano alla massa critica che genererebbe una reazione nucleare. Anche se non e' confinata dalla pressione esterna come è richiesto per un'arma nucleare, si riscalderà e si romperà qualunque sia l'ambiente confinante in cui si trova; figure compatte quali le sfere devono essere evitate. Il plutonio può anche essere usato per fabbricare armi radiologiche.

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L'isotopo 238Pu emette particelle alfa ed ha un'emivita di 87 anni. Questa sua

caratteristica lo rende adatto per produrre generatori di corrente per dispositivi

destinati a lavorare senza manutenzione diretta per un tempo paragonabile a

quello di una vita umana; viene per questo usato nei generatori termoelettrici a

radioisotopi (RTG) come quelli che alimentano le sonde Galileo e Cassini. Versioni

precedenti della stessa tecnologia hanno fornito energia a dispositivi per condurre

esperimenti sismologici sulla superficie della Luna durante le missioni

del Programma Apollo .

Il 238Pu è stato usato anche per alimentare alcuni modelli di cuore artificiale, in

modo da ridurre i rischi dovuti a ripetute operazioni chirurgiche. È stato

ampiamente rimpiazzato da batterie al litio ricaricabili per induzione, ma si calcola

che negli Stati Uniti, nel 2003, tra 50 e 100 pace-maker al plutonio fossero

impiantati in pazienti ancora in vita.

Il plutonio-239 puo' anche essere usato come combustibile nelle centrali nucleari

di nuova generazione, che bruciano un carburante ad ossidi misti di uranio e

plutonio (MOX).

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Un generatore termoelettrico a radioisotopi o

radioisotope thermoelectric generator (RTG) è un semplice

generatore di energia elettrica basato sul decadimento di isotopi radioattivi.

È composto da due parti: una fonte di calore e un sistema per la conversione del calore in elettricità. La

fonte di calore contiene un radioisotopo, il plutonio 238, che diventa fisicamente caldo a causa del proprio

decadimento radioattivo. Il calore è trasformato in elettricità da un convertitore termoelettrico che sfrutta

l'effetto Seebeck, un principio base della termoelettricità scoperto nel 1821. Una forza elettromotrice è

prodotta dalla diffusione di elettroni attraverso l'unione di due differenti materiali (metalli o semiconduttori)

che formano un circuito quando i capi del convertitore si trovano a temperature differenti.

Ogni RTG contiene 18 moduli separati, ognuno dei quali include 4 barre di plutonio 238. I moduli sono

progettati per resistere ad ogni possibile eventualità: esplosione o incendio del veicolo di lancio, rientro in

atmosfera seguito da impatto sul terreno o in acqua, e situazioni seguenti all'impatto. Uno schermo esterno

in grafite provvede alla protezione contro i danni strutturali, termici e corrosivi di un potenziale rientro;

inoltre, il combustibile è in forma di biossido di plutonio 238, un materiale ceramico resistente alla rottura.

I generatori RTG sono progettati accuratamente e intensamente testati; da decenni sono utilizzati in modo

sicuro nel campo dell'esplorazione spaziale. Tuttavia, in seguito all'incidente dello Space Shuttle

Challenger, avvenuto il 28 gennaio 1986, venne considerata la possibilità di applicare uno schermo

aggiuntivo al generatore; ma anche se questo potesse garantire protezione nelle vicinanze della zona di

lancio, la sua notevole complessità aumenterebbe i rischi di una missione. In caso di avaria, uno schermo

aggiuntivo potrebbe aumentare in maniera significativa le conseguenze di un impatto con il suolo.

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L'americio fu sintetizzato per la prima nel 1944, sottoponendo 239Pu a successive

reazioni di cattura neutronica in un reattore nucleare. Questo produsse prima 240Pu

e poi 241Pu che a sua volta si convertì in 241Am tramite un decadimento beta.

23994Pu + n → 240

94Pu + n → 24194Pu→ 241

95Am + e-

Come si vede le reazioni nucleari possono portare alla produzione di attinidi

transuranici, radioattivi e di elevata tossicità chimica. L'americio può essere

prodotto in quantità dell'ordine dei chilogrammi, principalmente sotto forma

dell'isotopo 241Am.

Trova applicazioni domestiche in alcuni modelli di rivelatori di fumo, dove viene

usato in qualità di sorgente di radiazioni ionizzanti. 241Am è stato anche usato

come sorgente portatile di raggi gamma per l'uso in radiografia e come mezzo per

misurare lo spessore del vetro. 242Am è un emettitore di neutroni ed ha trovato uso

nella radiografia a neutroni; è tuttavia un isotopo estremamente costoso da

produrre in quantitativi utilizzabili.

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La bomba all'idrogeno o bomba H (più propriamente bomba a fusione termonucleare incontrollata, in gergo "la

superbomba") è una bomba a fissione-fusione-fissione in cui una normale bomba atomica, che serve da innesco, viene

posta all'interno di un contenitore di materiale fissile insieme ad atomi leggeri. Quando la bomba A esplode, innesca la

fusione termonucleare dei nuclei degli atomi leggeri; questo processo provoca a sua volta la fissione nucleare del materiale

che la circonda (la reazione di fissione corrisponde a 2/3 della potenza totale, mentre quella di fusione ad 1/3).

In questo tipo di bomba dunque l'energia liberata deriva oltre che dalla fissione nucleare anche dalla fusione termonucleare

fra nuclei di isotopi diversi dell'idrogeno: il deuterio ed il trizio ( un tempo di dimezzamento pari a 12,33 anni). Nel caso della

bomba al deuterio e litio, tale processo avviene secondo una reazione nucleare del tipo: 2H + 3H → 4He + n + 17,6 MeV

Il trizio non è di per sé presente nella composizione iniziale della bomba ma viene prodotto dall'urto di neutroni veloci contro

nuclei dell'isotopo del litio (Teller 1951) avente numero di massa 6 e nuclei di deuterio secondo queste due reazioni nucleari: 6Li + n → 3H + 4He + 4,8 MeV e 2H + n → 3H + 6,2 MeV

La temperatura e la pressione elevatissime necessarie affinché avvenga la fusione termonucleare nonché i neutroni veloci

indispensabili per generare l'idrogeno 3 vengono forniti, come già detto, da una bomba A.

A differenza della bomba atomica, con quella H non vi è alcuna limitazione teorica di potenza. La bomba termonucleare non

necessita di una massa critica a differenza della bomba A. In realtà, però, essendo necessaria quest'ultima per attivare il

processo di fusione termonucleare, rimane ugualmente la necessità a monte di una massa critica. La prima bomba H venne

sperimentata dagli U.S.A. nel novembre del 1952. L' Unione Sovietica sperimentò il suo primo ordigno (alla cui realizzazione

molto contribuì Andrej Sakharov) nell'agosto 1953. Seguirono il Regno Unito, la Repubblica Popolare Cinese e la Francia

rispettivamente nel 1957, 1967 e 1968. A differenza della bomba A la bomba H non è mai stata impiegata in operazioni

belliche. Analogamente alla bomba A, la bomba H può essere installata su diversi sistemi d'arma: aerei, missili balistici,

missili lanciati da sottomarini. Nel 1961, in una serie di test nucleari, l'URSS fece esplodere la più potente bomba H mai

realizzata (la bomba Zar) che liberò energia pari a 57 megatoni, ovvero oltre 4 500 volte più potente della bomba all'uranio

lanciata su Hiroshima (Little Boy).

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FORMAZIONE DI UN NUCLEO ATTRAVERSO LA

FUSIONE NUCLEARE

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