Fissione indotta e fusione nucleare (cenni)

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1 Fissione indotta e fusione nucleare (cenni) La fissione spontanea avviene per nuclei molto pesanti Z 2/A > 47 (per 238U, Z 2/A=36 ) Fissione indotta: lo scattering di una particella su di un nucleo fissile puo' fornire energia sufficiente affinche' il nucleo superi (o effetto tunnel) la barriera di potenziale. Quale particella? Il neutrone e' il migliore candidato (no repulsione coulombiana + sezione d'urto dell'interazione forte (a differenza di un fotone ad esempio))

2 Compound nucleus Fissione indotta: Distribuzione della massa dei frammenti prodotti da 235U. Massimi intorno ad A=95 e A=140 (nota: scala log) Difficile che i frammenti abbiano la stessa massa

3 Processi di scattering del neutrone 1) Cattura del neutrone e fissione con emissione di altri neutroni 2) Cattura del neutrone e diseccitazione per emissione gamma 3) Scattering elastico del neutrone -) Fissione molto favorita a basse energie (neutroni termici) per 235U, per 238U neutroni solo con energie del MeV e comunque la corrispondente sezione d'urto e' soppressa di 2-3 ordini di grandezza rispetto a quella del 235U. -) Picchi associati ad eccitazione dei livelli nucleari

4 Perche' 235U e 238U hanno un cosi' diverso comportamento? 235 U e' pari-dispari (Z-N), 238U e' pari-pari (Z-N). L'aggiunta di un neutrone nel compound nucleus accende il termine di accoppiamento a5 nel primo caso e lo spegne nel secondo caso. Fissiona Di conseguenza la differenza di massa tra 235U+n e 236 U > all'energia di attivazione per la fissione del 236U...mentre e' inferiore nel caso del 238U: infatti servono ancora 1.2 MeV di energia cinetica del neutrone per ottenere la fissione.

5 La fissione come sorgente energetica Ogni processo di fissione indotta rilascia energia, circa 200 MeV in media, e neutroni, 2.5 in media nel caso di 235U ( ricorda a parita' di peso 105 piu' energia rispetto a processi chimici (combustione di idrocarburi)) Un esempio: I neutroni rilasciati possono innescare altre reazioni di fissione Energia cinetica dei prodotti della reazione: riscaldamento del materiale, conversione di calore in energia buona (energia elettrica)

6 Reazione a catena: i neutroni secondari causano altre fissioni (rilascio di energia) e altri neutroni che a loro volta indurranno altre fissioni... ecc ecc Pila di Fermi: il primo reattore nucleare 1942 La reazione a catena puo' essere usata come sorgente di energia se controllata (centrali nucleari) oppure come esplosivo se non controllata (bomba atomica, 1945)

7 Il reattore nucleare Ingredienti del core del reattore: 1) Materiale fissile: Uranio arricchito (3-5% di 235U) contro lo 0.72% dell'uranio naturale 2) Materiale moderatore: serve a rallentare i neutroni (tramite scattering elastici) prodotti dalla fissione per facilitarne poi la successiva cattura da parte di altri nuclei di 235U (la sezione d'urto di assorbimento e' grande per neutroni termici) 3) Materiale in grado di assorbire i neutroni (senza fissionare) per controllare la cinetica della reazione (reazione controllata)

8 Moderatore e assorbitore -) Alta sezione d'urto per scattering elastico e bassa per scattering anelastico (assorbimento) -) Leggero: in scattering elastici con nuclei pesanti il neutrone rimane veloce (ricorda scattering 2 corpi) -) Motivi economici: abbondante/economico -) Chimicamente stabile -) Denso per aumentare gli scattering Moderatore: H2O, C, D2O +)Economico e si puo' usare per raffreddare il reattore -) alta sezione d'urto di assorbimento (n+p 2H+γ) +)bassa sezione d'urto per n+d->3h+γ -) il trizio va filtrato in quanto radioattivo Grafite: piu' massivo (c'e' bisogno di scattering multipli) ma bassa sezione d'urto di cattura. E' il materiale preferito come moderatore Assorbitore: 113Cadmio molto efficiente per neutroni termici Cinetica della reazione: appunti

9 Ciclo di fissione Diversi processi contribuiscono a modificare il n. di neutroni: -) cattura di neutroni non termalizzati da 238U (fast fission+neutroni, ε) -)cattura di neutroni attraverso risonanze di 238 U (resonance escape p) -) cattura di neutroni dalla grafite (thermal utilization f) -) perdite attraverso la superficie della pila (neutroni fast e termici)

10 Vapore a 280 C e 6Mpa di pressione 330 C temperatura dell'acqua a 16MPa di pressione Emissione di vapore nell'aria (no CO2)

11 Svantaggi: scorie nucleari e incidenti -)I residui di un reattore nucleare sono radioattivi, tramite decadimenti nucleari che vedremo a breve, anche per migliaia di anni. -)Necessita' di stoccare le scorie in ambienti che siano stabili (rispetto ad eventi antropici o naturali) su quelle scale temporali, depositi sotterranei tipicamente. Non ne esistono al momento. -)Circa 104 m3 di scorie altamente radioattive prodotte da tutte le centrali esistenti al mondo in un anno. -) Esplosioni (chimiche) a Cernobyl e Fukushima -)...discusione aperta

12 La fusione nucleare Picco di Gamow appunti

13 Fusione From G. Fiorentini

14

15 No scorie nucleari!!!

16 e' possibile accendere il Sole sulla terra?? Il progetto ITER (2020?), confinamento magnetico di un plasma di nuclei deuterio e trizio, T ~ 108K (costo 15 miliardi LHC 5 miliardi)

17 Fusione fredda??(see arxiv: ) Sistema fisico: superfici metalliche (Ni) con idrogeno adsorbito, T ambiente o poco piu' W ~ 0.8 MeV, chi li mette a disposizione?? Moti collettivi di elettroni sulla superficie? Probabilmente efficienza estremamente piccola (molto piu' piccola di quella dichiarata in alcuni esperimenti), quindi interessante la fisica ma di scarso interesse come fonte energetica.

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