Energia nucleare e reazioni a catena

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1 Energia nucleare e reazioni a catena L'energia nucleare nasce ufficialmente alle 15 del 22 ottobre 1934 con gli esperimenti portati avanti da un gruppo di scienziati italiani sotto la guida del fisico Enrico Fermi. La fissione nucleare per la prima volta fu ottenuta bombardando l'uranio con neutroni opportunamente rallentati con un blocco di paraffina. Il gruppo di fisici però non comprese correttamente ciò che era avvenuto ma ritenne invece di aver prodotto degli elementi transuranici (con numero atomico maggiore di 92). Tra il 17 e il 18 dicembre 1938, due chimici nucleari tedeschi, Otto Hahn ed il suo assistente Fritz Strabmann, furono i primi a comprendere cosa era accaduto: l'impatto di un neutrone con un nucleo di uranio 235 causa la rottura del nucleo di uranio in due o più frammenti assieme al rilascio di una quantità considerevole di energia. Fu subito chiaro ai fisici che si poteva usare questo processo per produrre energia o degli ordigni nucleari.

2 Enrico Fermi e il progetto Manhattan Albert Einstein, altro fisico tedesco emigrato negli USA, il 2 agosto 1939, indirizzò una lettera al presidente Roosevelt con la quale lo informava della possibilità di costruire un nuovo tipo di bomba basata sulla fissione nucleare. Il 18 dicembre 1938 Fermi si reca a Stoccolma per ritirare il premio Nobel per la fisica e non rientrò in Italia a causa delle leggi razziali emanate tra settembre 1938 e giugno 1939 (sua moglie era ebrea) ed emigrò negli Stati Uniti d'america, così come gran parte delle personalità della fisica europea. A Fermi fu affidata la direzione della realizzazione del primo reattore nucleare, conosciuto come Chicago Pile-1, che entrò in funzione il 2 dicembre Famosa rimane la frase in codice con la quale fu comunicata alle autorità il successo dell'esperimento: «Il navigatore italiano ha raggiunto il nuovo mondo» parafrasando la scoperta dell'america da parte di Cristoforo Colombo. Con l'ingresso in guerra degli Stati Uniti nel dicembre del 1941, prese avvio il programma nucleare denominato "Progetto Manhattan che portò anche alla costruzione di alcuni reattori allo scopo di produrre plutonio da utilizzare per le prime armi nucleari.

3 Little boy, Fat man e la II guerra mondiale La task-force americana riuscì per prima ad utilizzare il processo di fissione nella costruzione di una bomba atomica. Il 6 agosto 1945 la prima bomba atomica, "Little Boy", fu lanciata sulla città giapponese di Hiroshima seguita tre giorni dopo dal lancio di un altra, "Fat Man", su Nagasaki causando la morte di migliaia di civili in entrambe le città ma anche la fine della seconda guerra mondiale. Negli anni '50 gli studi militari sull'energia nucleare furono portati avanti anche sul piano civile per la realizzazione dei primi reattori nucleari da utilizzare per le centrali nucleari. Nel 1954 il presidente degli Stati Uniti, Eisenhower, approvò ufficialmente il progetto "Atom for Peace" al fine di agevolare l'introduzione dell'energia nucleare per usi civili e per la produzione di energia elettrica. La prima centrale elettrica con reattore nucleare fu realizzato nel 1955 nello Stato dell'idaho.

4 Enola Gay è il nome della madre del pilota, Paul Tibbets. Enola Gay è il nome del bombardiere B-29 Superfortress che il 6 agosto 1945, poco prima del termine della seconda guerra mondiale, sganciò sulla città giapponese di Hiroshima la prima bomba atomica della storia ad essere stata utilizzata in guerra, soprannominata Little Boy

5 Detonazione a proiettile 300 cm di lunghezza, 71 cm di diametro e pesava kg Detonazione a proiettile. 1. Esplosivo convenzionale 2. Canna 3. Proiettile di uranio 4. Obiettivo LITTLE BOY Ha un'efficienza molto scarsa. Little Boy conteneva circa 64 kg di Uranio (Densità = 19 kg/dm 3, Volume = 64/19= 3,4 dm 3, cubo con s =1,5 dm) Peso = 4400 kg Dimensioni 3m x 0,74m Rendimento = t di Tritolo

6 Hiroshima, ore 8:16, 6 agosto 1945

7 Detonazione ad implosione FAT MAN 1. Esplosivo ad alto potenziale; 2. Esplosivo a basso potenziale; 3. Intelaiatura; 4. Iniziatori a neutroni; 5. Nucleo di plutonio; 6. Onda d'urto sferica di compressione del nucleo. Il nocciolo è una sfera cava con quasi 7 kg di plutonio 239, N. A. = 94 (Densità = 19,8 kg/dm 3, V= 7/19,8 = 0,35 dm 3, cubo di s = 0,7 dm). La bomba di Nagasaki aveva un'efficienza intorno al 15% (in pratica poco più di 1 kg di uranio partecipò alla fissione). Peso = 4900 kg Dimensioni 3,25 m x 1,52 m Rendimento = t di Tritolo La bomba esplose a un'altezza di 550 metri e sviluppò una potenza di 25 chilotoni, una potenza dunque molto più elevata di quella della bomba "Little Boy" ma dato che Nagasaki, circa abitanti, era costruita su un terreno collinoso, il numero di morti fu inferiore a quelli prodotti dalla prima bomba. Tra le e le persone perirono all'istante per l'esplosione e si stima che circa furono i feriti. Molte migliaia di persone, inoltre, morirono in seguito per le radiazioni.

8 Perché il fungo? La forma a fungo è dovuta al fatto che l aria, scaldata dall esplosione, sale trascinando fumo, polvere e detriti (che la rendono visibile). Poi, la sommità della colonna si raffredda a tende a tornare giù dai lati aprendosi appunto a fungo, in quanto il centro della colonna rimane più caldo della periferia. Accade in tutti i tipi di esplosione.

9 Effetti esplosione Gli effetti delle esplosioni nucleari nella troposfera si dividono in quattro categorie, sulla base dell'energia che si sviluppa per ognuno di essi: Esplosione o blast: 40-50% dell'energia totale; Irraggiamento termico: 30-50% dell'energia totale; Radiazioni ionizzanti: 5% dell'energia totale; Radiazione residua o fallout: 5-10% dell'energia totale.

10 Arricchimento uranio In natura esistono due tipi di uranio, l'isotopo 238 e il 235. L'uranio 238 è quello più abbondante mentre l'uranio 235 è molto raro. Soltanto quest'ultimo può essere utilizzato nei reattori nucleari a fissione. Il processo di arricchimento dell'uranio consente di ottenere una maggiore quantità di materiale utilizzabile per le centrali da un miscuglio di uranio 235 e 238. Il processo per arricchire l'uranio è svolto da un'attrezzatura piuttosto complessa e costosa. Il miscuglio di uranio 235 e 238 viene trasformato allo stato gassoso e introdotto in una centrifuga sotto vuoto. La 'centrifuga' consente la 'separazione' dell'uranio 238, più pesante, dall'uranio 235: il miscuglio arricchito di uranio 235 resta al centro della centrifuga, viene recuperato e sottoposto ad altre centrifughe. Il materiale ai bordi delle centrifughe, in cui abbonda l uranio 238 viene eliminato. Al termine del processo l'uranio gassoso è trasformato in pastiglie. L'uranio 235 al 3-7% è destinato all'utilizzo come combustibile delle centrali nucleari, l'uranio 235 al 80% è invece utilizzato per fini militari, in particolar modo per la costruzione delle bombe atomiche.

11 Cascata di centrifughe in un complesso di arricchimento statunitense URANIO ARRICCHITO U-235 U-238 Principio di funzionamento una centrifuga a gas Centrifughe

12 U n Kr Ba 3n energia NEUTRONE ATOMO CRIPTON NEUTRONE NEUTRONE ATOMO URANIO ATOMO BARIO NEUTRONE La tipica fissione nucleare L atomo di uranio si frantuma in due atomi più piccoli (cripton e bario) e tre neutroni liberi. 1.Protoni + neutroni = 236 prima e dopo la reazione, la massa totale finale è minore di quella iniziale 2.La massa mancante si trasforma in energia secondo la formula di Einstein: E=m c 2 (m= massa mancante, c=velocità dellla luce).

13 Schema reattore 300 C 150 atm 250 C 50 atm P2: Circuito secondario: non radioattivo B = generatore di vapore. T = turbina accoppiata con generatore G = generatore di corrente alternata (produce l elettricità che viene poi immessa in rete). K = condensatore (il vapore torna allo stato liquido) P2 = pompa del circuito secondario(rimette nel ciclo l acqua) P1:Circuito primario: radioattivo C = barre di combustibile (Ossido di uranio arricchito). M = moderatore( acqua: rallenta i neutroni e serve anche come refrigerante sottraendo calore per convenzione al nocciolo caldo). D = barre di controllo (regolano il flusso di neutroni assorbendoli. In genere a base di cadmio o boro). V = recipiente in pressione con pareti ricoperte con materiali che limitino la corrosione (in genere acciaio inossidabile di spessore di 5 mm). P1 = pompa del circuito primario (permette la circolazione dell acqua nel circuito primario: quest acqua entra in contatto con la parte radioattiva della centrale)

14 Schema nocciolo 1) Contenitore reattore 2) Schermo (calcestruzzo) 3) Combustibile ( U235, Pu239) 4) Moderatore(acqua pesante, grafite,..) 5) Refrigerante (acqua) 6) Riflettore di neutroni (berillo, grafite) 7) Barre di controllo (Cadmio, boro, ) 8) Barra di sicurezza (assorbitore di neutroni)

15 Pastiglie di Uranio preparate in forma di cilindro retto (o quasi), con altezze e diametri di circa 1-1,5 cm: 1 g di uranio fornisce la stessa energia che si ottiene con la combustione di 1500 kg di combustibile fossile. Gli elementi combustibili Il nocciolo viene, in un Pwr, assemblato con elementi in cui si trovano dei gruppi, in genere 17 X 17 barre, in ognuna delle quali vengono infilate le pastiglie di Uranio e impilate in recipienti rigidi fatti di una lega di zirconio, della lunghezza di circa 3 metri e mezzo. Vengono montate negli elementi, lasciando qualche spazio vuoto per le barre di controllo. Per fare un nocciolo completo servono circa 150 di questi elementi.

16 Le trasformazioni energetiche Dove avviene la trasformazione 1. Nocciolo 2. Reattore 3. Turbina 4. Generatore (Alternatore) Cosa avviene Fissione uranio Refrigerante si scalda Inizia a ruotare Induce corrente (flusso elettroni) Tipo Energia nucleare Energia termica Energia cinetica Energia elettrica

17 Rotore di una centrale È un grande elettromagnete: genera un campo magnetico di forza straordinaria capace di mettere in movimento una quantità enorme di elettroni quando ruota all interno dello statore.

18 Dalla centrale alla distribuzione

19 Centrale nucleare Confronto tra centrali Centrale termoelettrica

20 Quali sono i vantaggi del nucleare? (pag. 185 vol. A) Le centrali nucleari non emettono anidride carbonica ed ossidi di azoto e di zolfo, principali cause del buco dell ozono e Permette di ridurre l importazione di petrolio. E gli svantaggi? Vantaggi e svantaggi I prodotti della reazione di fissione e delle altre reazioni dei neutroni con i materiali che costituiscono in nocciolo, sono altamente radioattivi; I materiali radioattivi e alcune parti della centrale, sottoposti ad irraggiamento, come il nocciolo, devono essere trattati con tecniche particolari e una parte di esse immagazzinata in siti geologici profondi (depositi permanenti). Anche se i volumi di materiali da isolare sono relativamente modesti (1 g di uranio fornisce la stessa energia che si ottiene con la combustione di 1500 kg di combustibili fossili) si tratta di rifiuti altamente pericolosi. Attualmente le centrali nucleari a fissione producono circa il 18% dell'energia elettrica mondiale.