LA FISSIONE NUCLEARE

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1 LA FISSIONE NUCLEARE

2 ESISTONO DIVERSI TIPI DI URANIO TRA QUESTI CI SONO: URANIO 235 (fissile) URANIO 238 (non fissile)

3 FISSIONE DI UN NUCLEO Un neutrone viene sparato contro un nucleo di uranio 235 che si spacca in due frammenti e lascia liberi altri 3 neutroni La somma delle masse dei due frammenti e dei tre neutroni è minore della massa del nucleo di uranio La materia che è sparita si è trasformato in energia

4 FORMULA DI EINSTEIN Nel 1905, A.Einstein enunciò la sua teoria dell equivalenza tra materia ed energia,espressa nella formula: E=mc² Questa formula permette di calcolare quanta energia si ottiene da una certa quantità di materia; La costante c² corrisponde alla velocità della luce( km/s) elevata al quadrato

5 REATTORE NUCLEARE A FISSIONE È un contenitore in acciaio dove si fa bollire l acqua per trasformarla in vapore. L energia viene fornita dalle pastiglie di uranio che contengono circa il 3% di materiale fissile. La reazione a catena si sviluppa lentamente e libera un flusso regolare di energia in forma controllata.

6 LA BOMBA ATOMICA

7 Che cos è La bomba atomica o bomba A è il nome comune della bomba a fissione nucleare incontrollata. È un ordigno esplosivo,appartenente al gruppo delle armi nucleari, la cui energia è prodotta dalla reazione di fissione nucleare, cioè la divisione del nucleo atomico di un elemento pesante in due o più frammenti da parte di un neutrone, liberando un certo numero di neutroni. Questi possono, a loro volta, produrre nuove fissioni su altri nuclei innescando una reazione a catena e liberando grandi quantità di energia. Quando una bomba atomica esplode, l energia si libera in tre principali forme: Circa la metà si libera sotto forma di energia meccanica. Un terzo sotto forma di energia termica Il resto sotto forma di radiazioni ionizzanti.

8 Storia Il fondamento teorico è il principio di equivalenza massa energia espresso dall equazione E=mc 2 prevista nella teoria della relatività ristretta di Albert Einstein. Evidenzia la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide le applicazioni pratiche di questa scoperta. Intuì però che il principio di equivalenza massaenergia poteva spiegare il fenomeno della radioattività, ovvero che certi elementi emettono energia spontanea. L idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente con una reazione a catena fu sviluppata nella seconda metà degli anni 30 in seguito alla scoperta del neutrone. Alcune delle principali ricerche in questo campo furono condotte dall italiano Enrico Fermi. Un gruppo di scienziati europei rifugiatisi negli Stati Uniti d America ( Enrico Fermi, Leo Szilard, Edward Teller ed Eugene Wigner ) si preoccuparono del possibile sviluppo militare del principio. Nel 1939 gli scienziati Fermi e Szilard persuasero Albert Einstein a scrivere una lettera al Presidente Roosevelt per segnalare che c era la possibilità ipotetica di costruire una bomba utilizzando il principio della fissione ed era probabile che il governo tedesco avesse già disposto delle ricerche in materia. Il governo USA cominciò così ad interessarsi segretamente al progetto. Nel giugno del 1942 Robert Oppenheimer scoprì che era possibile costruire una bomba atomica e il 2 dicembre 1942 un gruppo di scienziati guidato da Fermi assemblò il primo reattore nucleare a fissione che raggiunse la condizione di criticità. La prima bomba all uranio fu sganciata sul centro della città di Hiroshima il 6 agosto La seconda bomba, al plutonio, fu sganciata su Nagasaki il 9 agosto Questi sono stati gli unici casi di impiego bellico di armi nucleari.

9 Materiali Fissili I materiali fissili utilizzati nelle bombe atomiche sono l uranio arricchito o il plutonio 239, che possono essere prodotti solo in paesi altamente industrializzati, essendo richiesta a monte l'esistenza di un ciclo di arricchimento dell'uranio o di reattori nucleari o altri sistemi capaci di produrre plutonio 239. Il prodotto di scarto del processo di arricchimento è il cosiddetto uranio impoverito. È classificato come scoria radioattiva, ma viene usato per costruire proiettili e bombe in sistemi d'arma convenzionali.

10 Principio Di Funzionamento Il principio della bomba atomica è la reazione a catena di fissione nucleare, il fenomeno fisico per cui il nucleo atomico di certi elementi si può dividere (fissione) in due o più nuclei di elementi più leggeri quando viene colpito da un neutrone libero. Gli isotopi che è possibile utilizzare sono l'uranio 235 e il plutonio 239. Questi metalli pesanti sono i materiali fissili per eccellenza. Però la reazione a catena avviene se, e solo se, la probabilità di cattura dei neutroni da parte dei nuclei fissili è sufficientemente alta, cioè in parole povere se questi nuclei sono numerosi e molto vicini fra loro. L energia meccanica si propaga dal punto dell esplosione come un onda trasportata dall aria; entro una certa zona tutto intorno al luogo dell esplosione qualunque costruzione viene rasa al suolo. La distanza entro cui si verifica la distruzione completa dipende dalla potenza della bomba ma anche dalla quota alla quale viene fatta esplodere. L aumento di pressione che si verifica in seguito all esplosione genera un onda d urto che viaggia ad una velocità di 500m/s. Se l esplosione avviene in aria a bassa quota, l onda d urto viene riflessa dal suolo dopo aver provocato un cratere profondo 80m e largo 700m. Qualche secondo dopo l esplosione il gas, caldissimo, acquista una velocità ascensionale risucchiando violentemente verso l alto l aria ed i detriti circostanti provocati dall esplosione stessa e assumendo la caratteristica forma a fungo. Altro effetto immediato dell esplosione è quello termico: si raggiungono in un istante temperature elevatissime di decine di milioni di gradi: tutto ciò che è incendiabile entro un raggio di una decina di chilometri prende fuoco. Circa un sesto dell energia liberata viene emessa sottoforma di radiazione ionizzanti. Queste provocano negli esseri viventi effetti che possono manifestarsi anche dopo parecchi anni dall esplosione. L esposizione alle radiazioni modifica la struttura delle cellula provocando danni la cui gravità dipende dall intensità della radiazione stessa e dal tempo di esposizione ad essa. Il danno si può manifestare immediatamente, per gli effetti meccanici, termici o delle radiazioni prodotte dall esplosione oppure può insorgere dopo anni con la comparsa di tumori e leucemie. I soggetti esposti possono portare un segno nascosto non meno terribile: l alterazione del loro patrimonio genetico.e un effetto che si può rilevare nelle generazioni successive. Le radiazioni sono infatti agenti mutageni cioè capaci di provocare mutazioni nel patrimonio genetico. Se queste mutazioni interessano le cellule sessuali i danni possono essere trasmessi ai figli.

11 Hiroshima e Nagasaki Il mattino del 6 agosto 1945 alle 8.16, l'aeronautica militare statunitense lanciò la bomba atomica "Little Boy" sulla città giapponese di Hiroshima. I tre aeroplani americani erano i bombardieri Enola Gay, The Great Artiste e un altro aereo chiamato Necessary Evil cioè "Male necessario che aveva la sola funzione di documentare l esplosione attraverso una serie di fotografie. Fu l Enola Gay che lanciò "Little Boy" sul centro di Hiroshima. L'esplosione si verificò a 580 metri dal suolo, con uno scoppio equivalente a 13 chilotoni di TNT, uccidendo sul colpo tra le e le persone. Circa il 90% degli edifici venne completamente raso al suolo. Tre giorni dopo fu sganciato l ordigno "Fat Man" su Nagasaki che provocò circa morti sul colpo ed ebbe effetti non meno devastanti del primo bombardamento.

12 Modello della prima bomba atomica al plutonio (nome in codice "The Gadget") impiegata nel "Trinity test".

13 Il fungo atomico, causato da "Fat Man" su Nagasaki, raggiunse i 18 km di altezza

14 Ricostruzione post guerra di "Little Boy".

15 Ricostruzione post bellica di "Fat Man".

16 U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE Prof. ssa R.D'Imporzano

17 CENTRALE NUCLEARE Il principio di funzionamento delle centrali nucleari é simile a quello delle centrali termoelettriche. Ma l energia termica che scalda l acqua contenuta in una caldaia si realizza nel REATTORE NUCLEARE. Nel reattore viene inserito il combustibile nucleare: cilindretti di uranio. Quindi viene innescato il processo di fissione nucleare controllato che produce il calore necessario a scaldare l'acqua e trasformarla in vapore ad alta pressione. Il vapore viene convogliato sulla turbina che ruotando trasmette la sua energia meccanica all'alternatore che a sua volta la trasforma in energia elettrica grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica. ENERGIA NUCLEARE ENERGIA TERMICA ENERGIA CINETICA ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE Prof. ssa R.D'Imporzano

18 CENTRALE NUCLEARE Il reattore è inserito in un cilindro d'acciaio inossidabile posto all'interno di un contenitore in cemento armato dello spessore di almeno un metro. Anche l'edifico che contiene il reattore é fatto di una solida struttura in cemento armato. In Italia esistevano quattro centrali nucleari, ma a seguito del referendum del 1987 hanno cessato la loro attività. U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE Prof. ssa R.D'Imporzano

19 CENTRALE NUCLEARE La fissione nucleare si ottiene bombardando con neutroni i nuclei di uranio 235 o di plutonio-239. In seguito alla scissione di un nucleo, si liberano alcuni neutroni, che, a loro volta, bombardano altri nuclei, e così via, la reazione, una volta innescata, si propaga autonomamente; e ciò avviene tanto rapidamente da causare un'esplosione. Nelle centrali nucleari la reazione a catena viene controllata sottraendo i neutroni in eccesso, in modo da poter immagazzinare l'energia liberata. Purtroppo questa grande fonte di energia se non controllata può causare grossi danni alla salute dell uomo. Vedi : Incidente alla centrale di CERNOBYL del 26 aprile 1986 ( di Chernobyl) Vedi: bomba atomica 6 agosto 1945 su Hiroshima che causò la morte immediata di persone e di negli anni successivi per effetto delle radiazioni. atomico di Hiroshima e Nagasaki Inoltre le scorie che restano alla fine del processo devono essere SMALTITE in luoghi sicuri, poiché restano radioattive per molti anni e hanno effetti teratogeni (tumori). U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE Prof. ssa R.D'Imporzano

20 CENTRALE NUCLEARE PERICOLO RADIAZIONI 1.Le radiazioni emesse dalle sostanze radioattive sono infatti estremamente pericolose. 2.Durante la reazione di fissione si accumulano prodotti di scarto che periodicamente devono essere eliminati dette SCORIE. Le scorie radioattive costituiscono il problema vero della fissione in quanto sono molto pericolose per gli esseri viventi e per l'ambiente, perché rimangono radioattive per decine di migliaia di anni. Emettono radiazioni gamma che sono altamente pericolose perché sono molto penetranti e possono danneggiare direttamente il nucleo delle cellule provocando tumori spesso localizzati a livello della ghiandola tiroidea. Non sono ancora stati trovati metodi sicuri per rendere queste scorie innocue e luoghi adatti per smaltirle e conservarle in modo che non inquinino. U.D.: LE CENTRALI ELETTRICHE Prof. ssa R.D'Imporzano