ENERGIA NUCLEARE E RADIOATTIVITA ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE «MARCONI» FORLI PROF. ROBERTO RIGUZZI

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1 ENERGIA NUCLEARE E RADIOATTIVITA ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE «MARCONI» FORLI PROF. ROBERTO RIGUZZI

2 DEFINIZIONI 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. 2

3 ISOTOPO Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno le stesse proprietà chimiche ma masse diverse determinate dal diverso numero di neutroni. 3

4 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. 4

5 1)Nuclei troppo ricchi di neutroni decadono emettendo elettroni veloci dette particelle Beta ( ) 2)Nuclei con numero atomico superiore ad 83 e numero di massa superiore a 220 decadono emettendo particelle Alfa ( ) positive, cioè nuclei di elio 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 5

6 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 6

7 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. 7

8 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 8

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10 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. Esempio: l'uranio 238 (92 protoni neutroni) emette radioattività alfa trasformandosi in torio-234 (90 protoni neutroni), con un tempo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni U Th + 4 2He (Particella alfa) Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta. 10

11 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). 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 Co Ni + e- (particella beta) Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad 11 esempio, pochi millimetri di alluminio).

12 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 12

13 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. 13

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15 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, 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 15

16 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). 16

17 MISURA DELLA RADIOATTIVITA (3) Il contatore Geiger, inventato nel 1913 in Inghilterra da Hans Wilhelm Geiger ( ), 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 ioneelettrone. 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. 17

18 EFFETTI La dose letale 50 %, DL 50 o LD 50, 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' LD 50 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 18

19 L'uranio naturale è composto da una miscela di tre isotopi, 234 U, 235 U, e 238 U, di cui 238 U è il più abbondante (99,3%), mentre il 234 U costituisce una percentuale trascurabile del totale. Questi tre isotopi sono radioattivi; quello dotato di tempo di dimezzamento più lungo è il 238 U (emivita: 4, anni), seguono 235 U ( anni) e 234 U (2, anni). 238 U emette prevalentemente particelle alfa decadendo in 234 Th. A sua volta, questo decadimento, continua la catena fino a giungere al 206 Pb, stabile. 19

20 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 235 U rispetto al più comune e meno radioattivo 238 U. Questo processo è chiamato arricchimento. L'uranio si considera "arricchito" quando la frazione di 235 U è considerevolmente maggiore del livello naturale (circa lo 0,7%), tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%. 235 U è il tipico materiale fissile per i reattori nucleari a fissione ed è utilizzabile per la produzione di armi nucleari se sufficientemente puro. 20

21 Il processo di concentrazione dell'uranio 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 (UF 6 ), 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 UO 2. 21

22 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. 22

23 La reazione nucleare a catena indotta da neutroni, in una massa di 235 U avviene secondo uno schema di questo tipo: 235 U + n 236 U "instabile" 144 Ba + 89 Kr + 3 n + 211,5 MeV La formula esprime ciò che succede ad un nucleo di uranio ( 235 U) 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 ( 236 U) che però dura solo un tempo brevissimo dopodiché l'elemento instabile si spezza formando due nuovi elementi. 23

24 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. 24

25 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.

26 FISSIONE DELL ATOMO 26

27 1 2 27

28 FISSIONE DEL 232 Th 28

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 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. 29

30 Per ottenere un prodotto raffinato (yellowcake), che contenga l 80% di ossidi di uranio (U 3 O 8 principalmente), il materiale estratto deve essere portato presso un impianto industriale e trattato con acqua e acidi forti e altri prodotti chimici. Le 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 (UF 6 ) e per centrifugazione si arricchisce l 235 U. Questo viene trasformato in UO 2 e messo in barre di Zr lunghe 3,5 m. 30

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33 Fusione del nocciolo 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.

34 Fusione del nocciolo

35 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 + H 2 O FeO + H 2 Zr + 2H 2 O ZrO 2 + 2H 2 U + 2H 2 O UO 2 + 2H 2 2Pu + 3H 2 O Pu 2 O 3 + 3H 2 La reazione dell idrogeno con l ossigeno è responsabile delle esplosioni che si sono osservate a Fukushima. 2H 2 + O 2 2H 2 O

36 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 36

37 238 U nella reazione di fertilizzazione con un neutrone si trasforma in 239 Pu, che a sua volta può essere utilizzato come fissile o per scopi bellici. L'isotopo 239 Pu 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 U + n U "instabile" Np + e Pu + e Pu viene normalmente prodotto nei reattori nucleari esponendo 238 U a un flusso di neutroni. Questo si trasforma in 239 U che subisce due rapidi decadimenti beta, trasformandosi prima in 239 Np e successivamente in 239 Pu. Al termine dell'esposizione il 239 Pu formatosi risulta mescolato ad una ingente residua quantità di 238 U e a tracce di altri isotopi dell'uranio, nonché di eventuali prodotti di fissione; viene purificato per via chimica. 37

38 Se 239 Pu cattura a sua volta un neutrone, si trasforma però in 240 Pu, 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 239 Pu da 240 Pu, 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 238 U non si protrae mai per tempi troppo lunghi, ma si tende a separare da esso il 239 Pu prima che questi possa raggiungere concentrazioni sufficienti per poter reagire in maniera significativa con i neutroni incidenti. 38

39 Per via della sua facile fissione e per la sua disponibilità, il 239 Pu 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 239 Pu ha tempo di dimezzamento (emivita) di anni. 39

40 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. 40

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42 L'isotopo 238 Pu 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 238 Pu 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). 42

43 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 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. 43

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45 L'americio fu sintetizzato per la prima nel 1944, sottoponendo 239 Pu a successive reazioni di cattura neutronica in un reattore nucleare. Questo produsse prima 240 Pu e poi 241 Pu che a sua volta si convertì in 241 Am tramite un decadimento beta Pu + n Pu + n Pu Am + 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 241 Am. Trova applicazioni domestiche in alcuni modelli di rivelatori di fumo, dove viene usato in qualità di sorgente di radiazioni ionizzanti. 241 Am è stato anche usato come sorgente portatile di raggi gamma per l'uso in radiografia e come mezzo per misurare lo spessore del vetro. 242 Am è un emettitore di neutroni ed ha trovato uso nella radiografia a neutroni; è tuttavia un isotopo estremamente costoso da produrre in quantitativi utilizzabili. 45

46 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: 2 H + 3 H 4 He + 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: 6 Li + n 3 H + 4 He + 4,8 MeV e 2 H + n 3 H + 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 L' Unione Sovietica sperimentò il suo primo ordigno (alla cui realizzazione molto contribuì Andrej Sakharov) nell'agosto Seguirono il Regno Unito, la Repubblica Popolare Cinese e la Francia rispettivamente nel 1957, 1967 e 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 volte più potente della bomba all'uranio lanciata su Hiroshima (Little Boy). 46

47 FORMAZIONE DI UN NUCLEO ATTRAVERSO LA FUSIONE NUCLEARE 47

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