Energia
Difetto di Massa
Se si fanno un po’ di calcoli sulle masse dei nuclei si vede che il nucleo di deuterio, isotopo dell’idrogeno con 1 protone ed 1 neutrone ha massa uguale a 3,3434 per 10-27 kg.
Se si considerano le masse dei singoli nucleoni si trova che la somma delle loro masse è uguale a 3,3475 per 10-27 kg.
La differenza fra la somma delle masse dei nucleoni e la massa del nucleo di deuterio è diversa da zero ed uguale a 0,0039 per 10-27 kg.
Cioè mettendo assieme 2 nucleoni per formare un nucleo si perde della massa.
Che fine ha fatto questa quantità???
Nel caso appena visto la massa del nucleone è inferiore alla somma della massa dei nucleoni.
Questo è vero sempre!
La massa di un nucleo qualsiasi è sempre inferiore alla somma delle masse dei nucleoni componenti.
Questa quantità mancante si chiama “difetto di massa”
Ricordandoci della relatività e dell’equivalenza fra massa ed energia, possiamo concludere che la massa mancante si è trasformata in energia e più precisamente in energia di legame.
Energia di legame
Rappresenta la minima energia necessaria per separare il nucleo nei nucleoni componenti
L’energia di legame di un nucleo divisa per il numero dei nucleoni da l’energia di legame per nucleone, grandezza che caratterizza la stabilità nucleare
Se si traccia un grafico avente in ascisse il numero di massa ed in ordinate l’energia di legame per nucleone si osserva che questa quantità è compresa fra 7 e 9 eccetto che per i nuclei più leggeri
Essendo un indicatore di stabilità nucleare, cioè tanto maggiore è l’energia di legame per nucleone tanto più stabile è il nucleo, possiamo notare che il nucleo di Ferro è il nucleo più stabile.
E possiamo pensare che se i nuclei più leggeri del ferro si unissero, si porterebbero verso una configurazione più stabile.
Stesso obiettivo potrebbe essere raggiunto dai nuclei più pesanti del Ferro se perdessero pezzi.
Cioè i nuclei più leggeri del Ferro per avere un guadagno di energia possono subire la Fusione Nucleare, mentre i nuclei più pesanti possono subire la Fissione Nucleare
Ricapitolando i nuclei con A inferiore al Ferro tendono a fondersi per raggiungere una conformazione più stabile; mentre i nuclei con A superiore al Ferro tendono a fissionarsi cioè a dividersi per raggiungere una conformazione più stabile;
In entrambi i casi quando il nucleo originale si distrugge, si libera energia sotto forma di energia cinetica dei prodotti della reazione.
Si parla di reazioni esoenergetiche, reazioni cioè che rilasciano più energia di quanta ne assorbano per accadere.
Fissione Nucleare
Reazione nucleare in seguito alla quale un nucleo si scinde in 2 frammenti di massa molto simile fra loro, producendo neutroni, raggi beta, raggi gamma e liberando una grande quantità di energia sotto forma di energia cinetica dei prodotti di fissione.
Dato
un nucleo di Uranio 235, se lo si sottopone ad un bombardamento con neutroni, si
ottiene che l’Uranio fissiona separandosi in Tecnezio 136 più Cesio 97 più 3
neutroni.
Per non perdere di vista gli aspetti storici del tutto, dopo la scoperta del neutrone nel 1932 si iniziò a utilizzarlo per bombardare i vari nuclei per osservare i prodotti della reazione; per esempio bombardando con neutroni l’alluminio 27 si ottiene alluminio 28 che decade beta trasformandosi in silicio ed emettendo un elettrone ed un antineutrino elettronico.
Fermi nel 1934 pensò di irraggiare nuclei più pesanti come l’Uranio, ottenendo sostanze radioattive.
L. Meitner e O. Hahn, 2 fisici tedeschi, proposero che il nucleo di U bombardato con un neutrone si fosse diviso o “fissionato ” in 2 nuclei di elementi differenti con Z pari a circa la metà di quello di U. Hahn per questo motivo vinse il nobel per la fisica nel 1944;
Ciò che capita è che bombardando un nucleo pesante con neutroni si può generare un nucleo altamente instabile che fissiona in 2 nuclei di peso simile più neutroni.
In questo caso gli iniziali prodotti di fissione sono fortemente radioattivi e decadono γ e β verso elementi isobari ancora radioattivi in una serie di decadimenti che vede aumentare il periodo di decadimento.
Questi prodotti sono le scorie radioattive dei reattori a fissione.
Facendo un po’ di calcoli si vede che la somma delle masse dei prodotti di fissione è minore della massa del nucleo originale.
La massa mancante si è trasformata in parte in energia cinetica dei prodotti di reazione più pesanti e la restante parte in energia cinetica dei beta e gamma prodotti.
Si ottiene circa 1 MeV di energia per ogni nucleone.
Dalla fissione di 1 chilogrammo di U 235 si ottengono 820 milioni di MegaJoule.
Sviluppa una potenza esplosiva pari a 20000 tonnellate di Tritolo. Per avere un confronto utile sulla potenza esplosiva si pensi che per una strage come quella di Capaci in cui morì il Giudice Falcone con la sua scorta e furono distrutte diverse auto blindate, si utilizzarono solo 500 chilogrammi di Tritolo.
L’Uranio 235 è solo lo 0,7% dell’Uranio presente in natura; per ottenere maggiori quantità di materiale fissile si può agire per aumentare (arricchire) questa percentuale.
In ogni singola reazione di fissione sono prodotti in media 2,6 neutroni veloci;
Questi neutroni una volta rallentati possono provocare la fissione negli altri nuclei presenti nel campione e produrre altri k neutroni in una reazione a catena:
•Se K è minore di 1 la reazione tende ad esaurirsi;
•Se K è uguale a 1 la reazione si autosostiene;
•Se K è maggiore di 1 la reazione diventa esplosiva;
I fisici tedeschi poco prima della seconda guerra mondiale iniziarono gli studi sulla fissione intuendone le possibilità di fare di questa reazione un’arma potentissima.
Einstein pose al presidente degli stati Uniti Roosevelt, il problema che si sarebbe verificato se i nazisti avessero ottenuto per primi un ordigno utilizzando la fissione nucleare.
Roosevelt
creò il progetto Manhattan, un programma di ricerca per la realizzazione della
bomba a fissione negli USA, avviato nel 1942.
Vide coinvolti fra gli altri E. Fermi (1901-1954), J. Von Neumann (1903-1957), R. Oppenheimer (1904 -1967).
Per supportare tale progetto vengono costruiti i laboratori di Los Alamos, Oak Ridge; ed il progetto diede i suoi frutti.
Nel dicembre 1942 a Chicago, Fermi ottiene la prima reazione di fissione a catena che si auto alimenta in una pila all’Uranio.
Nel Luglio del 1945 si ebbe la prima esplosione di un ordigno nucleare, nel deserto del New Mexico
Le prime applicazioni della Fissione Nucleare erano bombe a fissione:
–“Little Boy” – che utilizzò come materiale fissile l’Uranio 235 –
–Little Boy fu lanciata il 06/08/45 su Hiroshima causando 75000 morti;
–“Fat Man” – che utilizzò come materiale fissile il Plutonio 239 –
–Fat Man fu lanciata il 09/08/45 su Nagasaki causando 70000 morti;
È una stima approssimata perché molti danni furono causati alla popolazione anche senza uccidere. I danni genetici causarono una trasmissione dei danni anche alle generazioni successive.
Fusione Nucleare
La fusione nucleare è il processo attraverso il quale si producono nuclei più pesanti dalla fusione di nuclei più leggeri.
Nella figura vediamo che dalla fusione di un nucleo di Deuterio e di un nucleo di Trizio, che sono due isotopi dell’Idrogeno, si ottengono un nucleo di Elio e un neutrone, e si ha un grande rilascio di energia.
Negli anni ‘20 il chimico Harkins parlo di fusione di atomi di Idrogeno.
Negli anni 30 Eddington parlò di temperature e pressioni assai elevate al centro del sole e delle stelle.
Alla fine degli anni ’30 Bethe propose che il sole e le stelle fossero delle centrali nucleari a fusione.
La massa dei nuclei prodotti è minore della somma delle masse dei reagenti. La massa che manca si è trasformata in energia che viene rilasciata; mediamente si producono circa 3,5 MeV per ogni nucleone.
Ricordando che nella fissione si produce circa 1 MeV per ogni nucleone, notiamo che dalla fusione si può produrre più energia rispetto alla fissione.
Per realizzare la fusione servono:
La prima bomba a fusione nota come bomba H, esplose nel 1952, fu una reazione incontrollata, scatenata da una precedente fissione, grazie alla quale si ottennero le condizioni di temperatura e pressione per un tempo sufficiente .
A così elevate temperature, la materia si porta nello stato di plasma, una miscela di elettroni e nuclei non confinati; i nuclei quindi acquistano l’energia necessaria per vincere la repulsione elettrostatica ed avvicinarsi per attivare la forza forte e fondersi.
La fusione produce meno isotopi radioattivi rispetto alla fissione, cioè il trizio e gli isotopi generati nelle strutture circostanti da reazioni indotte dai neutroni lenti rilasciati. Inoltre utilizza materiali che si trovano già o si possono produrre in grande quantità sulla terra e cioè l’Idrogeno, il Deuterio ed il Trizio. Non corre il rischio di diventare incontrollata come la fissione.
E ricordiamoci che produce 3 volte l’energia prodotta dalla fissione.
Purtroppo allo stato attuale ci sono dei limiti alla realizzazione della fusione.
Innanzitutto non esistono materiali che riescano a contenere il plasma a temperature così elevate.
È difficile mantenere le condizioni di pressione e temperatura per un tempo utile alla realizzazione della reazione.
Per poter avere il controllo (ancora non ottenuto) di una reazione di fusione si devono creare apparati molto complessi e molto costosi ora allo studio.
Produrre energia con la fusione sulla Terra è difficile!
Usi umani dell’Energia Nucleare
Con l’energia nucleare prodotta nei reattori a fissione si ricava circa il 20% dell’energia elettrica mondiale.
Altrimenti l’energia nucleare si utilizza per:
· Usi medici:
Radiodiagnosi: Radiografia, TAC, scintigrafia, mezzi di contrasto, etc.;
Radioterapia: Chemioterapia, brachiterapia, etc.;
· Usi agroalimentari:
Sterilizzazione, fertilizzazione, etc.;
· Usi industriali:
Misura e analisi, controllo qualità, sterilizzazione, etc
· Applicazioni ambientali:
Traccianti per inquinamento, per ricerca falde, etc.;
· Applicazioni varie:
Impianti antincendio, radiografi aeroportuali, datazione, etc.;
Attualmente sembra l’unica fonte in grado di soddisfare le crescenti richieste energetiche del genere umano.
Inoltre non si produce anidride carbonica e non si alimentano l’effetto serra ed il buco nell’Ozono.
Da una maggiore indipendenza energetica dal petrolio e dalle altre fonti non rinnovabili e questo potrebbe tramutarsi in una maggiore stabilità economica e politica.
I costi dell’intero ciclo del nucleare sono superiori ai costi che riguardano le altre fonti non rinnovabili.
Ci sono grossi problemi di gestione delle scorie radioattive prodotte, sia per lo stoccaggio che per lo smaltimento.
Esiste un rischio di incidenti agli impianti, sia casuali che provocati.
I primi usi che si sono fatti del nucleare erano a scopo bellico, ed avere armi nucleari è ancora molto in voga.