seconda lezione

uno sguardo
sul problema
energetico
3 lezioni
2^ parte
riassunto della puntata precedente,
radioattività
Energia nucleare di fusione
alcune fonti energetiche
alternative
Struttura dell’atomo
modello atomico
Nel 1913 il fisico danese Niels Bohr intuì per primo che le
leggi dell’elettromagnetismo non fossero valide per gli atomi e
le molecole e inventò un modello atomico, secondo il quale gli
elettroni possono solo occupare certe orbite e non altre;
ad ogni orbita permessa, si deve associare una ben
determinata energia potenziale.
Bohr, pur introducendo una quantizzazione dell’energia,
studiava la situazione dell'elettrone utilizzando ancora le leggi
della fisica classica
Le orbite più vicine al nucleo sono quelle a cui compete
l’energia minore ed anche quelle normalmente occupate dagli
elettroni.
Di solito gli elettroni più interni dell’atomo occupano le loro
orbite in modo stabile, mentre l’elettrone più lontano, elettrone
ottico, che più facilmente interagisce e scambia energia con
l’esterno, può spostarsi dall’orbita normalmente occupata ad
altre orbite più energetiche.
Però un elettrone può accedere ad una orbita più esterna
solo se riceve quella quantità di energia pari alla differenza
tra l’energia della sua orbita e quella in cui deve andare.
Dopo un certo tempo non potendo rimanere eccitato, l’elettone
ritorna nell’orbita iniziale cedendo la differenza di energia sotto
forma di radiazione.
.
Il comportamento degli elettroni viene descritto dalle
leggi della meccanica quantistica, infatti per essi non
è possibile poter misurare contemporaneamente le
posizioni, le velocità, le accelerazioni, ecc,.
Le conseguenze del principio di indeterminazione,
dato che il valore di h costante di Plank, è molto
piccolo (6.6* 10-34Js), sono del tutto trascurabili per
oggetti di dimensioni normali; sono tuttavia molto
importanti quando abbiamo da eseguire misurazioni
che riguardano corpi molto ‘piccoli’ come gli elettroni.
• In questa situazione, il concetto stesso di «orbita elettronica»
perde qualsiasi significato, e nel modello atomico attualmente
accettato le orbite sono scomparse, sostituite da zone più o
meno estese che vengono chiamate orbitali, nelle quali
l’elettrone ha maggior probabilità di essere che in altre.
• Si puó dire che gli orbitali hanno varie forme e si protendono
lontano dal nucleo in modo diverso, in relazione ai numeri
quantici che ne caratterizzano la funzione d'onda. Ogni
funzione d'onda, o orbitale, descrive uno stato dell'atomo. Le
diverse funzioni d'onda di un atomo si denotano indicando i
valori dei tre numeri quantici: n, l, m; a ogni terzetto di numeri
quantici corrisponde un orbitale ben preciso.
Nucleo dell’atomo
Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa
dell’atomo. Esso è costituito infatti da protoni e neutroni, che
sono circa 2000 volte più pesanti degli elettroni che vi ruotano
intorno.
Per indicare un nucleo atomico si usa in genere la
AK
notazione
dove
Z
K rappresenta l’elemento chimico,
Z il numero atomico, dato dalla somma del numero di protoni
A il numero di massa,dato dalla somma di Z e del numero dei
neutroni .
L’espressione 235U, ad esempio, rappresenta l’isotopo
dell’uranio di numero di massa 235
ISOTOPI Atomi con stesso Z ma diverso numero di neutroni
Il nucleo
formato da protoni e neutroni
Particella
massa(kg)
carica(C)
p+
1,672623.10-27
+1,6021177.10-19
n0
1,674928.10-27
0
e-
0.000911.10-27
-1,6021177.10-19
Dimensioni nucleo : 10-15 m (fm)
Dimensioni atomo : 10-10 m (Ǻ)
Interazione forte
• Cosa tiene assieme i componenti
del nucleo?
• I protoni tutti carichi positivamente,
dovrebbero respingersi, con una forza
enorme, dunque deve esistere una forza
molto più intensa di quella
elettromagnetica, è l’ interazione forte.
• Per scoprirne le sue caratteristiche
facciamo una prima osservazione
• La massa dei vari nuclei, sperimentalmente risulta sempre
leggermente inferiore alla somma delle masse dei protoni e dei
neutroni che lo compongono.
• Tale difetto di massa trova la sua spiegazione nella teoria
della relatività.
• Se noi volessimo scomporre un nucleo nei suoi
componenti,dovremmo compiere un lavoro per vincere le forze
che li tengono uniti, ossia fornire energia al sistema, tale è
l’energia di legame.
• Per la legge di conservazione di massa-energia (E=mc2)
possiamo dire che il difetto di massa di un nucleo è pari in
valore assoluto alla massa della sua energia di legame
• Come l’interazione fra particelle cariche avviene per scambio di
fotoni virtuali, l’interazione fra nucleoni avviene mediante lo
scambio di gluoni , elettricamente neutri, dotati di carica di
colore.
Difetto di massa ed energia di legame nucleare
il difetto di massa m rappresenta la frazione di materia convertita in
energia e che si libera quando protoni e neutroni formano un nucleo
Normalmente l’energia delle particelle
viene misurata in elettronvolt (eV)
Energia di legame per nucleone
definisce stabilità del nucleo
• Se analizziamo l’andamento dell’energia di legame
per singolo nucleone in funzione della massa dei vari
nuclei, scopriamo che essa cresce rapidamente dai
nuclei leggeri fino a quelli con massa prossima a 60 in
cui raggiunge il valore massimo e poi diminuisce
lentamente andando verso i nuclei pesanti.
• Ciò si può giustificare ammettendo che il raggio
d’azione dell’interazione forte sia estremamente
breve, ossia inferiore alle dimensioni di un nucleo
di massa media.
• Ciò spiega anche come al crescere del numero di
massa A i nuclei diventino via,via più instabili e come
in natura non possano esistere nuclei il cui peso
superi un certo valore
• Il grafico presenta un massimo in corrispondenza al valore di
A corrispondente al nucleo del ferro Questo significa che il
nucleo del ferro è più strettamente legato di qualunque altro
nucleo. La curva è crescente per i nuclei con A minore di 60 e
decrescente per quelli con A maggiore dello stesso valore.
• Le reazioni che possono avvenire con vantaggio energetico,
quindi, sono quelle di fusione tra nuclei leggeri che diano
come risultato un nucleo non più pesante del ferro, e quelle di
fissione di nuclei molto pesanti: è in queste reazioni che viene
liberata energia, in quantità pari alla differenza di energia di
legame tra i prodotti e i reagenti.
• Dunque, risulta evidente che due sono i processi nucleari che
si possono sfruttare per produrre energia: la fissione di nuclei
pesanti e la fusione di nuclei leggeri.
Fissione nucleare
Il funzionamento di una centrale a fissione nucleare, in linea di principio, è
molto simile a quello di una centrale termoelettrica convenzionale, soltanto
che l’acqua viene riscaldata al punto di azionare una turbina da un reattore
nucleare, invece che da nafta o metano
Nei reattori nucleari a fissione vengono indotte, sostenute e controllate
reazioni a catena di fissione dell’uranio 235. Un nucleo di questo isotopo,
bombardato da un neutrone, si spezza in due frammenti, generando grandi
quantità di energia (dovuta al difetto di massa) e altri neutroni che a catena
provocheranno altre reazioni di fissione.
Per ottenere materiale fissile che sia adatto allo scopo(che emetta neutroni)
è necessario però arricchire l’uranio,aumentando la concentrazione
dell’isotopo uranio 235,rispetto al meno radioattivo 238.
Perchè una reazione nucleare a catena possa svolgersi in maniera continua
nel tempo deve essere presente una certa massa di materiale fissile: la
massa critica , l'elemento moderatore può essere la grafite o l’acqua
pesante.
L’energia di fissione nucleare
L’energia
nucleare
si
sprigiona
per
trasformazione dei nuclei di uranio (isotopo 235)
bombardati da neutroni
L’uranio viene scisso in nuclei di atomi radioattivi e
neutroni secondari:
235 U
+ n → 148La + 85 Br + 3 n + E
Lattanzio e berillio
L’energia liberata è all’incirca 3*10-11 J per nucleo di uranio235.
vantaggi
• L’analisi dell’equazione di fissione dell’uranio 235 consente di evidenziare
subito il principale vantaggio del nucleare: l’enorme quantità di energia
che ogni singola fissione produce. La quantità di energia che si può ricavare
da un nucleo atomico, infatti, è di gran lunga maggiore di quella che si
ottiene da qualunque reazione chimica , cioè dalle trasformazioni che
coinvolgono solo la parte più esterna dell’atomo. Nella combustione del
petrolio, ad esempio, 1 kg di combustibile produce una quantità di calore
che corrisponde a circa 1,6 kilowattora; in una tipica reazione nucleare di
fissione, invece, la stessa quantità di uranio 235 sviluppa calore equivalente
a 18,7 milioni di kilowattora.
• Tenuto conto anche delle fasi di estrazione e di processamento, inoltre, il
costo di produzione dell’energia nucleare è in assoluto il più basso di tutte
le fonti di energia, rinnovabili e non rinnovabili.
• Rispetto ai combustibili fossili, la produzione di energia nucleare non
comporta l’emissione di gas nocivi quali anidride carbonica, ossidi di zolfo e
di azoto, principali responsabili di fenomeni ambientali quali le piogge acide
e l’effetto serra.
• Infine, l’alto rendimento del combustibile nucleare rispetto a quello fossile
comporta anche vantaggiosi risparmi di spazio in fase di trasporto e in
termini di dimensioni degli impianti
svantaggi
• Gli svantaggi dello sfruttamento dell’energia nucleare derivano
dall’elevato livello di radioattività che accompagna tutte le fasi
del processo produttivo, dalla reazione di fissione vera e
propria fino allo smaltimento dei rifiuti. Tutta questa radioattività
impone una serie di rigorosissime misure di controllo e
protezione nelle diverse fasi di produzione e va ad accrescer
notevolmente i costi per la costruzione e la gestione degli
impianti
• Irrisolto è il problema dello smaltimento delle scorie
• Inoltre, per quanto molto piccolo, e per quanto i sistemi di
sicurezza e controllo siano sempre più affidabili, rimane sempre
il rischio di gravi incidenti come quello di Černobyl
• Altro grave problema è la proliferazione controllata e non
controllata della armi nucleari e i pericoli connessi al
terrorismo.
Rubbiatron
L' Enea sta sperimentando già da qualche tempo una nuova tecnologia
messa a punto dal premio Nobel Carlo Rubbia che consentirebbe di
“bruciare” le scorie radioattivee in particolare quegli elementi che hanno
vita troppo lunga per garantire la sicurezza ambientale futura”. L’ attività
sperimentale di Rubbia si basa sull’utilizzo del sistema ADS, ovvero
sull’accoppiamento tra un acceleratore di particelle ad altissima intensità e
un dispositivo sottocritico nucleare”. “L’ADS è il frutto della reciproca
fecondazione di tecnologie indipendenti: gli acceleratori di particelle come
quelli usati per la ricerca, i reattori – operati in regime sottocritico - refrigerati
a piombo fuso, come quelli usati nei sottomarini russi, e il trattamento dei
combustibili usati”.
Il motore nucleare ideato da Carlo Rubbia è una delle numerose applicazioni
pratiche di un esperimento, il TARC, nato con finalità di ricerca pura.
L'esperimento TARC è stato avviato da Carlo Rubbia nel 1996 al Ps, il
Sincrotrone a protoni del Cern di Ginevra. Scopo dell'esperimento era
studiare il comportamento di alcuni particolari atomi nelle reazioni di fissioni
nucleare. Da questo esperimento lo scienziato italiano è riuscito a ricavare
numerose applicazioni pratiche, ora in fase di sviluppo.
"L'idea, dunque, è stata quella di provocare una trasformazione delle scorie
radioattive, una trasmutazione, bombardandole con neutroni che si ottengono
sparando protoni nel piombo fuso. Così, uranio e plutonio diventano sostanze
diverse che non emettono più radiazioni o devono essere contenuti per un periodo
ben più breve, non oltre 5-600 anni: vale a dire un tempo nel quale ragionevolmente
si può pensare di gestire un controllo. Al Cern abbiamo già condotto esperimenti per
verificare la nuova idea e il sistema funziona. Per sparare i protoni utilizzo un
acceleratore di particelle come quelli che normalmente utilizziamo nello studio della
materia. La difficoltà tecnica forse maggiore è l'impiego del piombo fuso, ma ci
possono dare una mano i russi; loro hanno sviluppato questa tecnologia per scopi
militari, e ho già contatti con gli scienziati di Mosca che sono interessati al progetto".
Ma oltre a distruggere le scorie radioattive, la macchina di Rubbia nasce con
l'obiettivo di generare energia, con un vantaggio sui generatori nucleari finora “Se
nel piombo fuso immergo del torio invece delle scorie, i neutroni che lo colpiscono
provocano una fissione nucleare, cioè una reazione nella quale ottengo calore
utilizzabile per generare energia elettrica. Perché è più sicuro degli altri? Primo:
utilizzo come elemento combustibile il torio, che si trova normalmente nella crosta
terrestre, ma è tre volte più abbondante dell'uranio e, soprattutto, elimino quasi
completamente le scorie radioattive, e in particolare il terribile plutonio. Secondo: a
tenere acceso il reattore ci pensa l’iniettore di protoni. Se c’è un problema, lo spengo
come giro l’interruttore della luce e la reazione si blocca istantaneamente. Nulla può
sfuggire di mano e portare all’incubo della fusione del nocciolo, come accadde a
Chernobyl."
r
u
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b
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a
t
r
o
n
radioattività
radioattività
• Si definisce radioattività la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi
di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti.
• Nell’ambiente esiste un fondo di radioattività naturale generato dai raggi
cosmici e dagli elementi radioattivi naturali presenti nelle rocce e nella
biosfera.
Il contributo più importante, pari a circa il 52%, a questo fondo di
radioattività dell’ambiente si deve all’uranio 238 e ai suoi discendenti della
serie radioattiva di cui è capostipite, in particolare il radon,. Un altro 15%
ai raggi cosmici, che, benché schermati dagli strati alti dell’atmosfera,
penetrano in minima percentuale fino alla biosfera.
Un chilogrammo di granito ha una radioattività naturale di circa 1000
Becquerel
Un litro di latte ha una radioattività naturale di circa 80 Becquerel
Un litro di acqua di mare ha una radioattività naturale di circa 10 Becquerel
Un individuo di 70 kg ha una radioattività dell'ordine di 8000 Becquerel,
causata dalla presenza, nel corpo umano, di isotopi radioattivi naturali (in
gran parte, potassio-40)
• Nel 1896 l'esistenza della radioattività è stata scoperta con i
lavori dello scienziato francese Henry Becquerel e quella dei
coniugi Curie.
• Becquerel osservò accidentalmente che i sali di uranio
emettevano radiazioni capaci di impressionare una lastra
fotografica, nonostante questa fosse protetta da uno schermo
opaco ai raggi luminosi.
• I coniugi Curie riuscirono ad isolare il torio, il polonio e il radio,
con analoghe proprietà
• L’ unità di misura della quantità di radioattività viene espressa
con il numero di disintegrazioni nell'unità di tempo di nuclei
radioattivi. L'unità di misura é il becquerel, con simbolo Bq.
•
1 becquerel = 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo.
Poiché questa unità di misura é assai piccola, la radioattività si
esprime molto spesso in multipli di becquerel
Radiazioni emesse dalle sostanze radioattive
• decadimento alfa :l'atomo perde una particella α (cioè un atomo di elio
privo dei suoi elettroni ovvero due protoni e due neutroni).
Esempi: l'uranio 238 (92 protoni + 146 neutroni) si trasforma in torio-234 (90
protoni + 144 neutroni), con un tempo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni
Il radio (Ra 226 con tempo di dimezzamento di 1600 anni) è instabile e si
trasforma in Radon (Rn 222)..
Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere
completamente bloccate da un semplice foglio di carta, ma sono fortemente
ionizzanti.
• decadimento beta : può essere di due tipi
- un neutrone del nucleo si disintegra in un protone, un antineutrino
(elettricamente neutro) e in un elettrone, che viene emesso.
-un protone si trasforma in un neutrone con emissione di un positrone,
(analogo all’elettrone ma con carica positiva) e di un neutrino
Tali disintegrazione porteranno alla formazione di un isotopo di altro
elemento chimico, avente numero atomico aumentato ( o diminuito)di una
unità
Esempio: il cobalto-60 (27 protoni + 33 neutroni) si trasforma in nichel-60
(28 protoni + 32 neutroni), con un tempo di dimezzamento di 5,3 anni.
Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma
possono essere completamente bloccate da piccoli spessori
di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di
alluminio) e sono mediamente ionizzanti.
Si deve osservare che in entrambi i tipi di decadimento
l’elettrone( negativo o positivo) che si origina non è
preesistente nel nucleo. Il decadimento beta indica che in
natura esiste un interazione diversa dalle altre osservate
capace di trasformare protoni in neutroni e viceversa,
creando elettroni o positroni e questa forza scoperta da
Fermi nel 1934 è l’interazione debole.
Nel 1967 Weinberg e Salam hanno formulato una teoria nota
come teoria elettrodebole, in base alla quale la forza
elettromagnetica e la nucleare debole sarebbero due
manifestazioni della stessa forza
• decadimento gamma : é una onda elettromagnetica come la luce o i raggi
X, ma assai più energetica (tra 0.01 e 1 MeV), ad altissima frequenza. La
radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una
radiazione beta.
Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo (pensiamo al modello a strati
del 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.
Esempio di impiego tecnico frequente: quando il cobalto-60 si trasforma
per disintegrazione beta in nichel-60, raggiunge il suo stato di equilibrio con
emanazione di due successive radiazioni 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.
Caratteristico di ciascuna specie di nucleo radioattivo è il
tempo di dimezzamento ovvero il tempo costante nel quale si
riduce a metà il numero dei nuclei che decadono
Spettro elettromagnetico
applicazioni
• In fisica si utilizza la radioattività comunemente per la ricerca nel campo
delle particelle elementari.
• Nell’industria, per il controllo di qualità attraverso le tecniche radiografiche e
tecniche di analisi in traccia: le impurità (tracce) della sostanza in esame,
non rivelabili con altri mezzi, vengono individuate analizzando i radioisotopi
prodotti nel processo.
•
In campo scientifico sono impiegate per svariati usi: per la datazione di
reperti archeologici, di siti geologici o organismi.
Sulla base di sostanza radioattiva attualmente presente nei reperti
geologici,archeologici o di origine biologica,del quantitativo di sostanza figlia
nella quale si è trasformata la sostanza radioattiva padre e sul tempo suo di
semitrasformazione si può risalire all’epoca in cui i reperti si sono formati o
erano viventi
Ad es. per la valutazione dell’età dei reperti biologici si sfrutta la presenza
nell’atmosfera di una piccola percentuale di carbonio radioattivo. Con la
morte l’organismo smette di assimilarlo e permane solo il processo di
decadimento radioattivo
• Ma certamente uno dei campi di applicazione più importanti è
quello medico: le radiazioni prodotte da sorgenti artificiali
opportune vengono ampiamente utilizzate in diagnostica e
nella radioterapia.
• Una applicazione molto interessante è quella dell’uso come
traccianti o marcatori per lo studio di processi biochimici.
Per capire il funzionamento si deve tener presente che dal
punto di vista chimico, gli isotopi di un elemento contenenti
nuclei radioattivi si comportano esattamente come i
corrispondenti isotopi stabili: le proprietà chimiche dipendono
infatti solo dal comportamento della nuvola di elettroni che
circonda il nucleo. Pertanto si possono preparare composti
chimici marcati,cioè contenenti isotopi radioattivi i cui nuclei
continueranno ad emettere radiazioni rilevabili mediante
contatori. In questo modo si potrà rilevare eventuali blocchi
nel sistema circolatorio, verificare se un dato organo assorbe
libera o filtra determinate sostanze in modo adeguato
•
Si ricorre alle radiazioni anche per sterilizzare sostanze che
non possono essere trattate coi mezzi tradizionali
•
L’applicazione più recente, ancora in fase di sperimentazione,
vede la radioattività fornire energia a lungo termine
all’interno di microscopiche batterie.
Il modello oggi più attendibile, messo a punto presso i
laboratori della Cornell University, funzionerebbe con il nichel
63 che, decadendo, produrrebbero il movimento di una parte
mobile del congegno; tale movimento potrebbe essere
sfruttato direttamente per il funzionamento di determinati
dispositivi o, in alternativa, potrebbe fornire energia da
immagazzinare in forma magnetica.
Le applicazioni più interessanti del dispositivo riguarderebbero
la microelettronica e i dispositivi medici impiantabili.
Fusione nucleare
Processo nucleare che si ottiene quando, vincendo le forze di
repulsione elettrica fra cariche dello stesso segno, due nuclei di
elementi leggeri si fondono a formare il nucleo di un elemento
più pesante.
La fusione nucleare è la reazione che avviene nel nucleo delle
stelle, e quindi anche del sole, producendo enormi quantità di
luce ed energia.
La reazione di fusione nucleare è normalmente ostacolata dalla
forza di repulsione o coulombiana. Se la reazione riesce a
realizzarsi è perché, a distanze estremamente ravvicinate, su di
essa predomina la forza di attrazione nucleare (interazione
nucleare forte o forza forte).
Questa forza provoca la fusione dei nuclei e il conseguente
rilascio di una quantità di energia pari alla differenza fra i valori
delle masse prima e dopo la reazione.
• Su scala nucleare, infatti, vale l’equivalenza di massa
ed energia (E = mc²), ed è il difetto di massa ciò su cui
si fonda la possibilità di sfruttare il processo per la
produzione di energia. Tale energia solitamente è
dell’ordine di alcuni MeV (milioni di elettronvolt).
• Per avvicinare i nuclei a tal punto da vincere la forza
repulsiva coulombiana ed entrare nel range della forza
di interazione forte, è però necessario spendere
dell’energia dall’esterno. Solo se il bilancio fra
l’energia ottenuta nella reazione e quella spesa per
vincere la forza di repulsione tra i nuclei è positivo il
metodo risulta conveniente. Una reazione tipica di
fusione è quella in cui un nucleo di deuterio e uno di
trizio si fondono per formare un nucleo di elio,
rilasciando di energia
fusione nucleare
La fusione consiste nell’urto tra due nuclei dotati di
elevata energia che da’ luogo a un riordinamento
reciproco dei neutroni e protoni in modo da
formare
due o più prodotti di reazione con
sviluppo di energia.
Esempio:
2H
+ 3H →
4He
2+
n + 17.6 MeV
Apparentemente l’energia liberata in queste reazioni è inferiore a quella
associata alla fissione dell’uranio (~230 MeV), però se calcoliamo che in
un kg di deuterio ci sono
1kg
---------------------- = 3* 1026 nuclei
1.67*10-27 *2 kg
Si comprende che la fissione di un kg di deuterio con il necessario numero
di nuclei di trizio fornisce una energia pari a
5*1027 MeV= 8*1014J
Dunque la reazione di fusione è più esoenergetica di quelle di
fissione, ma molto più difficile da realizzare.
Per avere un’idea degli ordini di grandezza, pensiamo che l’energia
repulsiva di due protoni distanti 10-15m raggiunge il valore
Nm2 (1.6*10-19C)2
E = 9* 109------- ---------------------- = 2.3 10-13 J
C2
10-15 m
Il valore è enorme, riferito al sistema in esame, se si
considera che
- L’energia cinetica media di un gas è proporzionale
alla temperatura assoluta e la costante di
proporzionalità è costante per tutti i gas.
Ē = 3/2 kT
dove k è la costante di Boltzmann ed è
k = 1.38 * 10-23 J/K
- una energia di 2.3 10-13 J corrisponde pertanto
1010K che è la temperatura dei nuclei delle stelle!
Breve storia
• La prima fusione nucleare artificiale fu realizzata all’inizio degli anni Trenta,
mediante il bombardamento di un bersaglio di deuterio, con nuclei di trizio
ad alta energia accelerati da un ciclotrone; il bilancio energetico della
reazione fu negativo, poiché doveva essere impiegata molta energia per
accelerare i nuclei.
• Un considerevole rilascio netto di energia per fusione fu ottenuto per la
prima volta negli anni Cinquanta, nell’ambito delle sperimentazioni sulle armi
nucleari da parte di Stati Uniti, Gran Bretagna, Unione Sovietica e Francia.
In questo caso il bilancio energetico fu positivo, ma il rilascio fu breve e
incontrollato, e pertanto non utilizzabile per la produzione di energia
elettrica.
• Nel 1958 a Ginevra, vi fu la Conferenza Atomi per la Pace. Si capì che era
necessario studiare più a fondo i plasmi e si dette il via a studi di base che
occuparono gli anni successivi;
• nel 1968 il tokamak sovietico riuscì a mostrare una possibile strada del
confinamento magnetico ed avviò il mondo su macchine dello stesso tipo;
• negli anni '70 la fusione entrò nella big science per la mole dei finanziamenti
che richiedeva. Si capì che per andare avanti occorrevano piani di
collaborazione internazionale
• nel 1978 quella che allora si chiamava Comunità Europea mise in piedi uno
dei progetti di studio di fusione più ambiziosi, il JET (Joint European Torus
ovvero Toro europeo insieme) che si iniziò a costruire a Abingdon in Gran
Bretagna. Nel giugno 1983 il JET produsse i primi plasmi e dette mostra di
funzionare fino agli esperimenti del 1991 che con successo fusero deuterio
e trizio;
• nel 1978 il PLT (Princeton Large Torus) statunitense ha prodotto plasmi ad
oltre 60 milioni di gradi.
• Verso la metà degli anni '80 iniziarono gli esperimenti con il TFTR (Tokamak
Fusion Test Reactor ovvero: reattore per provare la fusione di tipo tokamak)
particolarmente con mescole di deuterio e trizio (1993).
• dal 1988 in Giappone si sono fatti esperimenti avanzati con il JT-60,
tokamak di grandi dimensioni.
• dal 1989 in Italia è entrato in funzione il tokamak FTU (Frascati Tokamak
Upgrade) nei Laboratori Nazionali di Frascati.
plasma
•
•
•
•
Un plasma è un gas ionizzato, costituito da una collezione di elettroni e ioni, ma
che globalmente è neutro. Essendo però costituito di particelle cariche, i moti
complessivi delle particelle del plasma sono in gran parte dovuti alle forze a lungo
raggio che si vengono continuamente a creare, e che tendono a mantenere il plasma
neutro; questo fatto stabilisce una differenza importante rispetto ai gas ordinari,
In quanto tale, il plasma è considerato come il quarto stato della materia, che si
distingue quindi dal solido, liquido e il gas. “ Ionizzato" in questo caso significa che
una frazione significativamente grande di elettroni è stata strappata dagli atomi.
Le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità,
e che risponda fortemente ai campi elettromagnetici. Questo quarto stato della
materia fu identificato da Sir W.Crookes nel 1879 , le sue ricerche portarono alla
realizzazione dei cosiddetti tubi di Crookes, che sono gli antenati dei tubi catodici e
delle lampade al neon
Mentre sulla terra la presenza del plasma è relativamente rara (fanno eccezione i
fulmini, le aurore boreali), nell'universo costituisce più del 99% della materia
conosciuta: di plasma sono fatti il Sole, stelle e nebulose.. Inoltre, si ha una
formazione di plasma sullo scudo termico dei veicoli spaziali al rientro nell‘atmosfere.
Aurora boreale
Sono luci colorate che compaiono
alle alte latitudini settentrionali e
meridionali tra 90 e 160 chilometri di
altezza, I colori aurorali, vengono
determinati dalla natura degli atomi
investiti dagli elettroni magnetosferici
e dall'energia delle collisioni: il cielo
notturno è dipinto di rosso o verde
dall'ossigeno e dall'idrogeno, di viola
e rosa dall'azoto. Una aurora tipica
dura circa 3 ore e copre una
superficie di un milione di metri
quadrati di territorio, scaricando in
un'ora approssimativamente 100
milioni di kilowatt (kW) di energia
elettrica nell'ambiente terrestre. Un
quantitativo di energia sufficiente ad
alimentare una città come Udine per
poco meno di un mese e l'equivalente
dell'energia prodotta in 6 giorni da
una grande centrale nucleare
Metodologie di realizzazione
del confinamento
Perché la forza nucleare forte, che ha un corto raggio d’azione, entri
in gioco, bisogna “schiacciare” i nuclei uno contro l’altro, con
energia sufficiente a superare la “barriera di Coulomb”, cioè la
repulsione elettrostatica tra i protoni, con carica elettrica positiva.
Diversi sono gli schemi possibili:
Confinamento gravitazionale. E' il meccanismo utilizzato nelle
stelle, non è ovviamente utilizzabile nei reattori terrestri
Confinamento inerziale. Si comprime una “pasticca” di Deuterio
e/o Trizio mediante un “bombardamento” concentrico di raggi laser
ad alta potenza o fasci di particelle di grande energia. Si tratta di
provocare “piccole esplosioni termonucleari”: si devono raggiungere
densità molto elevate (dell'ordine di 1025 part./cm3 per tempi
estremamente brevi (100 picosecondi).
Dimensioni del plasma ≈ 10-6 cm3
la tecnica oggi considerata più promettente è però quella a
• Confinamento magnetico. Si riscalda la “miscela” nucleare, il plasma di
Idrogeno / Deuterio / Trizio, confinandolo tramite un forte campo magnetico
per impedirne sia la dispersione sia il contatto con una qualunque parete
solida che non resisterebbe a simili temperature. Ciò si ottiene a mezzo di
un complesso sistema di bobine che circondano il tokamak e di correnti
longitudinali indotte nel plasma,. Il combustibile viene mantenuto ad alta
temperatura mediante un sistema a radiofrequenza
Fusione Magnetica densità ≈ 1014 part/cm3 tempo ≈ 1 sec Dimensioni del
plasma ≈ 1000 m3
Questa è la tecnica che si sperimenta con ITER l’International
Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), che coinvolge l’Unione
Europea, il Giappone, la Federazione degli Stati Russi e gli Stati Uniti. Dopo
lunghe polemiche sulla sede di realizzazione del reattore, è stata infine
designata la località di Cadarache, nel Sud della Francia. Questo tokamak
sarà realizzato in materiali superconduttori e garantirà la produzione di un
plasma stabile, capace di sostenere la fusione per migliaia di secondi e
dovrebbe essere operativa entro il 2016.
tokamak
Questo è lo schema di un
reattore nucleare a fusione di
tipo tokamak. Il plasma di
deuterio e trizio è mantenuto
lontano dalle pareti del
contenitore da intensi campi
elettromagnetici. Una
frazione dei neutroni prodotti
dalla fusione del deuterio e
del trizio, serve a produrre
altro trizio mediante una
reazione che avviene nello
strato di litio intorno al
plasma. L'elio che è un'altro
prodotto della fusione, è
raccolto fuori dal reattore. Il
calore che si sprigiona a
causa delle reazioni di
fusione viene portato via
dall'acqua come in un
reattore a fissione.
Metodi statici
Per “metodo statico” si intende un processo di avvicinamento fra i nuclei provocato da un terzo
elemento, che non partecipa alla reazione e funge da catalizzatore. Il catalizzatore, solitamente
di carica negativa, ha la funzione di modificare la configurazione del campo elettrico nella
regione compresa fra i nuclei, in modo che questi non si respingano più. Il metodo viene
realizzato con le due tecniche distinte della fusione muonica e della fusione fredda.
Fusione muonica
•
•
•
Già oggetto di studio da diversi anni, la fusione muonica utilizza i muoni quali catalizzatori.
Particella della stessa famiglia dell’elettrone, ma circa 200 volte più pesante, un muone,
sostituito a un elettrone, forma con gli isotopi dell’idrogeno, molecole in cui i nuclei sono tenuti
molto ravvicinati. Il processo di fusione avviene quindi facilmente, anche a temperature e
densità ordinarie.
Le problematiche relative a questo metodo sono dunque essenzialmente relative al bilancio di
energia; questo deve tener conto del dispendio energetico richiesto per produrre i muoni e
lanciarli (mediante un acceleratore di particelle) su un bersaglio gassoso di deuterio e trizio, del
numero di molecole “modificate” (molecole muoniche, come si definiscono, DµT), che un
singolo muone riesce a formare prima di venire assorbito dall’elio, e dell’energia totale ricavata,
ottenuta dal prodotto dell’energia rilasciata in ogni singola fusione per il numero di fusioni
provocate da ciascun muone.
Fino agli anni Sessanta, la resa del processo era di circa un millesimo; oggi si aggira intorno a
0,5 e gli sforzi degli scienziati hanno per obiettivo di portarla all’unità. A questo scopo sono in
corso numerose ricerche negli Stati Uniti, in Russia, in Canada, in Giappone, in Svizzera, in
Gran Bretagna, al CERN di Ginevra e in Italia, presso l’Università di Bologna e all’INFN.
Fusione fredda
.
Questo metodo sfrutta la proprietà di determinati metalli (in particolare palladio e titanio) di
accettare negli interstizi della loro struttura molecolare i nuclei di deuterio e trizio, favorendone
così la fusione. Il metodo viene appunto classificato come “freddo” in quanto non ricorre
all’impiego di grosse quantità di energia, come quelle richieste nel riscaldamento ad altissime
temperature degli elementi reagenti o nell’accelerazione dei fasci di particelle.
•
Pur se situati nella struttura molecolare del metallo, la distanza fra i nuclei degli isotopi
dell’idrogeno non è sufficiente a scatenare la fusione: non è dunque chiaro quale sia il
meccanismo chimico-fisico microscopico che ingenera il processo. Esistono alcune ipotesi: che
si tratti di particolari condizioni di non equilibrio che si creano durante il caricamento del metallo,
o della complessa struttura di interazioni subnucleari che si stabiliscono all’interno del reticolo
metallico così modificato.
•
Nel 1989 i chimici Martin Fleishmann e Stanley Pons, dell’Università dello Utah, annunciarono,
contemporaneamente al fisico statunitense S.E. Jones, di avere ottenuto il rilascio di una
considerevole quantità di calore durante l’elettrolisi del palladio caricato con deuterio. Numerosi
laboratori hanno successivamente tentato di ripetere l’esperimento, ottenendo per la maggior
parte insuccessi. Quasi tutti i gruppi sperimentali che si sono cimentati con la fusione fredda
hanno dovuto ripetere l’esperimento in diverse celle elettrolitiche, più volte, prima di ottenere la
produzione di calore: è evidente che agli scienziati sfugge qualche informazione a riguardo
della vera natura del fenomeno. La mancanza di riproducibilità dell’esperimento è stata e
rimane dunque il fattore che maggiormente motiva lo scetticismo della comunità scientifica nei
riguardi della correttezza dei risultati riportati da Fleishmann e Pons
In mancanza di un solido fondamento teorico e di risultati apprezzabili non è possibile dire se
questa linea di ricerca potrà portare alla produzione di energia.
•
Considerazioni sulla fusione nucleare
•
E’ un metodo non pericoloso e non inquinante per produrre energia
elettrica, avviene con reazioni che in caso di disfunzioni nel reattore sono
difficilmente sostenibili in ambiente aperto: il rischio del loro propagarsi
senza controllo è veramente limitato.
•
Ci potrebbe essere complessivamente un aumento di temperatura
nell’ambiente
•
Il materiale ’fusibile’ più conveniente è il deuterio,che nell’acqua è presente
in misura non trascurabile. Con moderne tecniche è possibile arricchire il
contenuto in deuterio, fino ad isolare la cosiddetta acqua pesante, in cui
buona parte dell’idrogeno è sotto forma di deuterio. L’acqua del mare
potrebbe essere pertanto una fonte ineusauribile di ‘combustibile’.
•
Il particolare tipo di ‘combustibile’ non è monopolizzabile da nessun paese e
da nessun centro di potere o di commerci.
•
La realizzazione di impianti a fusione nucleare è però ancora allo stato
potenziale e pone problemi per la costruzione di contenitori che devono
resistere a temperature di milioni di gradi
Bibliografia
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Ed. Ghisetti-Corvi
• Bergamaschini-Marazzini- Mazzoni Quanti,particelle,cosmologia Ed.
Signorelli
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http://it.encarta.msn.com © 1997-2007 Microsoft Corporation
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• http://w3.uniroma1.it/anat3b/libro%20motta/libro%20motta.htm
• http://www.ifp.cnr.it/activity/activityITA.html