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• I nuclei e la loro energia
• Cosa è lenergia ..
• ..... e cosa dovremmo sapere (in unaltra
  occasione)
• Le forze e le energie
• Atomi e nuclei
• Lenergia dei e dai nuclei
• Come funziona un reattore nucleare
• A seguire
• Perché il problema energetico italiano e mondiale
  non può essere risolto dalla energia nucleare
• Perché lenergia nucleare non può essere una
  risorsa per il futuro
• Invece si può .....

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Energia s.f. 1. vigore fisico, forza dei nervi
e dei muscoli 2. vigore spirituale, fermezza di
carattere 3. efficiacia 4.(fis.) grandezza
fisica esprimente la capacità di un sistema di
sviluppare lavoro. (Dizionario Garzanti della
lingua italiana) Cosa è una grandezza fisica?
cosa è, nel linguaggio scientifico, il
lavoro? non userò un linguaggio scientifico
rigoroso .... ...... cercando di essere
ugualmente corretto nella presentazione dei
concetti Lenergia è un concetto legato al
movimento diciamo che un corpo possiede energia
quando è in movimento attuale o è potenzialmente
in grado di muoversi, se libero di farlo. Ad
esempio in unautomobile in corsa lenergia è
collegata alla massa dellauto e alla sua
velocità, in un bacino di una centrale
idroelettrica è collegata alla massa dacqua che
può scendere a valle e al dislivello che
coprirebbe scendendo. La sua quantità (grandezza
fisica) può essere misurata nelle diverse forme
con cui si presenta
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Lenergia-movimento ci interessa perché movimento
vuol dire possibilità di vita. Un universo senza
movimento sarebbe un mondo senza eventi, senza
vita senza movimento del sangue nelle vene,
senza alberi che crescono, senza materia che si
sposta per riprodursi. Uneterna
fotografia. Più energia-movimento abbiamo a
disposizione (anche a livello microscopico), più
possibilità di vita abbiamo.
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• Attenzione
• Sul tema energia dovremmo sapere molte cose
• in che senso si conserva (cioè non sparisce
  mai) ....
• .... ma anche perché degrada, cioè è sempre
  meno utilizzabile
• quali sono le fonti primarie, cioè le sorgenti
  da cui ottiene lenergia
• necessaria la vita sulla Terra e, in
  particolare, luomo dellera industrializzata
• in quali forme finali luomo le utilizza
• quali siano le forme più nobili, cioè meglio
  utilizzabili
• quali siano i limiti in quantità assolute, in
  efficienza di utilizzo e di potenza (ad es.
  quanta energia ogni giorno) per le diverse fonti
  primarie

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Forza s.f. 1. Vigore fisico, energia (sic!) 2.
facoltà, capacità di resistere, fortezza, potere
3.grandezza fisica tendente a modificare lo stato
di quiete o di moto di ogni corpo su cui agisce.
4. .......... 7. ..... (Dizionario Garzanti
della lingua italiana) Ci accontentiamo di usare
il vocabolo nel significato indicato al punto 3
come causa di movimento, un concetto, quindi,
strettamente collegato a quello di energia. In
natura ci sono 4 tipi di forze ? La forza di
gravità che si esercita tra tutti i corpi È la
forza principale responsabile dei moti dei corpi
celesti o della caduta dei corpi verso il centro
della Terra (forza peso). A livello atomico o
nucleare, questa forza è tanto debole da poter
essere solitamente trascurata. ? La forza
elettromagnetica che si esercita tra corpi
dotati di carica elettrica è quella responsabile
della struttura atomica e, in senso lato, delle
strutture che si realizzano nel mondo
microscopico. ? La forza detta interazione
debole, che regola i decadimenti radioattivi
. La trascuriamo del tutto perché non interessa
il tema. ? La forza detta interazione forte che
si esercita tra le particelle costituenti il
nucleo (protoni e neutroni)
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Lintensità della forza dipende dalla
distanza per le forze gravitazionale ed
elettrica, vale la proporzionalità inversa con
il quadrato della distanza per linterazione
forte, possiamo, in prima approssimazione,
considerare la proporzionalità inversa con la
sesta potenza della distanza se la distanza
raddoppia-----gt forze gravitazionale ed
elettrica la forza si riduce a un
quarto interazione forte la forza si
riduce a un sessantaquattresimo se la distanza
decuplica -----gt forze gravitazionale ed
elettrica la forza si riduce a un centesimo
interazione forte la forza
si riduce a un milionesimo
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Atomi

• Al centro un nucleo composto d neutroni
  (elettricamente neutri) e protoni (elettricamente
  positivi)
• Ci limitiamo a modelli ottenuti come riduzione in
  scala della nostra immaginazione macroscopica
• La forza elettrica lega gli elettroni ai nuclei,
  similmente alla forza di gravità che lega la
  Terra al Sole
• Il numero degli elettroni è uguale a quello dei
  protoni ---gt latomo è elettricamente neutro

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Protoni e neutroni hanno massa praticamente
uguale, 1836 volte maggiore di quella degli
elettroni -----gt la massa dellatomo è
concentrata nel nucleo. Latomo è piccolo, il
nucleo molto di più raggio atomico (ordine di
grandezza) 10-10 metri
(un decimo di
miliardesimo) raggio nucleare (ordine di
grandezza) 10-14 metri
(un centomillesimo di
miliardesimo) -----gt come una moneta da 10
centesimi al centro di un campo di calcio.
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(No Transcript)
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• Perché non esistono nuclei grossi come ciliege?
• Proviamo, con la fantasia, a costruire i nuclei
• con un protone facciamo il nucleo più piccolo
  idrogeno
• se aggiungiamo uno o due neutroni facciamo altri
  due isotopi dellidrogeno (stesse proprietà
  chimiche, nucleo di peso e proprietà diverse)
  deuterio e trizio
• se aggiungiamo ancora un protone facciamo il
  nucleo di elio (due protoni e due neutroni)
• se aggiungiamo altri protoni e neutroni facciamo
  tutti gli altri nuclei sino a che .
• . le distanze tra nucleoni sono tali che la
  interazione forte attrattiva diventa più debole
  della repulsione elettrica
• - i nuclei con più di 82 protoni sono allora
  instabili, mentre in natura non esistono nuclei
  con più di 92 protoni

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Il nucleo naturale più pesante è luranio 238 (
23892 U 238 nucleoni di cui 92 protoni e 146
neutroni) I nuclei instabili (radioattivi)
emettono particelle ed energia - raggi ?
nucleo di elio, due protoni e due neutroni -
raggi ?- un elettrone - raggi ? energia sotto
forma di onda elettromagnetica Nelle rocce e
nellaria si trovano nuclei radioattivi. Con
altre radiazioni provenienti dallo spazio
costituiscono il fondo radioattivo
naturale Una dose superiore può provocare danni
diversi gli esseri viventi (lascio a unaltra
esposizione questo tema)
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Energia dai nuclei

• lenergia di legame varia al variare del numero
  di nucleoni presenti nel nucleo
• possiamo rompere un nucleo pesante in due parti
  (fissione) o unire due nuclei leggeri in un solo
  nucleo (fusione)
• in entrambi i casi aumenta lenergia di legame

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Immaginiamo delle biglie in una buca nella
sabbia se la buca diviene più profonda le biglie
scendono, e aumenta lenergia di legame mentre,
scendendo, le biglie perdono la loro energia.
Similmente, aumentando la loro energia di
legame dei nucleoni, si perde energia entro il
nucleo Lenergia persa dal nucleo non sparisce
(conservazione dellenergia) si trova quindi
fuori dal nucleo. La fusione è il fenomeno che
da energia alle stelle o che si libera nella
cosiddetta bomba H. Non si è ancora riusciti a
svilupparla in modo controllato. La fissione è il
fenomeno che da lenergia della bomba atomica
(quelle usata contro il Giappone) e da energia
dei reattori nucleari. Ci occupiamo di
questultima
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Energia dalla fissione - 1

• Le sfere rappresentano i nucleoni
• Le molle compresse rappresentano le forze
  repulsive elettriche tra i protoni
• I fili tesi rappresentano le forze attrattive tra
  i nucleoni
• Con poca energia posso tagliare i fili allora le
  molle fanno esplodere il sistema liberando una
  grande quantità di energia

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Energia da fissione - 2
Le sfere rappresentano i nucleoni, prigionieri in
un cratere in cima a un rilievo. Il proiettile
lanciato verso il rilievo può raggiunge le sfere,
urtarle e farle uscire dal cratere.
In queste caso le sfere renderanno lenergia
assorbita per superare il bordo del cratere, ma
non solo acquisteranno anche lenergia (molto
maggiore) guadagnata scendendo dal rilievo.
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Fissione
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Reazione a catena
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• La fissione produce due nuclei (radioattivi) e
  due/tre neutroni veloci, cioè molto energetici
  (oltre a raggi ? e neutrini)
• Questi, diffondendosi nella materia, possono
  urtare altri nuclei fissili e dare altre
  fissioni aumentando enormemente il numero delle
  fissioni (reazione a catena).
• Lunico isotopo fissile utilizzato è l uranio
  235 (23592 U)
• Se la reazione a catena si sviluppa senza
  controllo si ha la bomba atomica
• I neutroni si possono perdere perché
• - vengono catturati da nuclei non fissili
• escono dal volume contente il materiale fissile

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Poiché i neutroni prodotti da una fissione si
possono perdere, per sviluppare la reazione a
catena è necessaria una massa critica di
materiale fissile, ma .. ..luranio è
composto per il 99,28 da 23892 U non fissile
(solo una minima probabilità per neutroni
veloci) per lo 0,71 da 23592 U fissile per
lo 0,01 da 23492 U (che trascuriamo) Per
raggiungere la massa critica in un reattore è
necessario aumentare artificialmente, con un
processo tecnologico complesso e costoso, di
circa 4 volte la percentuale di uranio 23592 U.
Otteniamo così l uranio arricchito. Il
residuo con percentualmente meno uranio fissile è
luranio impoverito, che ha diversi usi,
compreso quello militare, per alcune sue
eccezionali proprietà meccaniche.
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(No Transcript)
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Ciclo dei neutroni in un reattore a regime
Giriamo in senso orario, partendo dal vertice in
basso a sinistra N0 numero iniziale di
neutroni veloci prodotti da fissione N1 gt N0
numero di neutroni veloci dopo la fissione (poco
probabile) delluranio 238 N2 lt N0 numero di
neutroni lenti, dopo le perdite per fuga o
assorbimento d parte delluranio 238 N3 lt N2 ltN0
numero di neutroni che danno fissione
sulluranio 235, dopo le perdite per fuga e
assorbimento da parte del moderatore e delle
barre di regolazione. N4 2,6 N3 N0 (a
regime) numero di neutroni veloci ottenuti
dalle N3 fissioni

• Lll
• Llll

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Il ciclo delluranio
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Il materiale esaurito estratto dal reattore
costituisce le cosiddette scorie, contenenti i
prodotti della fissione, radioattivi. Le loro
emissioni possono dare una radioattività
nellambiente incomparabilmente maggiore rispetto
al fondo naturale, con gravi rischi per la
vita. I nuclei radioattivi possono esaurire la
loro attività in tempi estremamente variabile, da
frazioni di secondo a miliardi di anni. Ad
esempio dimezzano la loro attività Xenon 135
in 9,1 ore Iodio 131 in 8
giorni Cesio 137 in 30 anni Plutonio
239 in 24.000 anni I fenomeni radioattivi
sono indipendenti da qualsiasi trattamento
meccanico e chimico ciò significa che le scorie
saranno inevitabilmente attive e pericolose per
tempi infiniti rispetto alla storia
umana. Lunica possibilità è stoccarle in luogo
ritenuto sicuro. Ma sinora ..
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Una bella idea (che non funziona)
L 23892 U (che costituisce la gran parte
delluranio) non è fissile invece può catturare
un neutrone, subire alcune trasformazioni e
diventare un elemento artificiale più pesante
delluranio il plutonio 23994Pu Il plutonio è
fortemente radioattivo e per molto tempo (dimezza
la sua attività in 24.000 anni ) ma è anche
fissile e può essere utilizzato in un
reattore. Ecco la bella idea facciamo un
reattore autofertilizzante (breeder) nel quale
si produce plutonio dall 23892U, moltiplicando
così di alcune decine di volte la quantità del
materiale disponibile. Il difetto lunico
reattore autofertilizzante, costruito in Francia
(SuperPhoenix), dopo anni di cattivo
funzionamento, ingenti capitali investiti e
problemi tecnici irrisolti, è stato
definitivamente chiuso nel 2003.