MASTER DI MEDICINA N.B.C.
Firenze 2011
ARMI NUCLEARI
Ten. Col. MED Daniele Laganà
Dipartimento Militare di Medicina Legale
CENNI DI FISICA E
TECNOLOGIA NUCLEARE
L’atomo
L’atomo
Rapporto A/Z
A-Z
Fino ad A=20 rapporto
p:n =1:1 cioè A=2Z
A/Z = 2
A > 20 aumenta il
numero di n pertanto
rapporto p:n = 1:1,5
A/Z varia da 2 a 2,6
N=1,5 Z
Z=N
Z
Forza nucleare forte
Il Difetto di Massa
Peso Atomico n + n + p + p =
Peso Atomico 2He4
=
4,03304
4,00277
Difetto di Massa (
0,0307
M)
=
1 u.m.a.= 931 MeV
M
He = 931 x 0.0307 = 28,2 MeV (W)
W/A = 28,2 / 4 = 7,05 MeV
Curva Energia di Legame per nucleone
W/A (MeV)
9
8
7
6
5
4
3
2
1
He
U
La Fissione Nucleare
La Fissione Nucleare
Energia rilasciata dalla Fissione Nucleare
U235 + n → frammenti + 2 or 3 n + 200 MeV
• 165 Mev
En. Cinetica prodotti di fissione
• 7 Mev
Raggi gamma
• 6 Mev
En. Cinetica dei neutroni
• 7 Mev
En. Dei prodotti di fissione
• 6 Mev
Raggi gamma dai prodotti di fissione
• 9 Mev
Antineutrini dai prodotti di fissione
200 Mev
La Reazione a Catena
La Massa Critica
La Reazione a Catena Controllata
La Reazione a Catena
nell’Ordigno Nucleare
Il decadimento radioattivo
140
140
140
55
54
92
U
Xe
Cs
140
56
57
Ba
58
Ce
La
140
235
ENERGIA
(201 MeV)
neutrone
nuclide instabile
nuclide stabile
38
Sr
94
decadimento
39
Y
94
emissione
40
Zr
94
Gun-Type Bomb
Little Boy: A Gun-Type Bomb
Implosion-Type Bomb
Implosion-Type Bomb
Fat Man: Implosion-Type Bomb
La Fusione Nucleare
La Fusione Nucleare
La Fusione Nucleare
H3 + H2 = (2He5) = 2He4 + n1 + 17,6 MeV
Resa energetica
(Energia prodotta / u.m.a. impiegata)
Fissione
201/238 = 0.8 MeV
vs
Fusione
17.6/5 = 3.5 MeV
The Hydrogen Bomb
Based on model of Edward Teller and Stanislaw Ulam
I combustibili nucleari
In natura gli elementi esistono in varie
forme isotopiche
I combustibili nucleari
Uranio naturale
U238 (99,27%) non fissile
U235 (0,718%) fissile
U234 (0,0056%) non fissile,
Il ciclo di produzione dell’uranio
The yellow cake
Solid U3 O8
I combustibili
nucleari
Arricchimento
Separazione di
isotopi con
diffusione gassosa
o centrifugazione
di UF6
Arricchimento
U235 aumento dal 3 al 5 % - Reattori nucleari
Arricchimento
U235 aumento fino al 90 % - Armi nucleari
I combustibili nucleari
Fertilizzazione
n
+
92
238
U
U239
92
239
Np
93
239
U
92
 - 
 - 
239
Np
93
94
239
Pu
Arricchimento: i materiali di scarto
Uranio Impoverito - DU
U238
(99,8)
235
U
(0,199)
U234
(0,0010)
Uranio Impoverito
• Bassa Attività: 14 mBq/mg
• Densità elevatissima (19 g/cm3, 1.7 volte
maggiore della densità del Pb
• Duttile
• Piroforico
Contenitori di UF6 negli USA (560.000 t)
Paducah, Kentucky
Portsmouth, Ohio
Oak Ridge, Tennessee
Impieghi in ambito civile del DU
• Medicina - schermatura di sorgenti di
radiazioni
• Mineralogia - pesi per le perforazioni
• Industria aerospaziale - contrappesi e
superfici di controllo degli aerei (1500 Kg
sul Boeing 747)
Impieghi militari del DU
• Munizioni anticarro ad alto potere
penetrante
• Blindatura di parti sensibili del carro
M-1 Abrams
Esposizione esterna al DU
Contaminazione con DU
Gli Ordigni Nucleari
TIPO
A
H
U
N
MECCANISMO D'AZIONE
POTENZA
fissione
fusione (termonucleare o tn)
fisso-fuso-fissione (tn)
fusione E.R.R.B.W. (tn)
10-150
0.5-10
1-100
0.1-5
1 Kiloton = 109 Calorie
Kt
Mt
Mt
Kt
1 Megaton = 1012 Calorie
Esplosione Nucleare
• Aspetti quantitativi
1 ton: energia liberata dall’esplosione
“simultanea” di 1 t di TNT
• Aspetti qualitativi
Tipologia degli effetti
Gli effetti dell’esplosione nucleare
•
•
•
•
•
Effetto meccanico
Effetto termico-luminoso
Effetto radiologico diretto
Effetto radiologico ritardato
Effetto elettromagnetico
Gli effetti dell’esplosione nucleare
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
RAD. DIRETTA
FALL OUT
RAD. TERMICA
ONDA D'URTO
A
H
U
N
Esplosioni Nucleari
•
•
•
•
Aerea bassa o “in quota”
In superficie (terreno, acqua)
Sotto la superficie
Aerea alta
Fenomenologia dell’esplosione
La radiazione termoluminosa
A bridge across the Motoyasu River
about 800 meters from the hypocenter
Donate by: US Army Pathology Institute / Chugoku
Shimbun
The imprint of a person who
was sitting on the stone steps
at the entrance to the
Sumitomo Bank, 250 meters
east of the hypocenter
Photo by: Yoshito Matsushige Hiroshima Peace Site
Lesioni locali da effetto termoluminoso
• Cute
– Ustioni da vampa (Flash burns)
• A profilo
• Figurate
– Ustioni da fiamma (Fire burns)
• Occhio
– Ustione retinica
– Abbagliamento
• Apparato respiratorio
– Insufficienza resp. e/o edema polmonare (inalazione di aria
calda)
Lesioni locali da effetto termoluminoso
• Primitive (onda termica)
– Colpo di calore
– Asfissia acuta
• Secondarie (alle ustioni estese)
– Shock
– Malattia da ustione
– Infezioni
Keloids occured in 50 to 60% of people who suffered burns
directly from the heat ray within a radius of 2 kilometers from
the hypocenter
L’effetto meccanico
The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962
The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962
The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962
The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962
Il fungo nucleare
The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962
Radiazione Nucleare Iniziale
• Radiazioni primarie
Raggi gamma e neutroni emessi nel corso
delle reazioni di fissione e fusione
• Radiazioni secondarie
N.I.G.A. (collisone anelastica o cattura)
Radiazione Nucleare Residua
Convenzionalmente quella emessa dopo il 1° minuto dalla esplosione
• Ordigno a fissione
– Prodotti di fissione
– Radioattività indotta da neutroni (in aria e al
suolo)
• Ordigno a fusione
– Elementi derivati da attivazione neutronica
La ricaduta radioattiva
•Fallout locale
•Fallout mondiale
Fallout locale
• Energia dell’ordigno
• Altezza di scoppio
• Condizioni meteorologiche
Fallout mondiale
• Le particelle più piccole sono trasportate dai
venti a grande distanza
• La loro ricaduta al suolo è legata
principalmente alle precipitazioni
• La maggior parte delle particelle oltrepassa
la troposfera e ricade anche a distanza di
anni (Jet-streams)
Test di Lop Nor, 9 maggio 1966
Rischio radiologico
• Prime settimane
Radionuclidi al breve t/2 (es. I 131)
Radionuclidi a lungo t/2
• Fasi tardive
Isotopi a lungo t/2 (Sr 90, Cs 137)
Danno biologico
• Fallout precoce
Irraggiamento esterno (gamma e beta)
• Fallout ritardato
Contaminazione interna (alfa e beta)
E.M.P.
20 Km
50 Km
Effetto Compton
E.M.P.
E.M.P.
Scarica atmosferica
4
5
6
7
8
9