Debernardi Elisa
Mastropasqua Tommaso
Villarboito Erik
Armi Nucleari
S.I.S. - Laboratorio di Fisica Nucleare
a.a. 2004-2005
Prof. Maina
1
Contesto e modalità
 Prevediamo di svolgere la seguente unità didattica in un Liceo durante l’ultimo
anno del corso di studi. Dal momento che riteniamo opportuno affrontare lo
studio della fisica da un punto di vista storico-sperimentale, tale argomento
verrà affrontato verso la fine del programma, con l’attenzione che non venga
percepito dagli studenti come qualcosa di superfluo. Una trattazione storica
della fisica che, a partire dalle esperienze dei ricercatori nel corso dei secoli,
mostri l’evoluzione e l’emergere di nuovi concetti fisici mette in evidenza
un’idea della fisica come attività in continua evoluzione e che necessita di
continue verifiche. E’ bene che gli studenti comprendano che la fisica non è
qualcosa di finito, ma che esistono ancora molte domande a cui rispondere e
interrogativi che potranno ancora scaturire dagli esperimenti che bisogna
continuare a svolgere
 I tempi previsti sono stimati intorno alle quattro-sei ore, con un’eventuale
prima ora aggiuntiva in compresenza con il professore di Storia. Si può quindi
prevedere un attacco dell’argomento a partire dalle tematiche relative alla
seconda guerra mondiale (lettera di Einstein a Roosevelt, Progetto Manhattan,
Hiroshima e Nagasaki)
2
Prerequisiti di fisica nucleare
• struttura atomica
• cenni di radioattività
• raggi α, β e γ
• trasformazioni radioattive
• concetto di isotopia e misura della massa dei nuclei
• scoperta del neutrone
• neutrini
• cenni di relatività: equivalenza massa energia
• difetto di massa, energia di legame, stabilità del legame
nucleare
• intensità delle forze nucleari
3
 Il 16 luglio del 1945, alle 5.30 del
mattino, esplodeva la prima
bomba atomica della storia in un
test nel deserto del New Mexico
 Qualche giorno dopo queste
bombe venivano sganciate su
Hiroshima e Nagasaki
A lato l’esplosione su Hiroshima
(6 agosto 1945, Little Boy)
4
Esplosione su
Nagasaki
(9 agosto 1945,
Fat Boy)
5
Hiroshima fotografata dai ricognitori USA prima
del lancio della bomba
6
Hiroshima fotografata dai ricognitori
USA dopo il lancio della bomba
7
Hiroshima al suolo
L'orrenda deflagrazione generata dallo scoppio
della bomba causò la morte immediata di oltre
70.000 persone e di altrettante, per le ferite
riportate, nei giorni seguenti
8
L’esplosione di un ordigno nucleare
 sviluppa temperature di decine di milioni di gradi
 produce nell’aria una sfera di fuoco che, come un
piccolo Sole, emette radiazioni luminose e termiche
che viaggiano alla velocità della luce
Per esempio la sfera di fuoco della bomba di 1 megatone
(1 Mton equivale a 1 milione di tonnellate di tritolo), che
esplodesse in aria, apparirebbe a 100 km molte volte più
luminosa del Sole medesimo
9
Come si ripartisce l’energia di un’esplosione?
 per il 15 % circa va in radiazioni: vengono liberati sia
raggi gamma che neutroni, che irraggiano le zone
circostanti
 il 50 % circa forma un’onda d’urto che si espande a una
velocità di poco superiore a quella del suono (circa 500
m/s): sul suo fronte si genera un fortissimo sbalzo di
pressione, che danneggia meccanicamente cose e persone
 il restante 35 % circa va invece in un’onda di calore, che
si propaga più lentamente, vaporizzando i materiali più
vicini all’epicentro dell’esplosione e incendiando quelli
più lontani
10
Differenza con l’esplosivo tradizionale
 ESPLOSIVO CONVENZIONALE, dopo la deflagrazione:
• si ha a che fare solo con l’onda d’urto o onda di
pressione e, in misura ridotta, con l’onda di calore
 ESPLOSIVO NUCLEARE, dopo la deflagrazione:
• si ha a che fare con l’onda d’urto o l’onda di pressione
• si ha a che fare con la radiazione termica o onda di calore
• si ha a che fare con la radioattività o onda radioattiva
• si ha a che fare con il fall out, la ricaduta dopo tempi
differenti di materiale radioattivo sollevato in quota
11
Onda di pressione
 Gli effetti distruttivi di quest’onda sono strategicamente
importanti soprattutto per il cratere che producono
 Un’onda di pressione origina sovrapressione che si aggiunge
all’ordinaria che è di 1 Kg su ogni cm2 di superficie
 Una sovrapressione di 0,35 Kg/cm2 è considerata sufficiente a
distruggere la maggior parte degli edifici e gli ordigni nucleari
generano tale valore ad una distanza in km proporzionale alla
radice cubica della loro potenza esplosiva in chilotoni. Le
bombe più grandi distribuiscono la loro potenza distruttiva in
modo meno efficace delle più piccole
 La sovrapressione sufficiente a uccidere un uomo è pari a 2.104
Kg/cm. Questa sovrapressione, nel caso di una bomba atomica
da 20 kiloton, si manifesta a circa 600 m dall’epicentro
12
Onda di calore
L’onda termica arriva dopo l’onda d’urto, ciò perché i fotoni pur
viaggiando con la velocità della luce hanno un cammino medio
piccolo; di conseguenza essi vengono continuamente assorbiti
dagli atomi che compongono l’atmosfera e quindi riemessi.
Il processo di diffusione dei fotoni è, quindi, realizzato secondo
un percorso a tappe con andamento zig-zag e, per quanto il
tempo di percorrenza delle singole tappe sia brevissimo, il tempo
di diffusione è relativamente grande, in quanto l’assorbimento e
la relativa emissione dei fotoni da parte degli atomi che
compongono l’atmosfera richiede un certo tempo.
Es: Nel caso di una bomba atomica di 20 kiloton, la durata di
emissione dell’energia termica è di 3 secondi.
13
Onda di calore
 Un ordigno di 1 Mton nell’atmosfera dà luogo ad un’onda di
calore che provoca:
• ustioni di 1° grado (eritemi) a distanze di 20-25 km
• ustioni di 2° grado (bolle con siero e flittene) a 15-20 km
(ciò nel caso in cui non vi siano schermi tra la sfera di
fuoco ed il corpo)
 I dati sulla gravità delle ustioni provocate dalle bombe
atomiche usate in Giappone sono i seguenti:
• a 0-1000 m: 95% carbonizzati
• a 1400-2000 m: carbonizzati e ustionati di 2°grado
• a 2000 m: eritema bolloso, depigmentazione
• a 2000-4000 m: pigmentazione bruna
14
Onda radioattiva
 La radioattività emessa dall’esplosione di una bomba atomica
si suddivide in due categorie:
• radioattività iniziale
• radioattività residua (fall out)
 La separazione convenzionale di queste due forme di
radioattività è fondata sul fatto che la radioattività iniziale
viene emessa nel giro di un minuto primo. Tutte le radiazioni,
emesse dopo che sono trascorsi 60 secondi dall’esplosione,
formano la radioattività residua
 La radiazione nucleare che si libera immediatamente uccide in
tempi brevi proporzionalmente all’esposizione alla radiazione
15
Onda radioattiva
 Se la bomba è da 1 Mton:
• in un raggio di poco più di 3 km si ha una dose di
radiazione sufficiente ad uccidere fino al 95 % della
popolazione
• a 5 km si hanno scarsi effetti radioattivi somatici ma c’è
possibilità che insorgano effetti genetici
 Le principali manifestazioni patologiche, che si possono
osservare nelle popolazioni sottoposte al bombardamento
atomico, sono:
•
•
•
•
sterilità e impotenza
cataratte e cecità
danni al sangue
danno genetico
•
•
•
danni sullo sviluppo infantile
danni sul feto
produzione di tumori maligni
16
Il Fall out
Questo particolare fenomeno radioattivo si fa sentire vario
tempo dopo l’esplosione
 Supponiamo che la bomba esploda al suolo: una gran massa
di terreno e detriti viene risucchiata dall’esplosione e portata
in quota (all’incirca a 10 km)
 I pezzi più grossi ricadono a terra nelle ore e nei giorni
successivi, l’estensione della zona interessata dipendono
dalle condizioni metereologiche; la polvere più minuta sale
nella stratosfera ricadendo solo dopo mesi o anni e
interessando tutta la terra
17
Dopo l'esplosione, si genera una palla di fuoco radioattiva che crea un'onda d'urto e
di calore distruttiva. Successivamente si genera un fenomeno depressivo inverso, che
risucchia i materiali circostanti l'esplosione. L'effetto secondario è la creazione di una
nube a fungo, che genera un fall-out stratosferico o globale e una corrente convettiva
che riporta in basso polveri e radiazioni.
18
Esplosione e
possibile difesa
19
Tempo di efficacia di un dato effetto, a partire dal
momento dell’esplosione
20
Cosa fare
per
difendersi?
21
Quali
schermi sono
più efficaci
contro le
radiazioni?
22
Armi nucleari
Le armi nucleari sfruttano per produrre un’esplosione:
• la fissione di nuclei pesanti
• la fusione di nuclei leggeri
In generale i materiali usati come esplosivi nucleari sono:
• Uranio fortemente arricchito
• Plutonio
per le bombe a
fissione
A cui vengono aggiunti:
• Deuterio
• Trizio
per quelle a
fusione
23
Diversi tipi di armi nucleari per impieghi diversi
 Le armi a fissione: sono state le prime ad essere costruite, e
hanno potenza nell’ordine dei 10-150 Kton (migliaia di
tonnellate equivalenti di tritolo)
 Le armi a fusione: possono liberare energie fino a 50 Mton
 Le testate tattiche (bombe a neutroni): sono pensate per
essere utilizzate in battaglia, hanno un potere esplosivo
minore (meno di 1 Kton) ma emettono un quantitativo di
neutroni molto più alto del normale, per incapacitare in
tempi brevi truppe ed equipaggi di mezzi corazzati
24
Armi a fissione
Esempi di bombe a fissione sono quelle di Hiroshima e Nagasaki
Come si genera
l’energia sviluppata in
queste bombe?
25
 Il grafico mostra come variano le energie di legame per nucleone
per differenti atomi dei vari elementi della tavola periodica, al
variare del numero di massa A
 In corrispondenza del massimo (fascia rossa) si ha una maggiore
energia media di legame per nucleone e ciò vuol dire che siamo
nella situazione di nuclei più stabili, più fortemente legati
26
 E’ possibile prendere dei nuclei estremamente stabili e
renderli instabili bombardandoli con particelle altamente
energetiche. Questo processo è chiamato radioattività
artificiale o indotta
 Agli inizi degli anni trenta il fisico italiano
Enrico Fermi, con il gruppo di ricercatori
di via Panisperna, si rese conto
dell’importanza del bombardamento dei
nuclei con neutroni
27
 Il gruppo di Roma bombardò una serie di elementi e
quando arrivò all’uranio si aspettava di scoprire elementi
transuranici prodotti in reazione come:
238 + n1
92U
0
→ 92U239 + γ
 Ci si attendeva che il nucleo di uranio decadesse
spontaneamente per emissioni β in nettunio e plutonio
secondo i processi seguenti:
239
92U
→ 93Np239 + -1e0 + ν
239→ Pu239 + e0 + ν
Np
93
94
-1
28
Cosa era accaduto nelle reazioni nucleari con l’uranio?
Le cose non erano per nulla chiare perché si sovrapponevano
svariati fenomeni:
 gli elementi radioattivi prodottisi nel bersaglio erano più di 2
 certamente l’uranio (isotopo 238) aveva dato origine a
qualche transuranico non esistente in natura
 contemporaneamente l’uranio (isotopo 235) aveva visto i suoi
nuclei spezzarsi in 2 pezzi più piccoli
235 + n1 →
U
92
0
235
92U
+ 0n1 →
94 +
Sr
38
32Kr
92
+
140 + 2 n1
Xe
54
0
141
56Ba
+ 3 0n1
29
 9 gennaio 1939: Otto Hahn e Fritz Strassmann (due chimici
tedeschi) compresero che il nucleo di uranio poteva venire
suddiviso in due nuclei di massa atomica intermedia,
bombardandolo con neutroni. Ma esitarono a trarre
conclusioni
“Sulla base di questi esperimenti brevemente descritti, noi
siamo costretti come chimici a sostituire ai nomi di Ra, Ac, Th
[elementi pesanti che si pensava venissero formati nel
bersaglio] i nomi di Ba, La, Ce. Tuttavia come «chimici
nucleari», cioè molto vicini ai fisici, noi non ce la sentiamo di
fare un passo così contrario a quanto ha mostrato fino ad oggi
l’esperimento nel campo della fisica nucleare. Dopo tutto, una
serie di strane coincidenze potrebbe forse avere portato a questi
risultati”
30
 16 gennaio 1939: Lise Meitner e Otto Frisch (due fisici
austriaci) suggerirono che il neutrone può spezzare il nucleo
di uranio in “due nuclei di dimensioni pressappoco uguali”
→ Fissione nucleare
 Poiché l’energia media di legame per nucleone nell’uranio è
molto più piccola che nei nuclei prodotti nella fissione,
Meitner e Frisch furono in grado di prevedere che i frammenti
avrebbero dovuto avere alta energia
Def. Fissione nucleare: la scissione di un nucleo pesante, come
l’uranio, in due nuclei di massa intermedia, accompagnata
dalla liberazione di due o più neutroni e di grandi quantità di
energia
31
 Risultò che un nucleo
di uranio, dopo aver
catturato un neutrone,
può spezzarsi dando
luogo a più di 40
diverse coppie di
frammenti
 Inoltre nella fissione si
originano anche alcuni
neutroni, in media due
o tre per ogni fissione
32
 Non tutti i nuclei possono dar luogo alla fissione nucleare
 Per quelli fissionabili, la probabilità di spezzarsi in seguito a
bombardamento da neutroni dipende dall’energia del neutrone


U235 → neutroni di qualsiasi energia, ma la probabilità
aumenta per energie molto basse
U238 → solo neutroni veloci
33
Modello a goccia
 nucleo → goccia di liquido carica di elettricità
 Se la goccia non è troppo grande, la tensione superficiale
riesce a vincere le forze repulsive delle cariche mantenendo
unita la goccia
 Le molecole sono tenute assieme da una forza che agisce a
distanza corta come accade ai nucleoni nei nuclei
 Le particelle entro il nucleo sono in continuo movimento
casuale, esattamente come le molecole di un liquido
 Analogamente al processo di evaporazione delle molecole
dalla superficie di una goccia, alcune particelle, grazie a una
serie favorevole di urti con altre particelle, possono acquistare
abbastanza energia da vincere le forze nucleari attrattive e
sfuggire dal nucleo
34
1939 N.Bohr e J. A. Wheeler
 Bombardamento di un campione di U235 con neutroni lenti
(cioè con energia cinetica trascurabile):
massa nucleo U235
massa neutrone
massa totale
massa nucleo U236 (non eccitato)
differenza di massa
235,04393 UMA
1,00867 UMA
236,05260 UMA
236,04573 UMA
0,00687 UMA
 Eccesso di energia corrispondente alla differenza di massa:
0,00687 UMA ∙ 931 MeV/UMA = 6,4 MeV
unità di massa atomica: 1 UMA = 1,66 ∙ 10-27 kg
35
 U236 nell’istante della cattura del neutrone dispone di un’energia
supplementare pari a 6,4 MeV → energia di eccitazione
 Il nucleo di U236 si deforma assumendo una configurazione
allungata con una strozzatura nel mezzo e le sue due parti si
vengono a trovare a distanza maggiore del raggio d’azione delle
forze nucleari attrattive
 Quindi le forze di repulsione elettriche tra le due parti del nucleo
deformato possono superare in intensità le forze attrattive a piccolo
raggio, provocando la spaccatura del nucleo
 Il modello a goccia spiega perché alcuni nuclei vengono fissionati
anche con neutroni lenti, mentre altri solo con neutroni veloci
 Il minimo di energia richiesto per deformare il nucleo in maniera
sufficiente affinché le forze elettriche repulsive abbiano il
sopravvento sulle forze nucleari è detto energia di attivazione
36
Modello a goccia
37
 Quando l’uranio U235 cattura un neutrone per dare U236,
l’energia di eccitazione del nuovo nucleo è maggiore della sua
energia di attivazione, anche se il neutrone-proiettile possiede
energia cinetica trascurabile
 Nel caso della cattura di un neutrone lento da parte dell’uranio
U238, si forma U239, ma l’energia di eccitazione è inferiore di 0,9
MeV rispetto all’energia di attivazione
 Se invece i neutroni-proiettile posseggono energia cinetica
uguale o superiore a 0,9 MeV, la teoria di Bohr e Wheeler
prevede, e l’esperienza conferma, che questi neutroni energetici
sono in grado di provocare la fissione del nucleo di U238
38
 Il processo di fissione
ha un ruolo di estrema
importanza
per
le
applicazioni industriali
e militari
 Una singola fissione
libera un’energia di
circa 200 MeV, che
risulta più di un milione
di
volte
maggiore
dell’energia liberata in
una reazione chimica
39
In condizioni opportune, i neutroni generati nel processo
di fissione possono dare luogo a fissioni secondarie,
originando una reazione a catena
40
 L’energia liberata in una reazione a catena aumenta
esponenzialmente a patto che i neutroni che si producono in
una reazione non sfuggano tutti dalla zona interessata dalla
reazione stessa
 Def. Fattore di moltiplicazione k: il rapporto tra il numero di
neutroni che producono fissione ad un qualunque stadio di
reazione e il numero di neutroni che hanno prodotto fissione
nello stadio immediatamente precedente
 Quando k = 1 (quando ogni fissione genera una fissione
addizionale), si dice che la reazione a catena è critica
 Per le bombe nucleari deve essere k >> 1 per ottenere la più
completa liberazione di energia nel più breve tempo possibile
41
 Perché la reazione a
catena raggiunga il
livello critico, è richiesta
una massa minima di
sostanza fissionabile:
massa critica
 La massa critica varia
con il modo nel quale
la sostanza fissile è
distribuita nello spazio
42
2 modi di trasformare una massa subcritica in una
critica o sovracritica:
 il metodo “balistico”: le due metà del materiale esplosivo sono ai capi di un
cilindro in mezzo a loro c'è il vuoto. Quando la bomba viene innescata
esplodono due cariche di esplosivo convenzionale che scagliano le due metà
una contro l'altra. Di colpo le due metà compongono una massa ipercritica
compressa che automaticamente esplode. (Hiroshima)
 il secondo metodo si basa sul fatto che una massa subcritica, se fortemente
compressa, può trasformarsi in una massa critica o ipercritica. Questo tipo di
bomba è di forma sferica, nel centro di essa c'è il materiale fissile (uranio235 o plutonio), nello strato sotto la corazza c'è invece dell'esplosivo
chimico. Quando viene innescata l'esplosivo esplode creando una onda
d'urto verso il centro della bomba che comprime molto rapidamente il
materiale fissile finchè non raggiunge una massa ipercritica e quindi esplode.
(Nagasaki)
43
Il principio di
funzionamento
di una bomba
atomica
(bomba A)
44
 Un ordine di grandezza delle dimensioni delle prime bombe
costruite a Los Alamos e poi sganciate su Hiroshima e
Nagasaki lo si può avere con la figura:
 A sinistra vi è il disegno di come si presentava la bomba
usata su Hiroshima, realizzata con U 235 e del peso di 4
tonnellate, e a destra quella utilizzata su Nagasaki, realizzata
con Pu 239 e del peso di 4,5 tonnellate
45
L’ordigno esploso su
Hiroshima
L’ordigno esploso su
Nagasaki
46
 Un’altra fonte di energia nucleare proviene dalla fusione che
è il processo inverso della fissione
 Def. Fusione nucleare: una reazione nucleare nella quale due
nuclei leggeri si combinano, cioè si fondono insieme, per
formare un nucleo più pesante, con liberazione di una grande
quantità di energia
 Tale reazione nucleare è ancora allo studio e non è ancora in
grado di fornire energia utilizzabile per scopi pacifici
 Dalla fusione dipende però la vita del nostro sistema solare:
sono le reazioni di fusione nucleare che avvengono sul Sole
che forniscono l’energia necessaria al ciclo delle acque, alla
fotosintesi e a tutti i processi vitali
47
La fusione
consiste nel
fondere
insieme due
nuclei leggeri
per ottenerne
uno più
pesante con
conseguente
emissione di
un’enorme
quantità di
energia
48
Esempi di reazioni di fusione
 Vediamo quelle riguardanti gli isotopi
dell’idrogeno
2 + H2 →
H
1
1
3 + H1 + 4 MeV
H
1
1
2 + H2 →
H
1
1
3 + n1 + 3,3 MeV
He
2
0
2
+ 1 H3 →
2
+ 2He3 →
1H
1H
2He
4
2He
+ 0n1 + 17,6 MeV
4
+ 1H1 + 18,3 MeV
dove 1H1 = Idrogeno; 1H2 = Deuterio; 1H3 = Trizio;
3
4
2He = Elio 3; 2He = Elio 4
49
Alcuni esempi
di fusione
50
Quando due nuclei leggeri (1H2 e 1H3) si uniscono per produrre
un nucleo più pesante (2He4), si trova sperimentalmente che
viene liberata energia. Risulta evidente dalla curva dell’energia
che un nucleo di Elio è molto più stabile dei nuclei di Deuterio
e Trizio
51
Difficoltà legate alla fusione
 I processi di fusione si realizzano soltanto ad altissime
temperature (da 107 a 108 K), perciò la fusione controllata è
molto più difficile da ottenersi della fissione controllata
 L’unico uso pratico e realizzato dall’uomo di reazioni di
fusione è quello della bomba all’idrogeno o della bomba H
52
La bomba
all’idrogeno
o bomba H:
Si utilizza la
fusione
nucleare
mediante la
fissione (di
una bomba a
fissione), che
produce le
temperature
necessarie
alla fusione
53
Bomba A e Bomba H a confronto
 Per le bombe a fissione esiste un limite per le dimensioni
massime raggiungibili, oltre il quale l’effetto distruttivo non
aumenta più di molto (e questo è dovuto al fatto che una
gran parte del materiale fissile viene disperso prima di dare
la reazione di fissione)
Per le armi a fusione sembra che tale limite non esista e
quindi non esista limite al loro potere distruttivo
 L’energia liberata da una reazione di fusione è minore di
quella liberata da una reazione di fissione. Essa però
rappresenta una maggiore quantità di energia riferita
all’unità di massa
54
1H
2
+ 1H3 →
2He
4
+ 0n1 + 17,6 MeV
 L’energia liberata in questa reazione di fusione è:
17,6 MeV / 5 [nucleoni] = 3,52 MeV / [nucleone]
235
92U
+ 0n1 →
32Kr
92
+
141
56Ba
+ 3 0n1
 L’energia liberata in questa reazione di fissione è:
200 MeV / 235 [nucleoni] ≈ 1 MeV / [nucleone]
Per ogni unità di massa l’energia liberata dalla fusione è
circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione
55
Bomba a neutroni (bomba N)
 E’ una variante della bomba ad idrogeno
 Fissando due masse critiche (una minima di uranio-235 e
una minima di idrogeno o litio) è possibile, contenendo gli
effetti della deflagrazione, fare in modo che una parte molto
consistente di neutroni sfugga alla massa in reazione
investendo l’area circostante
 E’ necessario inoltre provvedere alla realizzazione
dell’insieme utilizzando materiali che consentano di
ottenere un grado di assorbimento dei neutroni pressoché
minimo
56
 La bomba a neutroni viene spesso chiamata anche bomba
pulita in quanto non lascia, già a distanza di poche ore
dalla sua esplosione, tracce di radioattività
 Distrugge la vita umana nel raggio di circa 1500 metri,
lasciando però intatte le cose che vengono semplicemente
attraversate dai neutroni ad esclusione di un’area piuttosto
limitata (un diametro di circa 350 metri)
Il terreno è praticamente interamente praticabile a distanza
di sole poche ore dal lancio, le strutture possono così
essere utilizzate
57
Fare una bomba atomica è facile?
 Qualsiasi fisico o ingegnere nucleare con un po’ di
esperienza potrebbe, studiando un po’ il problema,
sistemare l’esplosivo e progettare gli inneschi in modo
corretto e in tempi abbastanza brevi
 La vera difficoltà nel costruire una bomba atomica
non è sapere come fare una volta reperito il materiale,
ma è reperire il materiale
58
Perché solo pochi paesi hanno armi nucleari?
Il problema di fabbricare armi nucleari è fondamentalmente la
reperibilità del materiale:
 per avere plutonio servono delle centrali nucleari e
impianti per ritrattare il combustibile una volta uscito dal
reattore che sono: enormi, complessi e dispendiosi sia a
livello economico che di formazione del personale
 per avere uranio arricchito servono impianti di
arricchimento che sono: complessi, costosi e che o
consumano quantità spaventose di energia elettrica o
richiedono tecnologie molto complesse e, ovviamente,
tenute segrete
59
Plutonio
 Il Plutonio non esiste in natura, ma si ottiene dall’U238 quando assorbe un
neutrone.
Il nocciolo di un reattore è generalmente costituito da decine di tonnellate di
uranio, quindi una grande quantità di materiale si trova esposta al notevole
flusso di neutroni che si ha all’interno di un reattore, e tutto questo
materiale, assorbendo neutroni, genera plutonio
 L’unico problema è che il Pu239 estratto da molti tipi di reattori sia inquinato
da Pu240, un isotopo che ha proprietà che mal si conciliano con l’utilizzo
militare.
Tendenzialmente si estrae un buon plutonio quando si tiene per poco tempo
dell’uranio naturale in reattori moderati ad acqua pesante o a grafite, un
plutonio peggiore se si parte da uranio arricchito tenuto molto in reattori
moderati ad acqua leggera (I Pwr o i Bwr, cioè la stragrande maggioranza
dei reattori per usi civili)
 Non è un caso che il plutonio usato per la prima bomba americana fosse
stato generato da un reattore costituito da grafite e uranio naturale costruito
da Fermi
60
Uranio arricchito. Cos’è?
U238 (~ 99.3%)
 L’uranio naturale è costituito da 3 isotopi:
U235 (~ 0.7%)
U234 (tracce)
 Gli isotopi dell’uranio hanno comportamento chimico identico
e massa solo lievemente diversa, ma hanno un comportamento
totalmente diverso quando vengono irraggiati da neutroni lenti:
• quando un nucleo di U235 viene colpito da un neutrone ha
circa il 90% di probabilità di dividersi in due
(isotopo fissile)
• se un nucleo di U238 viene colpito da un neutrone, invece,
lo assorbe, e si trasforma dopo un po’ in Pu239
(isotopo fertile)
61
Uranio arricchito. Cos’è?
 Per utilizzarlo nelle armi nucleari (o anche nei reattori
nucleari), è necessario arricchire l’uranio naturale con
l’isotopo fissile, e quindi aumentare la percentuale di U235
 Il materiale che ne deriva è noto come uranio arricchito.
Per usi civili (centrali nucleari) si utilizza uranio arricchito al
2-3%, mentre per costruire una bomba atomica serve uranio
arricchito oltre l’80%, e di solito si cerca di arrivare al 90%
 Il prodotto di scarto della lavorazione dell’arricchimento
dell’uranio è rappresentato dall’uranio impoverito
62
L’uranio impoverito
Prodotto di scarto (basso prezzo)
Alta densità (~ 1.7 volte maggiore del piombo)
 Caratteristiche:
Alto coefficiente di penetrazione
Duttilità
Piroforicità (alcume particelle prendono fuoco
a contatto con l’aria)
Nelle corazze dei carri armati
 Usi militari:
Nelle munizioni anticarro
Nei missili e proiettili
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Come si ottiene l’uranio arricchito?
 La separazione degli isotopi di un elemento è estremamente
difficile da realizzare. Impiegando metodi chimici è
impossibile ottenere una separazione totale, dal momento che
le caratteristiche chimiche degli isotopi sono quasi identiche.
Spesso è dunque necessario ricorrere a metodi fisici, che si
basano su ridottissime differenze di proprietà chimico-fisiche,
determinate dal diverso numero di massa
 I primi isotopi a essere separati furono quelli dell'idrogeno, nel
1932, ad opera del chimico statunitense Harold Urey. Nel caso
dell’H1 e H2, la differenza in peso degli isotopi è del 100%,
mentre per l’U235 e U238 le piccole differenze percentuali in
numero di massa riducono considerevolmente l'entità degli
effetti osservabili, e rendono molto complessa la separazione
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I principali processi di arricchimento
 Centrifuga e distillazione
 Diffusione termica
 Diffusione gassosa
 Metodo elettromagnetico
 Ionizzazione selettiva laser
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 Tutti i metodi, fatta eccezione per quello elettromagnetico,
richiedono un'elaborata successione di passaggi. Al termine di
ciascuno di questi, la separazione è solo parziale: il materiale
originario è diviso in due frazioni, una delle quali contiene una
percentuale leggermente maggiore dell'isotopo più pesante e
l'altra una percentuale maggiore di quello più leggero
 Per ottenere una concentrazione apprezzabile dell'isotopo
desiderato, è necessario separare ulteriormente la miscela.
Questo processo viene ottenuto grazie a una sequenza di fasi che
procede a cascata: la frazione arricchita prodotta in ciascuna fase
diventa il materiale di partenza per la separazione successiva,
mentre la frazione scartata, che ancora contiene una
considerevole percentuale dell'isotopo desiderato, viene aggiunta
al materiale iniziale dello stadio precedente
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Centrifuga e distillazione
 Il metodo della centrifuga sfrutta la piccola differenza di
massa tra i vari isotopi. Il materiale iniziale viene inserito in
una sorta di cilindro rotante, che ha l'effetto di aumentare la
concentrazione dell'isotopo più pesante nella regione più
esterna del cilindro
E’ il metodo più facile e redditizio per avere un buon
potenziale di fabbricazione per costruire un arsenale nucleare
 Il metodo della distillazione consiste nel distillare una
miscela contenente vari isotopi. Le molecole con punto di
ebollizione più basso (gli isotopi più leggeri) si concentrano
nel flusso di vapore e possono quindi essere raccolte
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Diffusione termica
 Il metodo della diffusione termica sfrutta la tendenza delle
molecole più leggere di un liquido o di un gas a concentrarsi
nelle zone più calde
 Un semplice sistema per la diffusione termica consta di un
alto tubo verticale, lungo il cui asse centrale è posto un filo
riscaldato elettricamente alla temperatura di 500 °C; questo
filo produce un gradiente di temperatura tra il centro e le
pareti del tubo.
Gli isotopi più pesanti tendono allora a concentrarsi nelle
zone più esterne del tubo, quelli più leggeri verso il centro.
Inoltre, il gas o il liquido vicino al filo tende a salire, mentre
quello più esterno tende a scendere. L'effetto finale è quello di
raccogliere gli isotopi più pesanti sul fondo del tubo e quelli
più leggeri alla sua sommità
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Diffusione gassosa
 Il metodo della diffusione gassosa si basa sulla diversa velocità
di diffusione delle molecole con pesi molecolari diversi
 La velocità di diffusione di un gas è inversamente
proporzionale alla radice quadrata della sua massa, così gli
atomi leggeri diffondono attraverso una parete porosa più
velocemente degli atomi pesanti. Nella separazione degli
isotopi di uranio, l’unico composto gassoso di uranio,
l'esafluoruro (UF6) viene spinto continuamente attraverso una
barriera porosa
 Il problema è che l’arricchimento per ogni stadio è molto
basso, e che questi impianti consumano quantità immense di
energia elettrica per pompare il gas.
Inoltre il processo richiede l'uso di attrezzature e macchinari
enormi, e di complessi metodi di controllo
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Diffusione gassosa
 La diffusione gassosa fu il primo metodo, insieme al metodo
elettromagnetico, usato su vasta scala per ottenere la
separazione degli isotopi di uranio
 Nel corso del progetto per la fabbricazione della bomba
atomica, questi due metodi furono sfruttati per produrre circa
1 kg di U235 al giorno, che veniva impiegato nelle ricerche
sulle armi nucleari
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Metodo elettromagnetico (Culatrone)
 I primi quantitativi considerevoli di U235 furono ottenuti a
Oak Ridge, nel Tennessee (Stati Uniti), utilizzando il metodo
elettromagnetico
 Un raggio ionico ottenuto da un composto di uranio viene
inviato in un campo magnetico e attraversa una serie di unità
separatrici. Siccome il raggio di curvatura della traiettoria
degli ioni deflessi dipende dalla loro massa, ioni di masse
diverse giungono al termine del percorso in tempi diversi, e
ciò permette di separare i vari isotopi
 Questo metodo però consente di trattare piccole quantità di
materiale a ciascuna operazione. A causa di questa
limitazione, esso venne abbandonato al termine della guerra e
sostituito con quello di diffusione gassosa
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Ionizzazione selettiva laser (AVLIS)
 La separazione degli isotopi con il laser nacque nei primi
anni Sessanta, subito dopo l'invenzione del laser. Ebbe
notevoli miglioramenti con l'invenzione del laser cromatico a
lunghezza d'onda variabile, un dispositivo che produce un
fascio di fotoni in uno stretto intervallo di frequenze,
selezionabile con precisione fra le frequenze tipiche
dell'infrarosso e quelle dell'ultravioletto
 Sfruttando questo principio di operazione, se un elemento
viene previamente vaporizzato, i suoi atomi possono
successivamente essere eccitati e ionizzati da un laser
accuratamente sintonizzato, separando selettivamente gli
isotopi. È anche possibile ottenere la separazione in forma
molecolare, con un laser che dissocia quelle molecole del
composto che contengono l'isotopo desiderato
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Ionizzazione selettiva laser (AVLIS)
 Dal 1972, questi processi, in continuo miglioramento e
sviluppo, furono finalizzati all'arricchimento dell'uranio e del
plutonio per gli impianti e le armi nucleari
 Il metodo è costoso e di difficile realizzazione, ma in
compenso richiede solo pochi stadi per la produzione di
materiale estremamente arricchito
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Bibliografia
• Joseph F. Mulligan, Fisica 3, ed. Cremonese, 1993
• Paul A. Tipler, Corso di fisica – Fisica moderna, ed.
Zanichelli, 1995
• AA.VV., PPC – Progetto fisica – Volume B, ed. Zanichelli,
1986
• Paolo Alberico, Fisica di base, ed. Minerva Italica, 1995
Sitografia
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www.fisicamente.it
www.iapht.it
www.unitus.it/Scienze/giovani
wwwsis.inf.infn.it/seminars/aesposito
http://rad.med.unisi.it/TSRM/med_nucl.htm
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