Presentazione energia nucleare - Istituto Tecnico Industriale Statale ...

ENERGIA NUCLEARE E
RADIOATTIVITA’
ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE
«MARCONI» FORLI’
PROF. ROBERTO RIGUZZI

DEFINIZIONI
La somma del numero di protoni e del
numero di neutroni è denominato numero
di massa A = Z + N. I nuclidi di pari Z
sono denominati isotopi, quelli di pari A
sono denominati isobari, quelli di pari N
sono denominati isotoni.
2

ISOTOPO
• Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno
le stesse proprietà chimiche ma masse diverse determinate
dal diverso numero di neutroni.
3

Quando i protoni sono in numero troppo
elevato (Z>82), per quanti neutroni
mettiamo al nucleo, esso diviene instabile.
Un nucleo instabile tende a liberarsi di
alcune particelle; tale processo viene
denominato decadimento radioattivo. Il
processo di emissione di radiazioni è
denominato radioattività.
4

1)Nuclei troppo ricchi di neutroni decadono emettendo
elettroni veloci dette particelle Beta ()
2)Nuclei con numero atomico superiore ad 83 e numero di
massa superiore a 220 decadono emettendo particelle Alfa ()
positive, cioè nuclei di elio
3) La cattura di elettroni o l’emissione di elettroni positivi
avviene quando il numero di protoni è troppo elevato rispetto ai
neutroni. In tal caso un protone può trasformarsi in neutrone,
assorbendo un elettrone orbitante tra quelli più vicini 5

I Radioisotopi sono nuclidi radioattivi di
uno stesso elemento chimico, il cui nucleo
è instabile. Il termine più corretto per
indicare una specie atomica con un
nucleo formato da un determinato numero
di protoni Z (numero atomico) ed un
determinato numero di neutroni N è infatti
nuclide o radionuclide
6

I radionuclidi nella forma chimica opportuna
(composti marcati) hanno innumerevoli impieghi
in ambito scientifico (radiochimica e chimica
nucleare). Possono essere usati per esempio
per datare fossili, rocce, reperti. In campo
biomedico, le radiazioni emesse da numerosi
radionuclidi si sono rivelate utili nel
diagnosticare svariate patologie e/o distruggere
le cellule tumorali medicina nucleare.
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Nel 1896 Henri Becquerel notò che una lastra fotografica s'anneriva se posta nelle
vicinanze di un minerale contenente composti dell'uranio. Nel 1899 Pierre e Marie
Curie riuscirono ad estrarre dal minerale la sostanza radioattiva responsabile:il
radio.
Lo studio approfondito di elementi “ radioattivi” portò in breve tempo ad identificare
tre differenti tipi di radiazione:
Emissione di particelle neutre
Emissione di particelle cariche positivamente
Emissione di particelle cariche negativamente
8

Atomi nei cui nuclei sono contenuti quantità eccessive di protoni e neutroni
emettono di solito una radiazione alfa, costituita da un nucleo di elio (due
protoni + due neutroni), e avente due cariche positive. Tale disintegrazione
porta alla formazione di un isotopo di altro elemento chimico, avente numero
atomico diminuito di due unità e numero di massa diminuito di quattro unità.
Esempio: l'uranio 238 (92 protoni + 146 neutroni) emette radioattività alfa
trasformandosi in torio-234 (90 protoni + 144 neutroni), con un tempo di
dimezzamento di 4,5 miliardi di anni.
238
92
U → 234 90 Th + 4 2He (Particella alfa)
Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere
completamente bloccate da un semplice foglio di carta.
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Atomi nei cui nuclei sono contenute quantità eccessive di neutroni
emettono di solito una radiazione beta, costituita da un elettrone. In
particolare, uno dei neutroni del nucleo si disintegra in un protone e in un
elettrone, che viene emesso. Tale disintegrazione porta alla formazione di
un isotopo di altro elemento chimico, avente numero atomico aumentato
di una unità (il protone in più) e numero di massa invariato (il protone si é
sostituito al neutrone).
Esempio: il cobalto-60 (27 protoni + 33 neutroni) emette radioattività
beta trasformandosi in nichel-60 (28 protoni + 32 neutroni), con un
tempo di dimezzamento di 5,3 anni.
60
27
Co → 60 28 Ni + e- (particella beta)
Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere
completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad
11
esempio, pochi millimetri di alluminio).

La radiazione gamma é una onda elettromagnetica come la luce o i raggi X, ma assai più
energetica.
Le radiazioni alfa e beta sono invece di tipo corpuscolare e dotate di carica (positiva le
alfa, negativa le beta).
La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione
beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il 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.
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. i
raggi gamma e i neutroni invece, elettricamente neutri, vengono assorbiti solo per urto
diretto contro un atomo o un nucleo atomico, e percorrono distanze molto maggiori.
Inoltre non esiste una distanza limite per il loro assorbimento ma vengono assorbiti
esponenzialmente, cioè all'aumentare del cammino percorso dal fascio, "sopravvive" una
frazione sempre più piccola (ma sempre diversa da zero) delle particelle originarie.
Neutroni: costituiti da neutroni liberi accelerati
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Quando una particella radioattiva viene assorbita, essa trasferisce la sua
energia al nucleo o all'atomo che l'ha catturata, eccitandolo: l'atomo
catturatore poi rimette questa energia sotto forma di una nuova
radiazione (raggi gamma o raggi X) o altre particelle (raggi beta o
neutroni termici) di minore energia rispetto a quelle assorbite; inoltre
l'impatto di particelle cariche di alta energia provoca l'emissione di raggi
X nel materiale di assorbimento. Nel progetto di schermature contro le
radiazioni è sempre necessario tenere conto di quali tipi di particelle si
debbono fermare e di quali emissioni secondarie si avranno.
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MISURA DELLA RADIOATTIVITA’
• Becquerel
• Il becquerel (simbolo Bq) è l'unità di misura del Sistema internazionale dell'attività di un radionuclide
(radioattività), ed è definita come l'attività di un radionuclide che ha un decadimento al secondo. Perciò
dimensionalmente equivale a s-1. 1Bq equivale ad 1 disintegrazione al secondo.
• Equivalenze rispetto alle vecchie unità:
• • 1 Rd = 106 Bq = 1 MBq
• • 1 Bq = 2,7×10-11 Ci = 27 picocurie
• Il becquerel deve il suo nome a Antoine Henri Becquerel, che nel 1903 vinse il premio Nobel insieme a Marie
Curie
• e Pierre Curie per il loro pionieristico lavoro sulla radioattività
• Gray
• Il gray (simbolo Gy) è l'unità di misura della dose assorbita di radiazione del Sistema Internazionale.
Un'esposizione
• di un gray corrisponde ad una radiazione che deposita un joule, (definito come 1 kg•m2/s2), per
• chilogrammo(simbolo: kg), di materia (sia tessuti biologici che qualsiasi altra cosa).
• Dimensionalmente si ha:
• Sottomultiplo del Gy è il cGy (centigray): 10−2 Gy ; 0,01 Gy ;1/100 Gy.
• Anche il cGy è utilizzato : 100 cGy = 1 Gy ; 1 Gy = 100 cGy.
• Il gray fu definito nel 1940 da Louis Harold Gray da cui prende il nome.
• Il gray ha sostituito la vecchia unità, il rad; vale la relazione 100 rad=1 Gy
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MISURA DELLA RADIOATTIVITA’ (2)
• Il sievert (simbolo Sv) è l'unità di misura della dose equivalente di radiazione nel Sistema Internazionale ed è una
misura degli effetti e del danno provocato dalla radiazione su un organismo. La dose equivalente ha le stesse
dimensioni della dose assorbita, ovvero energia per unità di massa. Nel Sistema Internazionale si ha:
• Relazione sievert - gray
• Rispetto alla dose assorbita e alla sua unità di misura, il gray (Gy), che riflettono in assoluto una dose di energia
assorbita da una unità di massa, la dose equivalente e il sievert riflettono piuttosto gli effetti biologici della radiazione
sull'organismo. I diversi tipi di radiazione possono essere infatti più o meno dannosi per l'organismo. Nel caso di raggi
X, gamma o beta 1 Gy di dose assorbita equivale ad 1 Sv di dose equivalente. Mentre per i raggi alfa, più dannosi per
l'organismo1 Gy è equivalente a 20 Sv. Per i neutroni 1 Gy equivale da 3 a 11 Sv a seconda dell'energia del fascio.
• Dosi equivalenti tipiche
• fondo naturale di radiazione per anno (media) 2,4 mSv
• massima dose di fondo naturale per anno 260 mSv
• radiografia convenzionale 1 mSv
• tomografia computerizzata 3 ~ 4 mSv
• PET, tomografia ad emissione di positroni 10 ~ 20 mSv
• scintigrafia 10 ~ 20 mSv
• radioterapia 10 ~ 40 mSv
• Il sievert ha sostituito l'unità tradizionale, il rem (1 Sv = 100 rem).
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MISURA DELLA RADIOATTIVITA’ (3)
• Il contatore Geiger, inventato nel 1913 in Inghilterra da Hans Wilhelm Geiger (1882 -1945), è uno strumento utile per
misurare radiazioni di tipo ionizzante. In particolare può essere usato per misurare le radiazioni provenienti da
decadimenti di tipo alfa e beta (nuclei di elio ed elettroni). Il cuore del contatore Geiger è costituito da un tubo
contenente un gas a bassa pressione (per esempio, una miscela di argon e vapore di alcool alla pressione di 0,1
atmosfere). Lungo l'asse del tubo è teso un filo metallico, isolato dal tubo stesso. Tra il filo e il tubo si stabilisce una
differenza di potenziale (sui 1000 volt), attraverso una resistenza dell'ordine del miliardo di ohm.
• Funzionamento
• Il contatore Geiger è una camera a deriva utilizzata in modo che la tensione prodotta dal passaggio della particella
ionizzante non dipenda dall'energia rilasciata da questa e quindi dal numero delle coppie ione-ione prodotte. Infatti,
quando una radiazione attraversa il tubo e colpisce una delle molecole del gas, la ionizza, creando una coppia ioneelettrone.
Ma in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria. Infatti oltre alla
ionizzazione si hanno fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta. Una piccola parte
di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che generano nuova ionizzazione, tramite il processo della
moltiplicazione a valanga. L'impulso elettrico risultante sarà testimone dell'avvenuto contatto con una radiazione
ionizzante, e sarà contato da un circuito elettronico (i famosi “click” che si sentono). A seconda del numero di conteggi
fatti in un'unità di tempo, riusciamo a capire se siamo in presenza di una sorgente radioattiva, e la sua pericolosità. La
sensibilità dello strumento varia significativamente al variare dell'energia della radiazione incidente.
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EFFETTI
• La dose letale 50 %, DL 50 o LD 50 , è la misura della dose necessaria di un agente tossico per
uccidere il 50 % della popolazione. Per le radiazioni che investono il corpo umano il valore
dell' LD 50 varia da 2,50 Sv a 4,50 Sv. Per dosi di circa 0,50 Sv la probabilità di morte
istantanea è molto bassa, tuttavia si possono avere conseguenze nel tempo (leucemie,
cancro, ecc..).
• Dose equivalente effetti biologici
• 1 Sv alterazioni temporanee dell'emoglobina
• 2 ~ 5 Sv nausea, perdita dei capelli, emorragie
• 4 Sv morte nel 50% dei casi
• 6 Sv sopravvivenza improbabile
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L'uranio naturale è composto da una miscela di tre
isotopi, 234 U, 235 U, e 238 U, di cui 238 U è il più abbondante (99,3%),
mentre il 234 U costituisce una percentuale trascurabile del totale.
Questi tre isotopi sono radioattivi; quello dotato di tempo di
dimezzamento più lungo è il 238 U (emivita: 4,5 · 10 9 anni),
seguono 235 U (7 · 10 8 anni) e 234 U (2,5 · 10 5 anni). 238 U emette
prevalentemente particelle alfa decadendo in 234 Th. A sua volta,
questo decadimento, continua la catena fino a giungere al 206 Pb,
stabile.
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Per ottenere un materiale fissile che sia adatto a scopi
nucleari, cioè che emetta una quantità sufficiente di
neutroni, è necessario aumentare la concentrazione
dell'isotopo
235
U rispetto al più comune e meno
radioattivo 238 U. Questo processo è chiamato arricchimento.
L'uranio si considera "arricchito" quando la frazione di 235 U è
considerevolmente maggiore del livello naturale (circa lo
0,7%), tipicamente su valori compresi tra il 3% ed il 7%.
235
U è il tipico materiale fissile per i reattori nucleari a
fissione ed è utilizzabile per la produzione di armi nucleari
se sufficientemente puro.
20

Il processo di concentrazione dell'uranio - 235 è un compito
estremamente difficile: non è possibile separarli per via
chimica, essendo due isotopi dello stesso elemento, e l'unico
modo è sfruttare la piccolissima (meno dell'1,5%) differenza di
peso. Per fare questo si fa reagire l'uranio metallico
con fluoro ottenendo esafluoruro di uranio (UF 6
), un composto
solido bianco, che sublima in fase gassosa al di sopra di
56,4 °C. Questo composto in fase gassosa è usato nei due
più comuni processi di arricchimento, l'arricchimento
per diffusione gassosa o per centrifugazione del gas .
Dopo l'arricchimento l'esafluoruro è decomposto, riottenendo
uranio metallico e fluoro gassoso, dopodiché è ossidato a
formare diossido di uranio UO 2
.
21

MASSA CRITICA
La massa critica di un materiale fissile e’ la quantità
di tale materiale necessaria per far in modo che una
reazione nucleare a catena possa autosostenersi.
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La reazione nucleare a catena indotta da neutroni, in una
massa di 235 U avviene secondo uno schema di questo tipo:
235
U + n → 236 U "instabile" → 144 Ba + 89 Kr + 3 n + 211,5 MeV
La formula esprime ciò che succede ad un nucleo di uranio
( 235 U) quando viene colpito da un neutrone (n). L'effetto della
cattura da parte del nucleo è la trasformazione di
quest'ultimo in un nuovo elemento ( 236 U) che però dura solo
un tempo brevissimo dopodiché l'elemento instabile si
spezza formando due nuovi elementi.
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Gli elementi indicati nella seconda parte della formula sono
il risultato relativamente più frequente della scissione, ma si
possono formare anche elementi diversi a seconda del
modo del tutto casuale in cui il nucleo si divide. La maggior
parte di questi elementi a loro volta sono spesso isotopi
instabili, perciò sono radioattivi e soggetti a ulteriore
decadimento (detti "frammenti di fissione"). Alcuni di questi
risultano estremamente pericolosi per l'ambiente e la salute
umana (particolarmente frequenti sono il cesio 137, lo
stronzio 90 e lo iodio 131) data la facilità con cui tendono ad
accumularsi nei tessuti degli esseri viventi.
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REAZIONE A CATENA
• 1) Un nucleo di uranio 235 viene "bombardato"
da un neutrone e avviene la fissione che spezza il
nucleo in due frammenti e libera tre neutroni e
dell'energia.
2) Uno di questi neutroni è assorbito da un altro
nucleo di uranio 238 ed è perso nel bilancio. Un
secondo neutrone può "fuggire" dal sistema o
essere assorbito da un elemento che non continua
la reazione. Il terzo neutrone viene assorbito da
un nucleo di uranio 235 che si spezza in due
frammenti liberando due neutroni e dell'energia.
3) I due neutroni liberati si scontrano con due
nuclei di uranio 235 e ogni nucleo libera da uno
a tre neutroni che servono per continuare la
reazione a catena.

FISSIONE DELL’ATOMO
26

1 2
27

FISSIONE DEL 232 Th
28

Per ottenere le 160 t di uranio necessarie per a una centrale per
un anno, si parte da un granito uranifero (1000 ppm), occorre
processare 160.000 t di materiale prelevati da miniere che
prevedono lo sbancamento di quantità molto maggiore di roccia.
Queste miniere devono essere protette da infiltrazioni di acqua
(rischio inquinamento radioattivo delle falde).
Nelle miniere è facilmente presente il radon (Rn), radioattivo e
cancerogeno, che si libera nell’ambiente a seguito dello
sbancamento.
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Per ottenere un prodotto raffinato (yellowcake), che contenga
l’80% di ossidi di uranio (U 3 O 8 principalmente), il materiale
estratto deve essere portato presso un impianto industriale e
trattato con acqua e acidi forti e altri prodotti chimici.
Le 159.840 t di minerali di scarto più le grandi quantità di
prodotti chimici utilizzati per la purificazione devono essere
smaltiti e contengono isotopi radioattivi.
Gli ossidi di uranio sono trasformati in esafluoruro di uranio
(UF 6 ) e per centrifugazione si arricchisce l’ 235 U. Questo viene
trasformato in UO 2 e messo in barre di Zr lunghe 3,5 m.
30

Fusione del nocciolo
La fusione del nocciolo in una centrale nucleare consiste nella liquefazione del nocciolo radioattivo
e delle strutture di contenimento, con conseguente dispersione del materiale radioattivo. La fusione
del nocciolo è causata dalla reazione nucleare incontrollata che si innesca quando il sistema di
raffreddamento non è più in grado di controllare la reazione a catena, portando la temperatura del
reattore a migliaia di gradi centigradi. E' opportuno chiarire alcuni aspetti che possono indurre in
confusione. In primo luogo la fusione del nocciolo non va confusa con la fusione nucleare. In
secondo luogo, la fusione del nocciolo in una centrale nucleare non esplode come la bomba atomica
anche se le conseguenze non sono meno catastrofiche per l'ambiente e per l'uomo.
Contaminazione e nuvola radioattiva
La dispersione del materiale radioattivo comporta la contaminazione dell'ambiente circostante.
L'insorgere di incendi può trasportare le particelle radioattive in atmosfera, creando una nube
radioattiva che può spostarsi per migliaia di chilometri, ampliando la contaminazione
radioattiva su scala continentale. Per tali ragioni il nocciolo del reattore nucleare è circondato da
strutture in acciaio e da una gabbia di contenimento. Tuttavia, questi sistemi possono rivelarsi
inadeguati in presenza di eventi naturali come terremoti o tsunami. Gli eventi sismici possono
causare cedimenti alle strutture di protezione del reattore, dette anche sarcofago, e gravi
danneggiamenti al sistema di sicurezza e di raffreddamento. Tali eventi, pur avendo poca
probabilità di verificarsi contemporaneamente possono accadere, come hanno dimostrato i fatti
relativi all'incidente nucleare del marzo 2011 alla centrale atomica di Fukushima in Giappone.

Fusione del nocciolo

Fusione del nocciolo
Le alte temperature del nocciolo non più raffreddato fanno reagire l’acqua con
i materiali metallici della struttura producendo l’idrogeno responsabile delle
esplosioni del nocciolo. Sono esplosioni chimiche, non nucleari. La reazione
nucleare è invece responsabile dell’inquinamento radioattivo e del
riscaldamento iniziale del nocciolo. Come esempio alcune delle reazioni che
possono produrre idrogeno nelle condizioni di un nocciolo nucleare non
raffreddato.
Fe + H 2 O FeO + H 2
Zr + 2H 2 O ZrO 2 + 2H 2
U + 2H 2 O UO 2 + 2H 2
2Pu + 3H 2 O Pu 2 O 3 + 3H 2
La reazione dell’idrogeno con l’ossigeno è responsabile delle esplosioni che si
sono osservate a Fukushima.
2H 2 + O 2 2H 2 O

Dopo 3 anni di permanenza all’interno del reattore il
combustibile passa alle piscine di raffreddamento; si sono
formati in totale circa 350 nuclidi differenti, 200 dei quali
radioattivi.
Si ha, in media, la seguente composizione:
- 94% uranio 238
- 1% uranio 235
- 1% plutonio
- 0.1% attinidi minori (Np, Am,
Cm)
- 3÷4% prodotti di fissione
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238
U nella reazione di fertilizzazione con un neutrone si trasforma in 239 Pu,
che a sua volta può essere utilizzato come fissile o per scopi bellici.
L'isotopo 239 Pu è il prodotto fissile fondamentale per la maggior parte delle
armi nucleari: la sua produzione è quindi importante per le nazioni in
possesso di un arsenale nucleare e per quelle aventi programmi di
sviluppo del nucleare militare.
238
92 U + n → 239 92U "instabile" → 239 93Np + e - → 239 94Pu + e -
239
Pu viene normalmente prodotto nei reattori nucleari esponendo 238 U a
un flusso di neutroni. Questo si trasforma in 239 U che subisce due rapidi
decadimenti beta, trasformandosi prima in 239 Np e successivamente
in 239 Pu. Al termine dell'esposizione il 239 Pu formatosi risulta mescolato ad
una ingente residua quantità di 238 U e a tracce di altri isotopi dell'uranio,
nonché di eventuali prodotti di fissione; viene purificato per via chimica.
37

Se 239 Pu cattura a sua volta un neutrone, si trasforma però
in 240 Pu, un isotopo che subisce facilmente fissione; per questo
motivo un plutonio ricco del suo isotopo 240 risulta poco utile
nelle armi nucleari perché emette radiazione di neutroni,
rendendone problematica la manipolazione, e potrebbe produrre
una parziale piccola esplosione che distrugge l'arma senza che
questa possa detonare efficacemente. Inoltre è impossibile
distinguere chimicamente 239 Pu da 240 Pu, sarebbe quindi
necessario separarli per via fisica, un processo difficile e costoso
(simile a quello impiegato per l'arricchimento dell'uranio). Per
questa ragione l'irraggiamento di 238 U non si protrae mai per
tempi troppo lunghi, ma si tende a separare da esso il 239 Pu
prima che questi possa raggiungere concentrazioni sufficienti per
poter reagire in maniera significativa con i neutroni incidenti. 38

Per via della sua facile fissione e per la sua disponibilità, il 239 Pu
è un componente fissile fondamentale delle moderne armi
nucleari. La massa critica per una sfera di plutonio è di 16
chilogrammi, che può essere ridotta a 10 chilogrammi attraverso
l'uso di una schermatura che le rifletta contro i neutroni da essa
emessi. Una tale quantità corrisponde circa ad una sfera di 10
centimetri di diametro che per completa detonazione libera
un'energia di 200 chilotoni. Il 239 Pu ha tempo di dimezzamento
(emivita) di 24.200 anni.
39

Il plutonio è un componente fissile chiave nelle moderne armi
nucleari; devono essere prese cautele per evitare accumulo di
quantità di plutonio che si avvicinano alla massa critica che
genererebbe una reazione nucleare. Anche se non e' confinata
dalla pressione esterna come è richiesto per un'arma nucleare,
si riscalderà e si romperà qualunque sia l'ambiente confinante
in cui si trova; figure compatte quali le sfere devono essere
evitate.
Il plutonio può anche essere usato per fabbricare armi
radiologiche.
40

L'isotopo 238 Pu emette particelle alfa ed ha un'emivita di 87 anni. Questa sua
caratteristica lo rende adatto per produrre generatori di corrente per dispositivi
destinati a lavorare senza manutenzione diretta per un tempo paragonabile a
quello di una vita umana; viene per questo usato nei generatori termoelettrici a
radioisotopi (RTG) come quelli che alimentano le sonde Galileo e Cassini. Versioni
precedenti della stessa tecnologia hanno fornito energia a dispositivi per condurre
esperimenti sismologici sulla superficie della Luna durante le missioni
del Programma Apollo .
Il 238 Pu è stato usato anche per alimentare alcuni modelli di cuore artificiale, in
modo da ridurre i rischi dovuti a ripetute operazioni chirurgiche. È stato
ampiamente rimpiazzato da batterie al litio ricaricabili per induzione, ma si calcola
che negli Stati Uniti, nel 2003, tra 50 e 100 pace-maker al plutonio fossero
impiantati in pazienti ancora in vita.
Il plutonio-239 puo' anche essere usato come combustibile nelle centrali nucleari
di nuova generazione, che bruciano un carburante ad ossidi misti di uranio e
plutonio (MOX).
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Un generatore termoelettrico a radioisotopi o
radioisotope thermoelectric generator (RTG) è un semplice
generatore di energia elettrica basato sul decadimento di isotopi radioattivi.
È composto da due parti: una fonte di calore e un sistema per la conversione del calore in elettricità. La
fonte di calore contiene un radioisotopo, il plutonio 238, che diventa fisicamente caldo a causa del proprio
decadimento radioattivo. Il calore è trasformato in elettricità da un convertitore termoelettrico che sfrutta
l'effetto Seebeck, un principio base della termoelettricità scoperto nel 1821. Una forza elettromotrice è
prodotta dalla diffusione di elettroni attraverso l'unione di due differenti materiali (metalli o semiconduttori)
che formano un circuito quando i capi del convertitore si trovano a temperature differenti.
Ogni RTG contiene 18 moduli separati, ognuno dei quali include 4 barre di plutonio 238. I moduli sono
progettati per resistere ad ogni possibile eventualità: esplosione o incendio del veicolo di lancio, rientro in
atmosfera seguito da impatto sul terreno o in acqua, e situazioni seguenti all'impatto. Uno schermo esterno
in grafite provvede alla protezione contro i danni strutturali, termici e corrosivi di un potenziale rientro;
inoltre, il combustibile è in forma di biossido di plutonio 238, un materiale ceramico resistente alla rottura.
I generatori RTG sono progettati accuratamente e intensamente testati; da decenni sono utilizzati in modo
sicuro nel campo dell'esplorazione spaziale. Tuttavia, in seguito all'incidente dello Space Shuttle
Challenger, avvenuto il 28 gennaio 1986, venne considerata la possibilità di applicare uno schermo
aggiuntivo al generatore; ma anche se questo potesse garantire protezione nelle vicinanze della zona di
lancio, la sua notevole complessità aumenterebbe i rischi di una missione. In caso di avaria, uno schermo
aggiuntivo potrebbe aumentare in maniera significativa le conseguenze di un impatto con il suolo.
43

L'americio fu sintetizzato per la prima nel 1944, sottoponendo 239 Pu a successive
reazioni di cattura neutronica in un reattore nucleare. Questo produsse prima 240 Pu
e poi 241 Pu che a sua volta si convertì in 241 Am tramite un decadimento beta.
239
94 Pu + n → 240 94Pu + n → 241 94Pu→ 241 95Am + e-
Come si vede le reazioni nucleari possono portare alla produzione di attinidi
transuranici, radioattivi e di elevata tossicità chimica. L'americio può essere
prodotto in quantità dell'ordine dei chilogrammi, principalmente sotto forma
dell'isotopo 241 Am.
Trova applicazioni domestiche in alcuni modelli di rivelatori di fumo, dove viene
usato in qualità di sorgente di radiazioni ionizzanti. 241 Am è stato anche usato
come sorgente portatile di raggi gamma per l'uso in radiografia e come mezzo per
misurare lo spessore del vetro. 242 Am è un emettitore di neutroni ed ha trovato uso
nella radiografia a neutroni; è tuttavia un isotopo estremamente costoso da
produrre in quantitativi utilizzabili.
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La bomba all'idrogeno o bomba H (più propriamente bomba a fusione termonucleare incontrollata, in gergo "la
superbomba") è una bomba a fissione-fusione-fissione in cui una normale bomba atomica, che serve da innesco, viene
posta all'interno di un contenitore di materiale fissile insieme ad atomi leggeri. Quando la bomba A esplode, innesca la
fusione termonucleare dei nuclei degli atomi leggeri; questo processo provoca a sua volta la fissione nucleare del materiale
che la circonda (la reazione di fissione corrisponde a 2/3 della potenza totale, mentre quella di fusione ad 1/3).
In questo tipo di bomba dunque l'energia liberata deriva oltre che dalla fissione nucleare anche dalla fusione termonucleare
fra nuclei di isotopi diversi dell'idrogeno: il deuterio ed il trizio ( un tempo di dimezzamento pari a 12,33 anni). Nel caso della
bomba al deuterio e litio, tale processo avviene secondo una reazione nucleare del tipo:
2
H + 3 H → 4 He + n + 17,6 MeV
Il trizio non è di per sé presente nella composizione iniziale della bomba ma viene prodotto dall'urto di neutroni veloci contro
nuclei dell'isotopo del litio (Teller 1951) avente numero di massa 6 e nuclei di deuterio secondo queste due reazioni nucleari:
6
Li + n → 3 H + 4 He + 4,8 MeV e
2
H + n → 3 H + 6,2 MeV
La temperatura e la pressione elevatissime necessarie affinché avvenga la fusione termonucleare nonché i neutroni veloci
indispensabili per generare l'idrogeno 3 vengono forniti, come già detto, da una bomba A.
A differenza della bomba atomica, con quella H non vi è alcuna limitazione teorica di potenza. La bomba termonucleare non
necessita di una massa critica a differenza della bomba A. In realtà, però, essendo necessaria quest'ultima per attivare il
processo di fusione termonucleare, rimane ugualmente la necessità a monte di una massa critica. La prima bomba H venne
sperimentata dagli U.S.A. nel novembre del 1952. L' Unione Sovietica sperimentò il suo primo ordigno (alla cui realizzazione
molto contribuì Andrej Sakharov) nell'agosto 1953. Seguirono il Regno Unito, la Repubblica Popolare Cinese e la Francia
rispettivamente nel 1957, 1967 e 1968. A differenza della bomba A la bomba H non è mai stata impiegata in operazioni
belliche. Analogamente alla bomba A, la bomba H può essere installata su diversi sistemi d'arma: aerei, missili balistici,
missili lanciati da sottomarini. Nel 1961, in una serie di test nucleari, l'URSS fece esplodere la più potente bomba H mai
realizzata (la bomba Zar) che liberò energia pari a 57 megatoni, ovvero oltre 4 500 volte più potente della bomba all'uranio
lanciata su Hiroshima (Little Boy).
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FORMAZIONE DI UN NUCLEO ATTRAVERSO LA
FUSIONE NUCLEARE
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