Energia nucleare

Energia nucleare

Classe 3C - Prof.ssa A. Lombardo

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L'uranio - uno degli elementi più pesanti esistenti in natura - è metallo dall'aspetto bianco-argenteo che probabilmente è rimasto imprigionato nella crosta terrestre e nei minerali dopo l'esplosione di una supernova

iNIZIA TUTTO DAlle stelle!

Uraninite (o pechblenda) Il minerale più ricco di uranio (UO₂)

URANIO

• In natura, l'uranio non si trova in forma libera ma combinato con altri elementi;
• Si stima che siano circa 200 le rocce che contengono uranio;

• Si tratta di un elemento tossico e radioattivo.

Timeline _ Scoperta dell’uranio e della radioattività

1781

1789

1896

1898

1905

DOMANDA

DOMANDA

DOMANDA

DOMANDA

video

Curiosità

Il simbolo della radioattività è stato introdotto nel 1946 dalla Comissione Internazionale di Radioprotezione (ICRP) per segnalare la presenza di materiali radioattivi e il rischio di esposizione a radiazioni.

La radioattività fa male perché:

Altri elementi radioattivi sono:

Uranio, cos'è?

Danneggia le cellule ed il DNA

Radio Polonio Scoperti entrambi da Pierre e Marie Curie

Metallo radioattivo scoperto a fine '700 Non si trova in forma libera ma contenuto in altre rocce Uno degli elementi più pesanti in natura Numero atomico Z=92

da cosa è data la radioattività?

I nuclei degli atomi di alcuni elementi chimici non sono stabili ma decadono, cioè tendono a spezzarsi: è il fenomeno chiamato radioattività. Per esempio, il nucleo degli atomi di radio (Z= 88) decade spontaneamente, spezzandosi in due nuclei più piccoli. I nuclei atomici prodotti dalla fissione hanno una massa complessiva che è inferiore alla massa del nucleo di partenza.

DOMANDA

In accordo con la formula di Einstein, la massa non scompare ma si trasforma in energia!

E=MC2

(E) = energia che si ottiene facendo «sparire» una certa quantità di materia (M). (C) = rappresenta velocità della luce (300.000 km/s) elevata al quadrato. Poiché la C2 è grandissima, l'eliminazione di una piccola quantità di materia genera una grande quantità di energia.

E=MC2

stelle

nelle

idrogeno

con

fusione nucleare

centrali nucleari

nelle

uranio

con

fissione nucleare

può essere prodotta da

è l'energia liberata durante la trasformazione di alcuni nuclei atomici

L'energia nucleare

fissione nucleare

uranio -235

L'uranio-235 è un isotopo dell'uranio, ovvero una forma di uranio con un numero maggiore di neutroni nel suo nucleo rispetto all'uranio "normale" (che è uranio-238). Questo lo rende maggiormente radioattivo

fasi

1. Un neutrone viene «sparato» contro un nucleo di uranio . 2. II nucleo di uranio si spacca in due frammenti lasciando liberi altri tre neutroni. 3. La somma delle masse dei due frammenti dei tre neutroni è leggermente minore della massa del nucleo di uranio: la materia che è «sparita» si è trasformata in energia. 4. I tre neutroni liberati rompono a loro volta altri tre nuclei vicini che liberano 9 neutroni (3x3) e così via.

nucleo di un atomo di uranio 235 (contiene 92 protoni e 143 neutroni (per un totale di 235 nucleoni)

il nucleo è colpito da un neutrone

Uranio235 → Kripto92 + Bario141 + 3 neutroni + energia

La somma delle masse dei due frammenti e dei tre neutroni è leggermente minore della massa del nucleo di uranio: la materia che è «sparita» si è trasformata in energia.Se accanto al nostro atomo di uranio 235 ve ne sono molti altri, si innesca la reazione a catena: inizia dalla rottura del primo nucleo; i tre neutroni così liberati rompono, a loro volta, altri tre nuclei vicini: la sequenza si ripete con liberazione crescente di energia.

video

DOMANDA

Timeline _ FISSIONE NUCLEARE

1938-39

1943

1945

1986

2011

Perché a Chernobyl oggi non si può ancora vivere, ma a Hiroshima e Nagasaki sì?

Si basa su tre circuiti indipendenti che effettuano scambi termici

centrale nucleare

CIRCUITO PRIMARIO

è il cuore della reazione

CIRCUITO SECONDARIO

produzione di vapore

CIRCUITO TERZIARIO

raffreddamento

COME FUNZIONA UNA CENTRALE NUCLEARE

L’energia nucleare non emette gas serra, ma è necessario gestire con attenzione i rifiuti radioattivi. Il materiale radioattivo rimane confinato nel circuito primario, senza mai entrare in contatto con gli altri circuiti o con l’ambiente esterno.

fusione nucleare

idrogeno e i suoi isotopi

Deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno (H). L'idrogeno è l’elemento più leggero esistente in natura e per questo è stato utilizzato fino agli anni '40 per gonfiare i dirigibili. Isotopo: numero di protoni uguale ma diverso numero di neutroni.

fasi

1. Deuterio e trizio si fondono per formare un atomo di elio (He). 2. Dalla fusione di libera un netrone e l'energia. 3. Per fare la fusione servono condizioni eccezionali: i nuclei devono essere sottoposti a una fortissima pressione ed essere scaldati a una temperatura superiore a 100 milioni di °C. Queste condizioni si verificano in natura solo nelle stelle

link video

LA bomba h

Nel 1954 fu esplosa la prima bomba H, ovvero una fusione «incontrollata» dell'idrogeno, che polverizzò l'atollo di Bikini in pieno Oceano Pacifico. La bomba H sfrutta la fusione nucleare per produrre energia. Ma come si fa a raggiungere le temperature elevetissime che servono per unire i due atomi? 1. La prima fase è una bomba nucleare a fissione, che serve per creare le condizioni di temperatura e pressione necessarie per avviare la fusione. 2. La seconda fase è la fusione nucleare. In condizioni di altissima temperatura e pressione, i nuclei di idrogeno (generalmente deuterio e trizio) si fondono per formare elio, rilasciando una quantità immensa di energia. Questo processo è simile a quello che avviene nelle stelle.

buono studio

Resto di supernova Cassiopea A

Scopre l'uranio isolandolo dalla pechblenda (uraninite) e lo nomina in onore del pianeta Urano.

Martin H. Klaproth

Enrico Fermi

Enrico Fermi - fisico italiano - realizza la prima reazione a catena controllata con il reattore Chicago Pile-1. Fu costruito nel campo da racquets situato sotto le tribune ovest dello stadio abbandonato del campus dell'Università di Chicago.

• Il nocciolo del reattore è dove avviene la reazione a catena di fissione a partire da uranio-235
• La reazione a catena è tenuta sotto controllo utilizzando barre in argento o cadmio capaci di catturare i neutroni liberi
• L’energia sprigionata porta l’acqua ad una temperatura di 300°C. Ma non diventa vapore perché sotto alta pressione (150 atm).

vita di una stella

Disastro di Fukushima

L'incidente di Fukushima è avvenuto l'11 marzo 2011 in Giappone, a causa di un enorme terremoto e tsunami. Senza il raffreddamento, la temperatura all'interno dei reattori salì pericolosamente. Il nucleo di tre reattori iniziò a fondersi. Questo processo di fusione causò danni irreparabili ai reattori e liberò enormi quantità di radiazioni nell'ambiente.

Albert Einstein

Il fisico enunciò la sua teoria dell'equivalenza tra materia ed energia, espressanella formula: E = mc2. Questa formula permette di calcolare quanta energia (E) si ottienefacendo «sparire» una certa quantità di materia (m); la costante c2 corrisponde alla velocitàdella luce (300000 km/s) elevata al quadrato. Poiché la costante è grandissima, l'elimina-zione di una piccola quantità di materia genera una grande quantità di energia.

Henri Becquerel

Questo fisico francese ha fatto una scoperta molto interessante: mentre studiava dei sali di uranio, notò che questi materiali erano in grado di "illuminare" una lastra fotografica, anche senza luce.

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• Dopo aver fatto girare la turbina, il vapore passa attraverso un condensatore, dove torna allo stato liquido.
• L'acqua però è ancora calda e non può essere scaricata direttamente nel bacino da cui è stata prelevata, perché potrebbe alterare l'ecosistema locale. Per questo motivo, le centrali vengono spesso costruite vicino a grandi fonti d'acqua, che permettono un raffreddamento graduale e sicuro oppure vengono costruite torri di raffreddamento.

Pierre e Marie Curie

I coniugi e scienziati francesi approfondiscono gli studi di Becquerel, scoprono nuovi elementi radioattivi (polonio e radio) e coniano il termine radioattività. La famosa fotografia mostra la mano di Marie Curie mentre tiene una provetta contenente materiale radioattivo (il radio)

• L’acqua calda del primo circuito passa attraverso uno scambiatore di calore (detto generatore di vapore), dove cede calore a un secondo circuito pieno d’acqua. Qui l’acqua, trovandosi a pressione più bassa, si trasforma in vapore.
• Il vapore ad alta pressione viene incanalato verso una turbina, facendola girare ad alta velocità. La turbina è collegata a un alternatore, che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica.

Le ombre di Hiroshima

video bombe atomiche

clip del film

"Ora sono diventato Morte, il distruttore di mondi" - R. Oppenheimer

Robert Oppenheimer, fisico americano, è definito il “padre della bomba atomica”. Nel 1945 la guerra in Europa era finita ma il Giappone continuava a combattere contro gli Stati Uniti ed i loro alleati. Per costringerlo alla resa, il presidente americano Harry Truman decise di usare la bomba atomica. Il 6 agosto 1945 – La prima bomba atomica, chiamata "Little Boy", fu sganciata sulla città giapponese di Hiroshima. Tre giorni dopo, una seconda bomba, chiamata "Fat Man", fu sganciata su Nagasaki.

Disastro di Cernobyl

Grave incidente nucleare che è avvenuto nel 1986 in Ucraina, all'interno della centrale nucleare di Cernobyl, durante un esperimento, uno dei reattori nucleari della centrale esplose, liberando enormi quantità di radiazioni nell'ambiente. Fu conseguenza di un errore umano, vennero infatti disattivati alcuni dispositivi di sicuerezza.

Scoperta delle fissione

il chimico nucleare tedesco Otto Hahn e il suo giovane assistente Fritz Strassmann furono i primi a dimostrare sperimentalmente che un nucleo di uranio-235, qualora assorba un neutrone, può dividersi in due o più frammenti dando luogo alla fissione del nucleo. Due mesi dopo Otto Frisch e a sua zia Lise Meitner ne descrissero i fondamenti teorici.