Utente:TynoMala/Sandbox/Ingegneria Nucleare
L'ingegneria nucleare è la branca dell'ingegneria che studia l'applicazione pratica dei principi della fisica nucleare ovvero la disciplina che indaga il nucleo atomico e l'interazione tra radiazione e materia. Questo campo dell'ingegneria include l'analisi, la progettazione, lo sviluppo, la sperimentazione, l'attuazione ed il mantenimento dei sistemi e dei componenti utili alle reazioni nucleari, in particolare dei reattori nucleari delle centrali di energia nucleare e/o delle armi nucleari. Questo campo include dunque lo studio applicativo della fissione nucleare, della fusione nucleare e delle applicazioni in medicina del nucleare (applicazioni delle radiazioni), della sicurezza delle centrali, della proliferazione nucleare, degli effetti sull'ambiente dei rifiuti radioattivi.
Storia[modifica | modifica wikitesto]
Origini[modifica | modifica wikitesto]
In poco meno di una quarantina d’anni del XX secolo, la fisica nucleare assunse un ruolo di estremo rilievo e prestigio anche ben al di là della sola comunità scientifica. Tuttavia, è pur vero che fino al termine del 1930, solo una ristretta cerchia accademica s’interessava allo studio di questi fenomeni e le uniche, nonché prime, applicazioni furono in campo medico.[1]
Wilhem Conrad Röntgen già nel 1895, dedusse l’esistenza di una particolare radiazione energetica, radiazione fino ad allora ignota e per questo chiamata “radiazione x”.[1][2] Rientrano spesso nell’immaginario collettivo per il loro uso diagnostico, dato che tra il 1899 e il 1907 molti medici sfruttarono la capacità dei raggi x di attraversare i tessuti umani[3], rendendo così visibile la struttura ossea.[4]
L’anno successivo alla scoperta di Röntgen, Bequerel osservò come il minerale che conteneva l’uranio continuasse ad emettere radiazione anche in assenza di uno stimolo luminoso esterno. Oggi questo è noto come processo di decadimento radioattivo.
In quegli anni, a Parigi, era attiva Marie Sklodowski (in seguito Marie Curie) si concentrò sull’approfondire lo studio delle emissioni dai sali di uranio. Marie e Pierre Curie approdarono alla conclusione che l’uranio non potesse essere l’unico elemento emissivo. Si dedicarono così al lungo lavoro di isolare chimicamente altri elementi attivi da diverse tonnellate di pechblenda (minerale) che avevano a disposizione. E così il polonio fu presentato nel 1898 all’Accademia delle Scienze Francesi, seguito pochi mesi più tardi dal radio.[2]
Nel mentre Ernest Rutherford sviluppò metodi di attenuazione del potere emissivo dell’uranio, riuscendo a schermare efficacemente le particelle alfa tramite fogli di alluminio[2]. Nel 1900, concentrandosi sul torio, descrisse per la prima volta il concetto di vita media, una peculiare caratteristica del decadimento radioattivo.[1]
Nel 1911, Rutherford si spinse oltre, tanto che il suo maggior contributo lo diede nel provare che gli atomi fossero dotati di un nucleo. In particolare in quello stesso anno, si ritiene aver preso il via quella che sarà poi la concezione dell’atomo come un sistema solare su dimensioni microscopiche.[1]
Per valide ragioni Rutherford viene definito come il “padre della fisica nucleare”[5].
Si fece poi strada il sospetto che il nucleo atomico fosse composto d’altro rispetto a soli protoni e elettroni,[1] e fu James Chadwick nel 1932 ad ottenere l’evidenza della particella che chiamerà “neutrone”.
Al di là delle strade aperte verso la comprensione della materia che ci circonda, la scoperta del neutrone porta con sé anche una grande potenzialità di sviluppo dal punto di vista applicativo. Tanto che già nel 1940 un centinaio di articoli tecnici erano stati pubblicati.[6] Grazie agli studi di Bohr già si era a conoscenza della possibilità di scindere un elemento pesante in due pressoché uguali in massa, e già egli suggerì che un processo del genere, nel caso dell'uranio, sarebbe favorito nell'isotopo 235 piuttosto che nel 238, il quale purtroppo è il più abbondante in natura (99.7%).[7] Osservazioni che portarono poi alla problematica dell'arricchimento dell'uranio per l'impiego nucleare.
Durante gli anni trenta Enrico Fermi e il suo famoso gruppo di laboratorio in via Panisperna mostrò come rallentare i neutroni aumentasse la probabilità del processo di cattura neutronica, risultato per nulla scontrato se si pensa che nell'immaginario classico aumentare l'energia di una particella aumenti di conseguenza la probabilità che essa possa superare una barriera energetica. Su questa proprietà infatti si basano molte tecnologie odierne come i reattori che coinvolgono acqua pesante o acqua leggera (PWR).
Nel 1939 Otto Hahn e Frantz Strassman bombardando l'uranio con neutroni trovarono del bario come prodotto della reazione, un elemento che presenta una massa pari alla metà della massa dell'uranio e i fisici Frish e Meitner diedero i natali a questo fenomeno chiamandolo fissione nucleare, prendendo la terminologia dalle scienze biologiche.[6] Ma il fatto notevole fu che gli esperimenti condotti rilevarono che la quantità di energia rilasciata nel processo era di svariati ordini di grandezza maggiore delle energie prodotte da qualsiasi altra reazione chimica. Fermi poi avanzò l'ipotesi che nel processo potessero essere emessi neutroni[6] ed a cascata l'idea di poter sfruttare la dinamica del processo per sviluppare una catena che si autosostenga.[7]
Ma il 1939 fu anche l'anno in cui scoppiò la seconda guerra mondiale. E la scoperta del plutonio avvenuta nell'anno successivo[7], elemento figlio di una trasmutazione dell'uranio-238 dotato di una massa critica minore dello stesso elemento padre, suggerì la possibilità dello sviluppo della bomba atomica.
Fu infatti una corsa alle armi e, spinti dall'idea che la Germania stesse impiegando ricercatori per lo sviluppo dell'armamentario nucleare, fisici non solo americani unirono le forze nel progetto segreto noto come "Progetto Manhattan". E le ricerche da loro svolte portarono nel 1942 alla Chicago Pile I, la prima catena di fissioni nucleari autosostenenti. Proprio in questi anni si può affermare che nacque l'ingegneria nucleare, sicuramente Robert Oppenheimer, Leò Szilard ed Enrico Fermi si ritenevano fisici[8] ma la congiunzione tra tecnica e ricerca di base non era mai stata così fervida, e ciò che stavano facendo gettava le basi per questa nuova disciplina.[7][6]
Preparazione tipica (in Italia)[modifica | modifica wikitesto]
Aree professionali[modifica | modifica wikitesto]
Fissione nucleare[modifica | modifica wikitesto]
Gli Stati Uniti traggono circa il 20% della loro elettricità dall'energia nucleare. È un'industria di massa, quindi formare un gran numero di ingegneri nucleari assicura la sua stabilità. Gli ingegneri nucleari in questo campo lavorano generalmente, direttamente o indirettamente nell'industria dell'energia nucleare o nei laboratori del governo. Attualmente la ricerca nell'industria è indirizzata a produrre reattori con standard di sicurezza elevati, resistenti alle radiazioni ed economicamente convenienti. Nonostante nei laboratori governativi si ricerchi nelle stesse aree che nell'industria, essi studiano anche una miriade di altre soluzioni, come per esempio il combustibile nucleare, il ciclo del carburante nucleare, progettazione avanzata di reattori e progettazione di armi nucleari. National Ignition Facility (NIF) target chamber
Fusione nucleare e Fisica del plasma[modifica | modifica wikitesto]
Le aree di ricerca includono materiali resistenti alle alte temperature e alle radiazioni e la fisica del plasma. Dal punto di vista internazionale la ricerca è attualmente diretta allo sviluppo del reattore sperimantale (tokamak) ITER. La ricerca sull'ITER si focalizzerà anzitutto sulla fisica del plasma, evidenziando in particolare le possibili instabilità in esercizio, per poi concentrarsi sullo sviluppo tecnologico dei componenti per il futuro reattore DEMO. I ricercatori statunitensi stanno inoltre costruendo una macchina per il confinamento inerziale chiamata National Ignition Facility o NIF.
NIF sarà usato per raffinare i calcoli di neutronica per l'iniziativa americana sull'uso delle riserve. Da notare che la fusione a confinamento inerziale è quella utilizzata per la realizzazione delle bombe H.
La differenza fra le macchine tokamak (o a confinamento magnetico) e quelle a confinamento inerziale è legata al fatto che, mentre nelle prime il plasma che, per le elevate temperature, non può essere in contatto diretto con nessun materiale, è tenuto in posizione tramite campi magnetici, invece nelle macchine a confinamento inerziale il plasma si autosostiene per le forze gravitazionali agenti fra gli astomi di idrogeno.
Medicina nucleare e fisica medica[modifica | modifica wikitesto]
Un importante settore è costituito dalla medicina nucleare. Dalle macchine per i raggi X alle immagini ottenute grazie alla risonanza magnetica alla PET, tra gli altri, la medicina nucleare si occupa di molte delle moderne modalità di diagnosi.
- Immagine di un cranio umano ai raggi X
- Risonanza magnetica di una testa
- PET eseguito con un ECAT Exact HR+ PET Scanner
Materiali nucleari e combustibili nucleari[modifica | modifica wikitesto]
La ricerca sui materiali nucleari è indirizzata principalmente a due aree principali, i combustibili nucleari e le modifiche indotte sui materiali dalle radiazioni. Lo sviluppo dei combustibili nucleari è cruciale per ottenere un maggior rendimento dei reattori nucleari. Gli studi sugli effetti delle radiazioni hanno molti fini, dallo studio delle modificazioni strutturali sulle componenti del reattore allo studio delle nano-modifiche dei metalli e dei semiconduttori usando raggi ionizzanti o acceleratori di particelle.
Misure delle radiazioni[modifica | modifica wikitesto]
Gli ingegneri nucleari e gli scienziati radiologici sono interessati a sviluppare metodi per il rilevamento e la misurazione delle radiazioni ionizzanti più avanzati usandole per migliorare le tecnologie di rappresentazione. Questo include, tra le altre cose, la progettazione di rilevatori, fabbricazione ed analisi, misurazioni dei parametri fondamentali dell'atomo e del nucleo, sistemi di rappresentazione delle radiazioni.
- Un moderno contatore Geiger
- Un rilevatore di neutroni
Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]
- Fisica nucleare
- Combustibile nucleare
- Fisica delle particelle
- Reattore nucleare a fissione
- Energia nucleare
Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]
- ^ a b c d e Bruce Cameron Reed, The History and Science of the Manhattan Project, Springer Berlin Heidelberg, 15 ottobre 2013, pp. 119–174, ISBN 9783642402968. URL consultato il 13 maggio 2019.
- ^ a b c Staguhn, Gerhard, 1952-, Breve storia dell'atomo, Salani, 2011, ISBN 9788862562928, OCLC 724936509. URL consultato il 13 maggio 2019.
- ^ History of Medicine: Dr. Roentgen’s Accidental X-Rays | Columbia University Department of Surgery, su columbiasurgery.org. URL consultato il 13 maggio 2019.
- ^ (EN) J.J. Thomson | Biography, Nobel Prize, & Facts, su Encyclopedia Britannica. URL consultato il 13 maggio 2019.
- ^ THe History of Nuclear Energy (PDF), su energy.gov.
- ^ a b c d Chapter 8 - The History of Nuclear Energy, DOI:10.1016/B978-0-12-812881-7.00008-3. URL consultato il 14 maggio 2019.
- ^ a b c d History of Nuclear Energy - World Nuclear Association, su www.world-nuclear.org. URL consultato il 14 maggio 2019.
- ^ Jim Lucas, Live Science Contributor | September 9, 2014 01:41am ET, What Is Nuclear Engineering?, su Live Science. URL consultato il 17 maggio 2019.