Energia Elettrica Cosa tiene insieme latomo linterazione elettrica

Energia Elettrica

Cosa tiene insieme l’atomo: l’interazione elettrica

L’atomo neutroni Elettroni Protoni • • • Il nucleo ha una carica elettrica positiva pari al numero dei protoni presenti. La massa dell’atomo e concentrata nel nucleo. Il volume dell’atomo e stabilito dalla nuvola di carica negativa degli elettroni in movimento. Il volume dell’atomo e circa un milione di miliardi piu grande di quello del nucleo, percio l’atomo ha un diametro che vale circa 105 volte quello del suo nucleo.

Il campo elettrico è lo spazio in cui una carica elettrica è soggetta a una forza; più grande è la forza che agisce sulla carica, maggiore è l’intensità del campo elettrico. Ogni carica posta in un campo elettrico è dotata di una forma di energia che si chiama energia potenziale elettrica.

Campo elettrico e potenziale • V= Potenziale elettrico = rapporto tra l'energia potenziale elettrica, ossia il lavoro che • deve compiere la forza dovuta al campo elettrico per spostare una o più cariche da quel punto fino all'infinito (ove si assume potenziale nullo) e la carica di prova. L'energia potenziale elettrica (U) della carica è il livello di energia che la carica possiede a causa della sua posizione all'interno del campo elettrico V = U /q

Campo elettrico con PHET • https: //phet. colorado. edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en. html

I CONDUTTORI argento; rame; oro; cromo; iridio; tungsteno; Nichel; Alcuni materiali sono caratterizzati dalla presenza di un elettrone legato molto debolmente ferro; platino; piombo. acqua (solo se non pura): Terra: corpo umano.

Legge di Ohm I= V/R Av =

Correnti e potenziali Cavo di rame scollegato: l’interno del metallo è formato dai nuclei degli atomi e dai loro elettroni. E’ disegnato però solo un elettrone libero che si sposta tra i nuclei rimanendo però nella stessa zona. Cavo di rame collegato al generatore: il filo di rame è collegato con una pila e una lampadina; l’elettrone si muove quindi a zig zag verso il morsetto positivo della pila, dal quale è attratto.

Legge di Ohm I= V/R Intensità di corrente L’intensità di corrente unitaria corrisponde al passaggio di 6 miliardi di elettroni al secondo attraverso una sezione del circuito; si misura in ampere (A). Tensione La tensione elettrica è il dislivello elettrico a cui vengono mantenuti gli elettroni e si misura in volt (V). Questo dislivello è creato dal generatore di corrente. Resistenza E’ la capacità di un conduttore di opporsi al passaggio di corrente; si misura in ohm (Ω) e dipende dal materiale, dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore.

Legge di Ohm con PHET https: //phet. colorado. edu/sims/html/ohms-law/latest/ohms-law_en. html

Energia e potenza nei circuiti elettrici • • • In tutti i circuiti elettrici c’e sempre almeno un utilizzatore. In un rasoio elettrico, per esempio, l’utilizzatore e un motore elettrico, una macchina che trasforma energia elettrica prevalentemente in energia meccanica. Invece i resistori sono componenti del circuito elettrico in cui si realizza una caduta di tensione e l’energia elettrica viene trasformata in energia termica. Potenza (watt): si calcola moltiplicando l’intensità della corrente che attraversa il filamento per la tensione alla quale è sottoposta. Energia (wattora): l’energia consumata da un apparecchio è misurata dalla sua potenza moltiplicata per il tempo di funzionamento (ore).

Il circuito elementare – Laboratorio con PHET Un circuito elementare è costituito da: Un generatore di corrente, Un apparecchio utilizzatore, I fili conduttori di collegamento, Un interruttore. https: //phet. colorado. edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab/latest/circuit-construction-kit-dc -virtual-lab_en. html

Potenza di un apparecchio La tabella mostra i consumi approssimativi dei vari apparecchi: - gli apparecchi con resistenza richiedono molta energia; - gli apparecchi con solo motore consumano molto meno; - gli apparecchi “luce e suono”, assorbono poca potenza.

Consumi bimestrali Scaldabagno elettrico: è l’apparecchio che più incide sui consumi; è meglio scegliere un modello di dimensioni non eccessive. Lavatrice: i consumi riguardano soprattutto l’energia necessaria per scaldare l’acqua. Utilizzare la lavatrice a pieno carico e preferire i programmi di lavaggio a temperature non elevate. Lavastoviglie: i consumi dipendono soprattutto dall’energia per scaldare l’acqua. Utilizzare la lavastoviglie solo a pieno carico. Frigorifero: scegliere un modello di dimensioni adeguate. Illuminazione: non tenere le lampade accese inutilmente.

Il RISPARMIO ENERGETICO Dispositivi più efficienti Parte alta “ le frecce “ La “classe A” sia quella che garantisce maggior risparmio di elettricità. Questa etichetta ha avuto tanto successo che, ormai, non solo non è possibile mettere in vendita classi inferiori alla D, ma le case costruttrici sono arrivate a produrre frigoriferi e lavatrici che garantiscono risparmi ancora superiori. Sono così nati frigo A+ e A++, oppure lavatrici AA e AAA che assicurano il massimo risparmio sia nel lavaggio, che nella centrifuga (anche se il bucato è meglio asciugarlo all'aria).

Il RISPARMIO ENERGETICO Dispositivi più efficienti Elettrodomestico Classe Costo elettricità euro/anno Frigorifero C 92 A++ Inferiore a 34 Lavatrici C 58 AAA Inferiore a 40 Lavastoviglie C 54 A Inferiore a 42 Forno elettrico C 24 A Inferiore a 14 Condizionatori C 180 A Inferiore a 160 Fonte Enea

Energia Nucleare

L’atomo neutroni Elettroni Nucleo Protoni Se i protoni sono tutti positivi, allora non dovrebbero respingersi e disgregare il nucleo?

Il nucleo • • La forza elettromagnetica tra i protoni positivi tende a respingerli e disgregare l’atomo L’interazione nucleare tra protoni e neutroni è molto più forte di quella EM e tende a tenere insieme il nucleo • • Taglia di un nucleo: ≈ 10− 15 m I nuclei sono composti da protoni e neutroni (nucleoni). La forza tra protoni e neutroni è chiamata forza nucleare forte perché è molto intensa, così da dominare la repulsione elettrica tra i protoni. Z=numero di protoni = numero di elettroni affinchè la materia sia neutra N=numero di neutroni A=Z+N numero atomico

Interazione elettromagnetica vs interazione forte • • Le interazioni forti sono caratterizzate da un raggio d'azione finito, e precisamente dell'ordine di un Fermi (10– 15 m); Entro un certo intervallo, la forza è altamente attrattiva, mentre diventa rapidamente repulsiva al di sotto di una certa distanza, circa 0, 2 fm. L'interazione gravitazionale e quella elettromagnetica tendono a zero per grandi distanze. Ciò implica che, al di fuori di un nucleo, un protone avverte solo la forza elettromagnetica, poiché la forza forte va rapidamente a zero, al di fuori del nucleo che lo ospita. Interazione forte Interazione eletttrica

L’interazione nucleare e la carica di colore • • • L'attrazione spiega la coesione nucleare, La repulsione si può interpretare ammettendo che i protoni siano costituiti da un "nocciolo" il cui scopo è quello di impedire l'indefinita compenetrazione della materia I neutroni sono privi di carica elettrica ma sono dotati di carica di colore – essi contribuiscono ad attrarre tra loro i protoni, ma non li respingono per via elettromagnetica – senza neutroni i nuclei più grossi dell'elio sarebbero difficili da realizzare. • I neutroni allontanano tra loro i protoni, e si sa che la repulsione coulombiana diminuisce secondo il quadrato della distanza. Ciò spiega la presenza dei neutroni nei nuclei.

L’equivalenza massa-energia • Prevista nella teoria della relatività ristretta di Albert Einstein ed espresso dall'equazione B E=mc² • • • Questa equivalenza la possibilità di trasformare direttamente la materia in energia o viceversa. Einstein non vide applicazioni pratiche di questa scoperta. Successivamente, si avanzò l'ipotesi che alcune reazioni che implicano questo principio potevano effettivamente avvenire all'interno dei nuclei atomici provocando il rilascio di energia. D C A A+B→C+D

L’equivalenza massaenergia: bilancio energetico • • • L'idea che una reazione nucleare si potesse anche produrre artificialmente e in misura massiccia, sotto forma cioè di reazione a catena, fu sviluppata nella seconda metà degli anni trenta in seguito alla scoperta del neutrone. La fissione nucleare è il processo nucleare in cui nuclei pesanti decadono in nuclei piu` leggeri. In questo tipo di reazione la somma della massa dei nuovi nuclei costituiti ha massa minore delle massa di partenza, conseguente liberazione di energia (cinetica dei prodotti). B D Energia A C

Fissione nucleare • • Per Z > 82 non esistono più nuclei stabili se i protoni sono troppo numerosi la loro repulsione coulombiana supera l'attrazione dovuta alla forza forte. Il nucleo atomico di certi elementi con massa atomica superiore a 230 si puo dividere (fissione) in due o piu nuclei di elementi piu leggeri quando viene colpito da un neutrone libero. Quando un neutrone viene assorbito da un nucleo di materiale fissile si ottiene una reazione di fissione (artificiale). Materiali fissili: uranio 235 e il plutonio 239.

Meccanismo della fissione nucleare

La fissione dell’uranio Energia liberata = 200 Me. V • • • 165 Me. V per l'energia cinetica dei nuovi atomi X, Y 5 Me. V per l'energia cinetica dei neutroni; 8 Me. V per l'energia della radiazione gamma istantanea; 5 Me. V per l'energia di decadimento beta dei prodotti di fissione; 6 Me. V per l'energia di decadimento gamma dei prodotti di fissione; 11 Me. V per l'energia cinetica dei neutrini; • Energia di legame di una molecola d’acqua = 16 e. V (100 milioni di volte inferiore) • Un grammo di U 235 che subisce interamente la fissione produce circa 8 x 1010 joule, ossia quanto la combustione di circa 3 tonnellate di carbone.

Una nuova unità di misura dell’energia: elettronvolt • • In fisica l'elettronvolt (simbolo e. V) è un'unità di misura dell'energia, molto usata in ambito atomico e subatomico. Viene definito come l'energia guadagnata (o persa) dalla carica elettrica di un singolo elettrone, che si muove nel vuoto tra due punti di una regione tra i quali vi è una differenza di potenziale elettrostatico di 1 volt. Un elettronvolt è 1 volt (cioè 1 joule diviso per 1 coulomb) moltiplicato per la carica elettrica dell'elettrone (1, 602176565 x 10− 19 C) ne risulta un quantitativo molto piccolo di energia: 1 e. V = 1, 6 x 10 -19 J Nel principio di equivalenza E=mc 2, poiche il secondo termine dell'uguaglianza e una grandezza enorme a causa del valore della costante "c"=3*108 m/s, l'energia "E" risulta enorme in confronto ad una piccola massa "m"

Fissione a catena • • • Se i neutroni prodotti da una reazione sono assorbiti da nuclei fissili vicini provocano una nuova reazione. Tipicamente per l’uranio 235 sono liberati in media 1, 33 neutroni. Se il numero di neutroni che danno luogo a nuove fissioni è maggiore di 1 si ha una reazione a catena in cui il numero di fissioni aumentano esponenzialmente Se tale numero è uguale a 1 si ha una reazione stabile, se è inferiore a uno la reazione si arresta. la reazione a catena avviene solo se la probabilita di cattura dei neutroni da parte dei nuclei fissili e sufficientemente alta se i nuclei sono numerosi, molto vicini fra loro e le perdite per fuga dal sistema sono opportunamente ridotte. Questo si ottiene mettendo insieme in una geometria a basso rapporto superficie/volume una certa quantita di uranio (o plutonio) metallico altamente "arricchito", in cui cioe l'isotopo fissile e presente in concentrazione molto piu alta di quella naturale, addirittura superiore al 90% del totale, e in quantita tale che l'assemblaggio finale superi la cosiddetta "massa critica".

Fattore di moltiplicazione • Per un reattore nucleare si definisce il fattore di moltiplicazione: • • • Se K < 1: regime subcritico, il reattore tende a fermarsi se K = 1: regime critico; se K > 1: regime supercritico → pericolo! Il reattore tende ad espolodere. Nei reattori nucleari a fissione è importante regolare la reazione in modo che sia stabile, ossia che K non superi per troppo tempo il valore limite di K = 1, 05.

Come è fatto un reattore nucleare La struttura di un reattore nucleare prevede: • nocciolo, nel quale si sviluppi la reazione a catena • sistema di estrazione del calore (raffreddamento) dal nocciolo • una schermatura molto importante per fermare le radiazioni prodotte in modo ineliminabile dal processo di fissione • sistemi di regolazione dei processi mediante strumenti di controllo, al fine dell'uso pratico del reattore.

Il nocciolo

Il combustibile: l’uranio • L’uranio in natura si trova sottoforma di ossido o sale complesso è ed è composto da una miscela dei tre isotopi: – 234 U: < 0, 01%, – 235 U: 0, 70% – 238 U: 99, 3% • Per generare la fissione dell’ 235 U i neutroni devono essere lenti – neutroni termici, di energia cinetica dell’ordine di 0, 04 e. V • • • Questi neutroni non permettono la fissione dell’ 238 U. Per un reattore a fissione di 235 U: necessità di aumentare la concentrazione dell’isotopo 235 U rispetto al più comune 238 U; processo di arricchimento dell’uranio per passare dallo 0, 70% a circa il 3, 4% di 235 U.

Il moderatore: l’acqua • • La fissione produce neutroni veloci di energia cinetica dell’ordine di 2 Me. V, ma a questa energia il tasso di reazione è molto basso è necessario rallentare i neutroni. Per questo tra le barre di combustibile si mette una sostanza, chiamata moderatore, che – rallenta i neutroni (in collisioni elastiche); – non sottrae i neutroni al processo assorbendoli. • Solitamente si usa acqua (H 2 O) o acqua pesante (D 2 O).

Le barre di controllo • • Le barre di controllo sono fatte di un materiale in grado di assorbire facilmente i neutroni; servono a controllare il regime del reattore sottraendo neutroni a causa dell’accumularsi dei prodotti di fissione, che assorbono neutroni, la tendenza del reattore è di diventare subcritico e le barre di controllo possono essere gradualmente estratte per mantenere K = 1; garantiscono la possibilità di interrompere il processo di fissione (sicurezza). Queste barre furono ideate da Enrico Fermi nel 1942. Egli volle capire come tenere sotto controllo una fissione nucleare senza che questa degenerasse in una reazione incontrollata, e ci riuscì inserendo nel nocciolo delle barre di grafite che limitassero la reattività del reattore nucleare.

La struttura della centrale La centrale nucleare ha una sua specifica organizzazione. Ecco i suoi principali apparati: 1. EDIFICIO DEL REATTORE, costruito in cemento armato per impedire un’eventuale diffusione di radiazioni, 2. IL NOCCIOLO, si trova all’interno del reattore, ed è il cuore della centrale; è circondato da barre in grafite (barre di controllo) che ne regolano la potenza e la temperatura, 3. SALA MACCHINE, ospita il gruppo turbo-alternatore per la produzione di energia elettrica, 4. TORRE DI RAFFREDDAMENTO, conserva il combustibile esausto per la diminuzione della sua radioattività. Edificio del Reattore 1 3 4

Il funzionamento di una centrale nucleare • • • Il sistema di raffreddamento ha lo scopo di prelevare l’energia prodotta dalle reazioni di fissione e trasferirla all’esterno con lo scopo di produrre energia elettrica. I prodotti di reazione cedono la loro energia cinetica ad un liquido (acqua) che aumenta quindi la sua energia termica. Nei reattori detti ad acqua pressurizzata (PWR) l’acqua è utilizzata sia come moderatore sia come veicolo per il trasferimento dell’energia termica.

Laboratorio di fisica nucleare con PHET https: //phet. colorado. edu/en/simulation/legacy/nuclear-fission

Incidente di Chernobyl • Il disastro avvenne il 26 aprile 1986 presso la centrale nucleare V. I. Lenin, situata in Ucraina a 18 km dalla città di Černobyl' • Nel corso di un test "di • • sicurezza", il personale si rese responsabile della violazione di svariate norme di sicurezza portando a un brusco e incontrollato aumento della potenza (e quindi della temperatura) del nocciolo del reattore n. 4 della centrale si determinò la scissione dell'acqua di refrigerazione in idrogeno e ossigeno a così elevate pressioni da provocare la rottura delle tubazioni del sistema di raffreddamento del reattore. Il contatto dell'idrogeno e della grafite incandescente delle barre di controllo con l'aria, a sua volta, innescò una fortissima esplosione, che provocò lo scoperchiamento del reattore e di conseguenza causò un vasto incendio.

Incidente di Fukushima • • Il disastro di Fukushima è una serie di incidenti, incluse quattro distinte esplosioni, avvenuti presso la centrale nucleare omonima situata nella Prefettura di Fukushima, in Giappone, a seguito del terremoto e maremoto del Tōhoku dell'11 marzo 2011. I gruppi elettrogeni di sicurezza alimentati da motori diesel vennero allagati perché erano posizionati ad una quota di pochi metri sul livello del mare questo causò la mancanza di corrente elettrica ed il blocco dei principali sistemi di raffreddamento in tre reattori. I reattori erano stati fermati automaticamente al momento della scossa, ma il loro corretto spegnimento avrebbe richiesto la dissipazione del calore residuo di reazione per un periodo di vari giorni, invece non si riuscì a riprenderne il controllo e nel corso dei due giorni successivi, in momenti diversi, i noccioli di tutti e tre i reattori subirono il meltdown completo.

La nube radioattiva • • • http: //www. isprambiente. gov. it/it/temi/radioattivitaambientale/controllo-della-radioattivita-ambientale/ilmonitoraggio-del-cesio-137 Dopo l’incidente di Chernobyl una nuvola di materiale radioattivo fuoriuscì dal reattore e ricadde su vaste aree intorno alla centrale, contaminandole pesantemente e rendendo necessaria l'evacuazione e il reinsediamento in altre zone di circa 336. 000 persone. La nube radioattiva attraversò l’Europa e arrivo sino in nord America La presenza di Cs -137 in aria è dovuta alla lenta ricaduta di quella parte prodotta durante i test nucleari del dopoguerra e durante l’incidente di Chernobyl che ha raggiunto gli strati più alti dell’atmosfera (stratosfera) e alla risospensione della parte depositata sul suolo nel corso degli anni.

Il nucleare in Italia Le 4 centrali nucleari presenti in Italia (tutte gestite da ENEL) non sono più attive dal 1987. Originariamente destinate a produrre energia elettrica, questi impianti sono stati fermati dall’esito del referendum del 1987 tramite il quale i cittadini hanno votato a sfavore del nucleare per usi civili. Nel 2010 il Governo ha riproposto l’utilizzo dell’energia nucleare, ma il 23 marzo 2011 decide una moratoria di un anno. Sono attivi 13 impianti nucleari, a meno di 200 km dai nostri confini, in Francia, Svizzera, Germania e Slovenia.

Bomba atomica Il 9 agosto 1945 alle 11: 02 ora locale la bomba Model 1561 "Fat Man" fu sganciata dal bombardiere B-29 delle United States Army Air Forces sullo stabilimento Mitsubishi della città di Nagasaki in Giappone. La bomba esplose a un'altezza di 550 metri sulla città e sviluppò una potenza di 25 chilotoni (4, 184 * 1012 J ) una potenza dunque molto più elevata di quella della bomba "Little Boy" che esplose tre giorni prima su Hiroshima Tra le 20 000 e le 39 000 persone perirono all'istante per l'esplosione nucleare e si stima che circa 25 000 furono i feriti. Molte migliaia di persone, inoltre, morirono in seguito per le radiazioni.

Bomba atomica: come funziona • • Nocciolo metallico di alcune decine di chilogrammi di uranio o plutonio arricchito La massa del nocciolo e sub-critica – se cosi non fosse la bomba esploderebbe anzi tempo. • Il nocciolo e inserito in un contenitore di metallo pesante, come l'uranio 238 – guscio che limita la fuga all'esterno dei neutroni utili alla reazione nel momento dell'esplosione – ha la funzione di trattenere il nocciolo per il tempo necessario alla reazione, circa 1 microsecondo. • • • Mediante sistemi di detonatori il nocciolo viene modificato nella forma e concentrazione in modo da portarlo a uno stato super-critico. "iniziatore" della reazione nucleare, cioe una sorgente di neutroni liberati da questo dispositivo sono in quantita enorme e scatenano la fissione in una massa che ora e super-critica.

La fusione nucleare • • • La fusione è un altro metodo per ottenere energia dall'atomo. Essa è esattamente opposto alla fissione Si uniscono nuclei leggeri in nuclei più pesanti – Stato iniziale: idrogeno + trizio (4 protoni) • • • La massa dell’He 4 è solo in 99. 3% della massa dei prodotti di partenza Lo 0. 7% della massa di partenza è convertito in energia La differenza di massa viene emessa come energia

• • La fusione nucleare avviene normalmente nel nucleo delle stelle, compreso il Sole, dove tali condizioni sono normali. Grazie a questo fatto è presente la vita sulla terra l’energia solare consente la fotosintesi clorofilliana che è alla basa della vita

La fusione nucleare • Perché la fusione avvenga, i nuclei degli atomi devono essere fatti avvicinare nonostante la forza di repulsione elettrica che tende a respingerli gli uni dagli altri si spende più energia di quella creata! Condizioni in cui avviene la fusione: • temperature dell’ordine di 107 K • il gas si trova nello stato di plasma; • il combustibile è confinato dalla sua stessa forza di gravità. A causa di questa difficoltà, al giorno d'oggi l'uomo non è finora riuscito a far avvenire la fusione in modo controllato e affidabile se non per qualche decina di secondi.

Acqua o petrolio?

Il progetto ITER http: //www. enea. it/it/Ricerca_sviluppo/lenergia/nucleare/fusione-nucleare/progetto-iter

I vantaggi del nucleare e … • Non produce gas serra. . La produzione di energia dall'atomo, non essendo basata sulla combustione di fonti fossili o vegetali, non causa l'emissione in atmosfera dei gas responsabili del peggioramento dell'effetto serra • Produzione di energia elettrica su vasta scala. Da una piccola quantità di uranio una centrale atomica riesce a produrre una grande quantità di energia elettrica a ciclo continuo, infatti i costi dell'energia nucleare sono più bassi di quelli di altre fonti energetiche; • Ciclo di vita della centrale. La centrale nucleare può funzionare ininterrottamente per 40 -60 anni. Un periodo di tempo così lungo consente di ammortizzare l'elevato costo iniziale della centrale atomica; • Approvvigionamento energetico. L'energia nucleare riduce la dipendenza dall'estero nell'approvvigionamento energetico, in quanto consente di produrre una parte dell'energia elettrica altrimenti prodotta importando gas, carbone o petrolio; • Costi contenuti. Anche se il costo necessaria alla costruzione di una centrale è considerevole, quelli relativi alla produzione di energia sono abbastanza contenuti.

La Co 2 e le fonti di energia http: //www. museoenergia. it/museo. php? stanza=85&ppost=355 indice SEI (Specific Energy Impact) è riferito alle emissioni di CO 2 per unità di energia generata e calcolato in Kg di CO 2 per KWh elettrico prodotto

… gli svantaggi • Scorie radioattive. • Solo energia elettrica. L'energia nucleare consente di produrre elettricità. Ciò consente di soddisfare la domanda di energia elettrica ma non risolve appieno il problema dell'approvvigionamento energetico di un paese; • Elevati costi iniziali e finali. Una centrale nucleare richiede elevati investimenti iniziali per la costruzione dell'impianto e del combustibile. A questi costi si aggiungono i costi finali necessari per il decommissioning, cioè lo smaltimento e la messa in sicurezza delle scorie al termine del ciclo di vita dell'impianto. • Sicurezza centrali nucleari. Le centrali nucleari richiedono un livello di sicurezza maggiore rispetto alle altri centrali elettriche poiché maggiori sono le conseguenze ambientali in caso di disastro o di incidente. • Proliferazione nucleare. Il ritrattamento del combustibile irragiato negli impianti civili consente di produrre il plutonio tramite il quale si possono produrre le armi nucleari e la bomba atomica. Per tali ragioni il settore dell'energia nucleare è sottoposto a rigidi controlli da parte della comunità internazionale.