ARMI NUCLEARI

Ten. Col. MED Daniele Laganà

Dipartimento Militare di Medicina Legale

MASTER DI MEDICINA N.B.C.

Firenze 2011

CENNI DI FISICA E TECNOLOGIA NUCLEARE

L’atomo

L’atomo

Z = N

N=1,5 Z

A-Z

Z

Fino ad A=20 rapporto p:n =1:1 cioè A=2Z A/Z = 2

A > 20 aumenta il numero di n pertanto rapporto p:n = 1:1,5 A/Z varia da 2 a 2,6

Rapporto A/Z

Forza nucleare forte

Il Difetto di Massa

Peso Atomico n + n + p + p = 4,03304Peso Atomico 2He4 = 4,00277

Difetto di Massa ( M ) = 0,0307

1 u.m.a.= 931 MeV

He = 931 x 0.0307 = 28,2 MeV (W)

W/A = 28,2 / 4 = 7,05 MeV

M

W/A (MeV)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

He

Curva Energia di Legame per nucleone

U

La Fissione Nucleare

La Fissione Nucleare

Energia rilasciata dalla Fissione Nucleare

U235 + n → frammenti + 2 or 3 n + 200 MeV

• 165 Mev En. Cinetica prodotti di fissione

• 7 Mev Raggi gamma

• 6 Mev En. Cinetica dei neutroni

• 7 Mev En. Dei prodotti di fissione

• 6 Mev Raggi gamma dai prodotti di fissione

• 9 Mev Antineutrini dai prodotti di fissione

200 Mev

La Reazione a Catena

La Massa Critica

La Reazione a Catena Controllata

La Reazione a Catena nell’Ordigno Nucleare

Il decadimento radioattivo

U

Xe

CsBa

La

Ce

Sr

Y

Zr

92235

54

140

55

140

140

140

140

56

57

58

3894

94

94

39

40

neutrone

nuclide instabile

nuclide stabile

decadimento

emissione

ENERGIA

(201 MeV)

Gun-Type Bomb

Little Boy: A Gun-Type Bomb

Implosion-Type Bomb

Implosion-Type Bomb

Fat Man: Implosion-Type Bomb

La Fusione Nucleare

La Fusione Nucleare

La Fusione Nucleare

H3 + H2 = (2He5) = 2He4 + n1 + 17,6 MeV

Resa energetica

(Energia prodotta / u.m.a. impiegata)

Fissione vs Fusione

201/238 = 0.8 MeV 17.6/5 = 3.5 MeV

The Hydrogen Bomb

Based on model of Edward Teller and Stanislaw Ulam

I combustibili nucleari

In natura gli elementi esistono in varie forme isotopiche

I combustibili nucleari

U238 (99,27%) non fissile

U235 (0,718%) fissile

U234 (0,0056%) non fissile,

Uranio naturale

Il ciclo di produzione dell’uranio

The yellow cake

Solid U3 O8

I combustibili nucleari

Arricchimento

Separazione di isotopi con

diffusione gassosa o centrifugazione

di UF6

U235 aumento dal 3 al 5 % - Reattori nucleari

Arricchimento

Arricchimento

U235 aumento fino al 90 % - Armi nucleari

I combustibili nucleari

92U238

Fertilizzazione

94Pu239

n + 92U239

- 93Np239

92U239

93Np239 -

Arricchimento: i materiali di scarto

U238 (99,8)

U235 (0,199)

U234 (0,0010)

Uranio Impoverito - DU

• Bassa Attività: 14 mBq/mg

• Densità elevatissima (19 g/cm3, 1.7 volte maggiore della densità del Pb

• Duttile

• Piroforico

Uranio Impoverito

Contenitori di UF6 negli USA (560.000 t)

Paducah, Kentucky

Portsmouth, Ohio

Oak Ridge, Tennessee

• Medicina - schermatura di sorgenti di radiazioni

• Mineralogia - pesi per le perforazioni

• Industria aerospaziale - contrappesi e superfici di controllo degli aerei (1500 Kg sul Boeing 747)

Impieghi in ambito civile del DU

• Munizioni anticarro ad alto potere penetrante

• Blindatura di parti sensibili del carro M-1 Abrams

Impieghi militari del DU

Esposizione esterna al DU

Contaminazione con DU

Gli Ordigni Nucleari

TIPO MECCANISMO D'AZIONE POTENZA

A fissione 10-150 Kt H fusione (termonucleare o tn) 0.5-10 Mt U fisso-fuso-fissione (tn) 1-100 Mt N fusione E.R.R.B.W. (tn) 0.1-5 Kt 1 Kiloton = 109 Calorie 1 Megaton = 1012 Calorie

Esplosione Nucleare

• Aspetti quantitativi

1 ton: energia liberata dall’esplosione “simultanea” di 1 t di TNT

• Aspetti qualitativi

Tipologia degli effetti

Gli effetti dell’esplosione nucleare

• Effetto meccanico

• Effetto termico-luminoso

• Effetto radiologico diretto

• Effetto radiologico ritardato

• Effetto elettromagnetico

Gli effetti dell’esplosione nucleare

05

101520253035404550

A H U N

RAD. DIRETTA

FALL OUT

RAD. TERMICA

ONDA D'URTO

Esplosioni Nucleari

• Aerea bassa o “in quota”

• In superficie (terreno, acqua)

• Sotto la superficie

• Aerea alta

Fenomenologia dell’esplosione

La radiazione termoluminosa

A bridge across the Motoyasu River about 800 meters from the hypocenter Donate by: US Army Pathology Institute / Chugoku Shimbun

The imprint of a person who was sitting on the stone steps at the entrance to the Sumitomo Bank, 250 meters east of the hypocenter

Photo by: Yoshito Matsushige -

Hiroshima Peace Site

Lesioni locali da effetto termoluminoso

• Cute– Ustioni da vampa (Flash burns)

• A profilo

• Figurate

– Ustioni da fiamma (Fire burns)

• Occhio– Ustione retinica

– Abbagliamento

• Apparato respiratorio– Insufficienza resp. e/o edema polmonare (inalazione di aria

calda)

• Primitive (onda termica)– Colpo di calore– Asfissia acuta

• Secondarie (alle ustioni estese)– Shock – Malattia da ustione– Infezioni

Lesioni locali da effetto termoluminoso

Keloids occured in 50 to 60% of people who suffered burns directly from the heat ray within a radius of 2 kilometers from the hypocenter

L’effetto meccanico

The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962

The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962

The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962

The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962

The Effects of Nuclear Weapons, Samuel Glasstone, 1962

Il fungo nucleare

Radiazione Nucleare Iniziale

• Radiazioni primarie

Raggi gamma e neutroni emessi nel corso delle reazioni di fissione e fusione

• Radiazioni secondarie

N.I.G.A. (collisone anelastica o cattura)

Radiazione Nucleare ResiduaConvenzionalmente quella emessa dopo il 1° minuto dalla esplosione

• Ordigno a fissione– Prodotti di fissione– Radioattività indotta da neutroni (in aria

e al suolo)

• Ordigno a fusione – Elementi derivati da attivazione

neutronica

La ricaduta radioattiva

•Fallout locale

•Fallout mondiale

Fallout locale

• Energia dell’ordigno• Altezza di scoppio• Condizioni meteorologiche

Fallout mondiale

• Le particelle più piccole sono trasportate dai venti a grande distanza

• La loro ricaduta al suolo è legata principalmente alle precipitazioni

• La maggior parte delle particelle oltrepassa la troposfera e ricade anche a distanza di anni (Jet-streams)

Test di Lop Nor, 9 maggio 1966

Rischio radiologico

• Prime settimane

Radionuclidi al breve t/2 (es. I 131)

Radionuclidi a lungo t/2

• Fasi tardive

Isotopi a lungo t/2 (Sr 90, Cs 137)

Danno biologico

• Fallout precoce

Irraggiamento esterno (gamma e beta)

• Fallout ritardato

Contaminazione interna (alfa e beta)

20 Km 50 Km

E.M.P.

Effetto Compton

4 5 6 7 8 9

E.M.P.

Scarica atmosferica

E.M.P.