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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

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

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

Fat Man: Implosion-Type Bomb

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


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


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


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

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.