Università degli Studi Guglielmo Marconi

Il corso intende fornire una visione sintetica dei principi di base della Fisica Nucleare applicata alle utilizzazioni industriali, specialmente per quanto riguarda la produzione di energia elettrica e problemi di misura e controllo in ambito industriale.

Modulo I: Fisica nucleare delle basse energie.

• Atomi e Nuclei: Equivalenza Massa-Energia. Struttura del nucleo atomico. Nomenclatura della sistematica nucleare. Unità di misura. Il modello a shell. Emissione ed assorbimento di luce.
• Radioattività: Legge del decadimento. Attività di una sorgente. Decadimento in canali differenti. Branching ratio. Catene di decadimento. Abbondanze relative degli elementi e regole empiriche di stabilità. Grafico di Segrè ed interpretazione delle regole empiriche di stabilità. Misura della vita media.
• Decadimenti radioattivi: Energia di legame e difetto di massa. Saturazione della forza nucleare. Energia di separazione. Sistematica dei nuclei stabili. Decadimento a. Decadimento b-. Decadimento b+. Cattura elettronica. Emissione g. Cenni sulla conversione interna.
• Urto fra particelle: Flusso di particelle. Sezione d’urto microscopica e macroscopica. Sezione d’urto differenziale. Variazione della sezione d’urto con l’energia. Tasso di reazione.
• Reazioni nucleari: Definizione di reazione nucleare. Q-valore di una reazione. Reazioni nucleari indotte da neutroni di bassa energia. Sezioni d’urto neutroniche. Migrazione neutronica.

Modulo II: Interazione radiazione-materia e rivelazione delle radiazioni nucleari.

• Interazione delle particelle cariche con la materia: Dualismo onda-corpuscolo. Perdita di energia per ionizzazione. Perdita di energia per irraggiamento (Bremsstrahlung). Effetto Cerenkov.
• Interazione dei neutroni e della radiazione gamma con la materia: Dipendenza delle sezioni d’urto dall’energia. Attenuazione dei neutroni. Effetto fotoelettrico. Effetto Compton. Creazione di coppie elettrone-positrone. Attenuazione della radiazione gamma. Rivelatori a gas: Generalità.
• Rivelatori a gas. Camera a ionizzazione. Camera a ionizzazione a risposta integrale. Camera a ionizzazione per impulsi singoli. Analisi dell’impulso di tensione. Camera a griglia. Contatore proporzionale. Fattore di moltiplicazione. Influenza dei fotoelettroni nel fattore di moltiplicazione. Contatori proporzionali per neutroni termici. Contatori al trifluoruro di boro. Contatori a elio-3. Contatore Geiger-Mueller. Andamento della risposta di un rivelatore cilindrico a gas in funzione della tensione. Rivelatori a stato solido: Struttura a bande energetiche dei solidi. Rivelatori a semiconduttore. Proprietà dei semiconduttori e principio di funzionamento. Caratteristiche di silicio e germanio. Rivelatori a scintillazione. Generalità sui materiali scintillatori e meccanismo di generazione della luce di scintillazione. Principio di funzionamento dei rivelatori a scintillazione. Fotomoltiplicatore. Scintillatori inorganici e scintillatore NaI(Tl).
• Caratteristiche ed utilizzazione dei rivelatori: Risposta di un rivelatore. Efficienza geometrica ed intrinseca. Sensibilità. Tempo di risposta e Tempo morto. Risoluzione. Conteggi di radiazioni nucleari. Correzione per il tempo morto. Principi generali della spettrometria gamma.

Modulo III: Fissione e fusione nucleare.

• Reazione di fissione nucleare: Generalità sulla reazione di fissione. La barriera di potenziale e l’energia critica. Fissione termica e veloce. Sezione d’urto di fissione. Nuclidi fissili. fissionabili e fertili. Bilancio energetico della fissione. Competizione fra fissione e cattura radiativa. I frammenti di fissione. I neutroni di fissione: neutroni pronti e ritardati. Fissione dell’Uranio-235.
• Reazione di fissione a catena: Reazione a catena e moltiplicazione neutronica. Sistemi moltiplicanti. Massa critica. Geometria critica. Fattore di criticità. Assemblaggio moltiplicante veloce. Assemblaggio moltiplicante termico. Formula dei quattro fattori. Potenza di un reattore.
• Reattori nucleari: Il Reattore nucleare termico. Reattore BWR, PWR, Candu. Reattore nucleare veloce. Cenni sul ciclo del combustibile. Cenni sulla gestione dei rifiuti radioattivi.
• Reazione di fusione nucleare: Fusione nucleare D-D, D-T e D-3He. Reazione termonucleare in un plasma. Temperatura di ignizione. Fusione controllata. Criterio di Lawson. Cenni sui reattori a fusione. Fusione nel sole e nelle stelle.
• Acceleratori di particelle ed Utilizzazione industriale delle radiazioni nucleari: Principio di funzionamento degli acceleratori di particelle. Acceleratori a caduta di potenziale, lineari, circolari e a fasci collidenti. Cenni sulle tecniche industriali che contemplano l’uso di sorgenti radioattive.
  

Prova scritta e/o orale

Parte generale:

• Emilio Segrè, Nuclei e particelle, 2° ed., Zanichelli.
• Murray R. L., Nuclear Energy, 6th ed., Butterworth-Heinemann (Elsevier), Oxford 2009, Capitoli della parte I e II.

Testi di approfondimento:

• Ugo Amaldi, Fisica delle radiazioni, Bollati Boringhieri.
• Lilley J.S., Nuclear Physics, John Wiley & Sons Ltd., 2001.
• Leo W.R., Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer & Verlag, Cap.[1,2,5,6,7,8].
• Tavernier S., Experimental Techniques in Nuclear and Particle Physics, Springer, 2010, Cap.[1,2,4,5,6,7]

previo appuntamento (c.iazeolla@unimarconi.it)