Nucleare

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Tags : nucleare, energia, economia

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Energia nucleare

Schema di una reazione di fissione nucleare

Con energia nucleare si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha la produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici. L'energia nucleare, insieme alle fonti rinnovabili e le fonti fossili, è una fonte di energia primaria, ovvero è presente in natura e non deriva dalla trasformazione di altra forma di energia.

Le reazioni che coinvolgono l'energia nucleare sono principalmente quelle di fissione nucleare, di fusione nucleare e quelle legate alla radioattività (decadimento radioattivo).

Nelle reazioni di fissione (sia spontanea, sia indotta), nuclei di atomi con alto numero atomico (pesanti) come, ad esempio, l'uranio, il plutonio e il torio si spezzano producendo nuclei con numero atomico minore, diminuendo la propria massa totale e liberando una grande quantità di energia. Il processo di fissione indotta viene usato per produrre energia nelle centrali nucleari. Le prime bombe atomiche, del tipo di quelle sganciate su Hiroshima e Nagasaki, erano basate sul principio della fissione. Si deve notare che in questo contesto il termine atomico è assolutamente inesatto o almeno inappropriato in quanto i processi coinvolti sono viceversa di tipo nucleare, coinvolgendo i nuclei degli atomi e non gli atomi stessi.

Nelle reazioni di fusione, i nuclei di atomi con basso numero atomico, come l'idrogeno, il deuterio o il trizio, si fondono dando origine a nuclei più pesanti e rilasciando una notevole quantità di energia (molto superiore a quella rilasciata nella fissione, a parità di numero di reazioni nucleari coinvolte).

In natura le reazioni di fusione sono quelle che producono l'energia proveniente dalle stelle. Finora, malgrado decenni di sforzi da parte dei ricercatori di tutto il mondo, non è ancora stato possibile realizzare, in modo stabile, reazioni di fusione controllata sul nostro pianeta, anche se è in sviluppo il progetto ITER, un progetto che con il successore DEMO darà vita alla prima centrale nucleare a fusione del mondo. È invece attualmente possibile ottenere grandi quantità di energia attraverso reazioni di fusione incontrollate, come ad esempio nella bomba all'idrogeno.

Le reazioni di decadimento radioattivo coinvolgono i nuclei di atomi instabili, che tramite processi di emissione/cattura di particelle subatomiche (radioattività) tendono a raggiungere uno stato di maggior equilibrio, in conseguenza della diminuzione della massa totale del sistema. Quelle in cui si ha la maggiore quantità di energia liberata sono i processi di diseccitazione gamma: le particelle interessate sono fotoni generalmente ad alta energia, ovvero radiazioni elettromagnetiche alle frequenze più alte (anche se più precisamente si ha sovrapposizione fra le frequenze delle emissioni X di origine atomica e gamma di origine nucleare).

La fissione consiste nel rompere il nucleo dell'atomo per farne scaturire notevoli quantità di energia: Quando un neutrone colpisce un nucleo fissile (ad esempio di uranio-235), questo si spacca in due frammenti e lascia liberi altri due o tre neutroni (mediamente 2.5). La somma delle masse dei due frammenti e dei neutroni emessi è leggermente minore di quella del nucleo originario e di quelle del neutrone che lo ha fissionato: la massa mancante si è trasformata in energia. La percentuale di massa trasformata in energia si aggira attorno allo 0.1%, cioè per ogni kg di materiale fissile, 1 g viene trasformato in energia. Se accanto al nucleo fissionato se ne trovano altri in quantità sufficiente e in configurazione geometrica adatta (massa critica), si svilupperà una reazione a catena in grado di auto sostenersi per effetto delle successive fissioni dei nuclei causate dai neutroni secondari emessi dalla prima fissione. La fissione nucleare dell'uranio e del plutonio è ampiamente sperimentata ed ingegnerizzata da circa 50 anni. Nell'agosto 2007, 439 reattori nucleari di potenza commerciali, producono il 16% dell'intera energia elettrica mondiale. Nei 30 Paesi dell'OCSE l'energia elettronucleare costituisce il 30% del totale dell'energia elettrica prodotta. A parte il rischio di incidenti, il maggiore problema ancora insoluto è costituito dalle scorie radioattive, che rimangono pericolose per migliaia se non milioni di anni.

L'altro metodo per ottenere energia dall'atomo è la fusione nucleare. Essa è esattamente opposta alla fissione: invece di spezzare nuclei pesanti in piccoli frammenti, si uniscono nuclei leggeri (a partire dall'idrogeno, composto da un solo protone) in nuclei più pesanti: la massa di questi ultimi è minore della somma di quelli originari, e la differenza viene emessa come energia sotto forma di raggi gamma ad alta frequenza e di energia cinetica dei neutroni emessi. La percentuale di massa trasformata in energia si aggira attorno all'1%, un quantitativo enorme. 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, e sono quindi necessarie temperature elevatissime, milioni di gradi centigradi. La fusione nucleare avviene normalmente nel nucleo delle stelle, compreso il Sole, dove tali condizioni sono normali. A causa di queste 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 (quello incontrollato esiste: la bomba termonucleare). Gli esperimenti odierni si concentrano sulla fusione di alcuni isotopi dell'idrogeno, il deuterio e il trizio, che fondono con maggiore facilità rispetto all'idrogeno comune prozio. La fusione nucleare per ora è in fase di ricerca e - a differenza della fissione nucleare - è stata realizzata in impianti realizzati dall'uomo solo per pochi secondi. Dopo oltre 50 anni di sperimentazione, gli addetti ai lavori prevedono che la realizzazione di un reattore a fusione operativo richiederà ancora alcuni decenni.

Il funzionamento di una centrale nucleare a fissione del tipo ad acqua leggera bollente (uno dei più diffusi) è abbastanza semplice: viene pompata dell'acqua attraverso il nocciolo del reattore che la fa evaporare attraverso il calore provocato dalla fissione dell'uranio. Il vapore viene quindi inviato nelle turbine che trasferiscono quindi la propria energia meccanica all'alternatore il quale genera la corrente elettrica.

Con reattore si intende uno spazio confinato all'interno del quale far avvenire le reazioni di fissione in maniera controllata. A partire dagli anni '40 del '900 sono stati ideati moltissimi tipi di reattore, con caratteristiche e scopi diversi. Lo scopo iniziale è stato la produzione di materiale adatto alla realizzazione degli arsenali atomici; solo in un secondo tempo a questa motivazione si è affiancata la produzione di energia elettrica. Non a caso i paesi che vantano il maggior numero di centrali sono anche dotate di armi nucleari. Tutti i reattori sono dotati di un sistema di barre di controllo che permette di regolare la reazione e quindi la potenza generata, nonché di aperture per consentire l'inserimento del materiale fissile e l'estrazione del "combustibile" esausto. Il tutto è racchiuso in un contenitore di acciaio ferritico pieno di acqua o di un altro moderatore (spesso grafite) che permette alla reazione di svilupparsi in modo regolare. L'acqua è molto spesso anche usata come fluido termovettore, cioè per raffreddare il nocciolo del reattore (che altrimenti fonderebbe) e nel contempo -scaldandosi- per generare vapore da inviare alle turbine. In taluni reattori anziché normale acqua vengono usate altre sostanze, quali gas o leghe metalliche a basso punto di fusione (per esempio contenenti sodio o piombo). In ogni caso tali fluidi di raffreddamento -essendo radioattivi- circolano in un circuito chiuso. Il "combustibile" di gran lunga più diffuso è l'uranio arricchito (cioè con una percentuale di uranio-235 maggiore del normale), ma non è l'unico materiale fissile utilizzabile: la ragione per cui si sono sviluppati reattori ad U235 è che essi producono plutonio, utile in tempi di corsa agli armamenti. Di contro le scorie hanno una "vita" molto più lunga che non -ad esempio- se si utilizzasse torio, come proposto dal Nobel Carlo Rubbia.

Il procedimento di fissione nucleare (come peraltro quello di fusione, seppur in maniera molto inferiore) produce materiali residui ad elevata radioattività. Si tratta di pastiglie di combustibile esaurito (uranio, plutonio ed altri radioelementi) che vengono estratte dal reattore per essere sostituite, nonché dei prodotti di fissione. Questo materiale, emettendo delle radiazioni penetranti, è molto radiotossico e richiede dunque precauzioni nel trattamento di smaltimento. La radioattività degli elementi estratti da un reattore si riduce nel tempo secondo il fenomeno naturale del dimezzamento ma i tempi necessari a farla rientrare entro standard di accettabilità biologica per il corpo umano sono lunghi. I tempi di decadimento radioattivo variano inoltre a seconda dell'elemento oscillando da pochi giorni a centinaia di migliaia di anni. Esistono attualmente due modi principali per smaltire le scorie, rigorosamente legati a preliminari studi di natura geologica riguardanti il sito di destinazione: per le scorie a basso livello di radioattività si tende a ricorrere al cosiddetto deposito superficiale, ovvero il confinamento in aree terrene protette e contenute all'interno di barriere ingegneristiche; per le scorie a più alto livello di radioattività si ricorre invece al deposito geologico, ovvero allo stoccaggio in bunker sotterranei schermati. Inoltre vengono sfruttati anche degli impianti di rigenerazione in grado di estrarre l'uranio, il plutonio e gli altri attinoidi (detti minori, prevalentemente nettunio, americio e curio) dalle scorie e renderlo riutilizzabile nel processo di fissione nucleare. Le scorie inoltre potranno essere riprocessate in altre tipologie di reattori (nuclear transmuters o trasmutatori con fattore di conversione c < 0.7) con auspicata produzione collaterale di energia elettrica.Nel caso esse vengano riprocessate col solo obiettivo di diminuirne la radioattività,sarà necessario un tempo di almeno 40 anni per assistere a un calo della radioattività del 99,9%. Un ulteriore metodo in fase di studio per la trasmutazione delle scorie nucleari (ADS) si basa sull'impiego di un acceleratore di protoni di alta energia (600 MeV - 2 GeV), accoppiato con un reattore nucleare subcritico, avente come barre di combustibile il materiale da trasmutare sotto forma di MOX o altro. Anche in questo caso si ipotizza la possibilità che il sistema sia energeticamente autosufficiente, con la produzione collaterale di energia.

Per la parte superiore



Reattore nucleare a temperatura molto alta

Il reattore nucleare a temperatura molto alta, noto in inglese con la sigla VHTR, acronimo di Very High Temperature Reactor è un tipo di reattore nucleare a fissione di IV generazione che utilizza un reattore moderato a grafite con un ciclo dell'uranio a singolo passaggio. Questo design di reattore prevede una temperatura del complesso di circa 1.000° C. Il nucleo del reattore può essere sia un sistema di “blocchi prismatici” in grafite oppure una serie di “ciottoli” (pebble-bed) anch'essi in grafite. Le alte temperature raggiunte permettono applicazioni chimiche secondarie del calore ottenuto, sia nel *cracking degli idrocarburi oppure nella produzione d'idrogeno via il processo termo-chimico noto come ciclo del Solfuro di Iodio.

È stata ventilata in futuro la possibilità che i motori a combustione interna a benzina e gasolio vengano rimpiazzati con sistemi a cella a combustione che fornirebbero tensione a motori elettrici, creando una vera e propria economia a idrogeno. Per essere ecologicamente sostenibile, riguardo al problema dell'effetto serra, la produzione di idrogeno dovrebbe avvenire con meccanismi che non impieghino nessun tipo di combustibile fossile, neanche indirettamente o collateralmente (come nelle coltivazioni agricole di biomassa). Il reattore nucleare VHTR potrebbe diventare una delle fonti di questo idrogeno, assieme ad enormi campi di pannelli solari in paesi desertici, dighe e foreste di generatori eolici nel terzo mondo. Il reattore sarebbe da localizzare in regioni semi-disabitate (p.es nella Scandinavia, Canada, Patagonia, Sud Africa e Russia), e produrrebbe idrogeno in modo diretto, per via termica, senza disperdere l'energia termo-nucleare nelle varie conversioni termo-meccaniche ed elettriche. Un beneficio collaterale dei reattori nucleari che producono sia elettricità che idrogeno e che si può scegliere rapidamente di produrre una tra le due. Ad esempio l'impianto potrebbe produrre elettricità di giorno ed idrogeno di notte, compensando così la variazione della domanda. Se prodotto in modo conveniente, questo schema competerebbe con i sistemi di stoccaggio energetico a griglia attuali. Esiste una domanda di idrogeno così alta negli Stati Uniti che tutta la generazione di potenza "di picco" potrebbe essere soddisfatta da tali impianti.

Alcuni progetti russi ed americani si basano su una configurazione del "core" a blocchi prismatici, con i blocchi esagonali di grafite strettamente impilati in un contenitore a pressione circolare in acciaio. Esistono anche progetti impieganti i "Pebble bed" (ciottoli in grafite) che vengono sperimentati e sono progettati per temperature di esercizio inferiori rispetto a quelle proposte per il VHTR. I design "Pebble bed" hanno normalmente un nucleo dove i ciottoli si trovano dentro un anello, ed al centro è posta una spirale centrale fatta di grafite.

Il combustibile nucleare proposto usualmente è l'ossido di uranio in configurazione TRISO, ma é stato anche proposto il carburo di uranio UC. I TRISO "pellets" (ciottoli) possono essere sia disposti in una specie di "sedimento" per il design a letto di ciottoli oppure fusi per formare barre che vengono inserite dentro i blocchi esagonali di grafite (Simili in questo al reattore RBMK di Chernobyl).

I reattori refrigerati ad elio sono il tipo di reattori che prevalentemente si studiano oggi; il principale progetto proposto utilizza un nucleo termico di 600-MW con una temperatura di uscita dell'elio di circa 1.000 °C. L'elio è stato utilizzato in molti reattori a gas ad alta temperatura, HTGR (High Temperature Gas Reactors). L'elio è un gas inerte, dunque non reagisce con alcun altro elemento ne materiale biologico, ad eccezione di ustioni provocate dalla enorme quantità di calore che esso può accumulare. Un altro suo vantaggio è che non assorbe neutroni, e dunque non diventa radioattivo. Il suo impiego richiede che il sistema del contenimento del core, ed i tubi, siano pressurizzati e capaci di sopportare alte temperature ed ampie escursioni termiche.

La variante refrigerata a sali liquidi, nota anche come LS-VHTR, era previamente chiamata "Advanced High Temperature Reactor" (AHTR) ed utilizza un sale liquido per il raffreddamento di un core prismatico di grafite. È essenzialmente un progetto VHTR standard che utilizza sali liquidi invece di elio. Il sale fuso ad alte temperature passerebbe attorno ai blocchi di grafite oppure in fori perforati in essi. Il reattore nucleare LS-VHTR ha molte interessanti caratteristiche, che includono: la possibilità di lavorare a temperature estremamente alte (il punto di ebollizione di molti sali fusi sotto studio é al di sopra dei 1400 °C), bassa pressione di raffreddamento che può essere utilizzata più facilmente per giungere alla produzione d'idrogeno in maniera sicura ed industrialmente conveniente (la maggior parte dei cicli termo-elettrici richiedono temperature in eccesso rispetto ai 750 °C), migliore efficienza della conversione elettrica rispetto ad un VHTR refrigerato ad elio operante in condizioni simili, possibilità di applicazione del sistema passivo di sicurezza intrinseca, e migliore ritenzione dei sotto-prodotti di fissione in caso d'incidente. Dal momento che questi reattori sono relativamente poco testati, questa versione del progetto richiede ulteriori ricerche tecnologiche.

Nei progetti a blocchi prismatici di grafite, alcuni dei blocchi del core sono lasciati vuoti e permettono l'inserimento di barre di controllo in berillio (che assorbe i neutroni). Il VHTR verrebbe controllato allo stesso modo dei normali reattori PBMR. Se si utilizzasse un reattore col nucleo a ciottoli (pebble bed core), le barre di controllo verrebbero inserite nel riflettore di neutroni (in grafite) attorno al nucleo, oppure dentro la spirale centrale in grafite. Il controllo nei reattori pebble bed potrebbe essere ottenuto anche aggiungendo ciottoli contenenti assorbitori di neutroni.

Questi progetti si avvantaggiano delle caratteristiche di sicurezza intrinseca di un core raffreddato ad elio, moderato in grafite con specifiche ottimizzazioni di aspetti collaterali del design. La grafite ha una grande inerzia termica ed il refrigerante in elio é in fase singola (gassosa), é chimicamente inerte, e dunque non ha effetti di reattività, non dissocia (come il vapore d'acqua) in elementi che dopo possono esplodere. Inoltre non diventa radioattivo, perché non assorbe neutroni. Il core é composto di grafite, ha grande capacità termica e stabilità strutturale anche alle alte temperature. Il combustibile nucleare è rivestito da ossicarburo di uranio che permette un'elevata efficienza di "burn-up" (avvicinandosi 200 GWd/t, dunque consuma efficientemente l'uranio) ed incapsula efficacemente i prodotti di fissione. L'elevata temperatura media di fuoriuscita di gas (1000 C°) dal nucleo del VHTR permette la conversione diretta dell'energia termica del gas tramite apposite turbine a ciclo Brayton (senza le perdite di efficienza tipiche degli scambiatori gas-acqua) e/o la produzione di una fonte di calore utile a processi industriali esterni al reattore come lo steam cracking termico e l' elettrolisi chimica dell'acqua, per produrre idrogeno.

Per la parte superiore



Risonanza magnetica nucleare

"Apparato e metodo per l'individuazione del cancro nei tessuti" di Raymond Damadian.

La Risonanza Magnetica Nucleare (RMN, in inglese NMR) è una tecnica di indagine sulla materia basata su principi fisici che utilizzano la misurazione della precessione dello spin dei protoni sottoposti ad un campo magnetico. A volte viene scorrettamente abbreviata in risonanza magnetica tout court, che indica però il principio di risonanza del campo magnetico in generale, principio utilizzato invece nelle cavità a radiofrequenza e nei pick-up degli strumenti elettrici a corda.

Le indagini mediche che sfruttano l'RMN son dette anche tomografia a risonanza magnetica. In questo caso l'aggettivo "nucleare" è elidibile: è stato infatti inizialmente utilizzato in contrapposizione alla fisica della radiologia convenzionale: il segnale di densità in RM è dato infatti dal nucleo atomico dell'elemento esaminato, mentre la densità radiografica è determinata dalle caratteristiche degli orbitali elettronici degli atomi colpiti dai raggi X. Si è tuttavia preferito omettere questa ulteriore specificazione, non essendo indispensabile alla definizione, soprattutto per gli equivoci col decadimento nucleare, fenomeno col quale la RM non ha alcunché in comune. Resta invece valida la definizione in fisica e in tutte le altre applicazioni.

Scoperta indipendentemente nel 1946 dai fisici Felix Bloch ed Edward Purcell, per cui ricevettero il Premio Nobel per la fisica nel 1952, tra il 1950 e il 1970 venne utilizzata primariamente nell'analisi della chimica molecolare e della struttura dei materiali.

Nel 1971 Raymond Vahan Damadian descrive come tumori e tessuti sani si comportino in maniera differente all'RMN. Egli suggerì che queste differenze potessero venire utilizzate per la diagnosi del cancro. Tuttavia, ricerche successive dimostrarono che queste differenze, sebbene reali, abbiano un ampio range di variabilità per cui sarebbe stato difficile utilizzarle per scopi diagnostici.

I risultati ottenuti da Damadian avevano diverse pecche per poter essere utilizzati nell'uso pratico; studi condotti eseguendo una RMN con diversi tempi di rilassamento su tutto il corpo dimostrarono che la RMN non poteva essere utilizzata per distinguere il tessuto tumorale dal sano.

Ciononostante nel 1974 egli registrò il primo brevetto sulle applicazioni della RMN registrando il concetto di RMN applicata alla diagnosi dei tumori. Come riportato dalla National Science Foundation, "il brevetto includeva l'idea di usare la RMN per analizzare l'intero corpo umano per localizzare tessuti cancerosi"". Tuttavia, non veniva descritta con precisione alcuna metodica su come effettuare l'indagine su tutto il corpo o per ottenere immagini da tale tipo di analisi.

Negli anni 50 Herman Carr dichiarò di aver creato una proiezione monodimensionale con una tecnica di risonanza magnetica. Stimolato dall'articolo di Damidian sul potenziale diagnostico della risonanza magnetica nucleare, Paul Lauterbur migliorò la tecnica di Carr e sviluppò un metodo per generare le prime immagini in 2D e 3D usando i gradienti. Peter Mansfield dell'Università di Nottingham in seguitò sviluppò un metodo matematico che avrebbe permesso di effettuare la scansione in pochi secondi, piuttosto che in alcune ore e per produrre immagini migliori. Mentre Lauterbur e Mansfield si applicarono su animali e tessuti umani Damadian costruì la prima macchina per la risonanza utilizzabile per l'intero corpo e produsse la prima scansione di tutto il corpo umano utilizzando la tecnica del campo focalizzato che non è quella che si usa correntemente.

Nel riassumere la storia della risonanza magnetica, Mattson and Simon (1996) accreditarono a Damadian la prima descrizione della risonanza dell'intero corpo e la scoperta delle differenze fra i tessuti che la resero possibile.

Nel 1972, sfruttando i progressi matematici per la ricostruzione delle immagini, basati sulla trasformata di Fourier, Lauterbur associò lo studio di risonanza, fino ad allora utilizzato nell’osservazione di macromolecole chimiche, a distretti anatomici.

Per descrivere correttamente tutti i fenomeni NMR dovrebbe essere utilizzato il formalismo della meccanica quantistica, ma per quanto riguarda sistemi macroscopici a spin 1/2 tutte le predizioni del modello classico sono in accordo con quelle della teoria quantistica, permettendo una trattazione più semplice del soggetto.

Nel modello classico lo spin del nucleo viene descritto come un momento magnetico rappresentato da un vettore μ.

Se questo viene ad interagire con un campo magnetico uniforme e costante rappresentato dal vettore B0, μ si orienta lungo le linee di forza del campo magnetico risentendo di una coppia data da L=μ x B0 che provocherà la rotazione (precessione) di μ attorno alla direzione di B0 con una ben precisa frequenza angolare ν0, detta frequenza di Larmor, che dipende esclusivamente dal tipo di nucleo e dalla intensità del campo magnetico B0. Da notare che non si ottiene un allineamento perfetto dei μ lungo la direzione di B0, ma i vettori μ hanno un moto di precessione attorno alla direzione di B0.

La tecnica NMR non osserva un singolo nucleo, ma viene misurato l' effetto combinato di più nuclei entro il campione di materiale sotto esame. Viene quindi definito il vettore di magnetizzazione M come la risultante della somma di tutti i piccoli momenti magnetici μ dei singoli atomi, questi avranno la componente parallela ad B0 , che sarà o in direzione di B0 (allineamento parallelo), oppure con verso opposto (allineamento antiparallelo). In base alla meccanica quantistica si ha un leggero eccesso di momenti magnetici lungo una direzione rispetto ad un'altra, e quindi il vettore M0 risultante non è nullo.

La popolazione di nuclei con spin parallelo N1 , cioè orientata secondo il verso di B0, possiede energia potenziale minore E1 e si trova in soprannumero rispetto alla popolazione N2 con spin antiparalleli e con energia potenziale maggiore E2. La distribuzione della popolazione nei due livelli energetici E1 ed E2 è data dalla legge di distribuzione di Boltzmann: N2 / N1 = e-ΔE / K °T , dove K è la costante di Boltzmann, °T è la temperatura assoluta e ΔE = E2- E1 è la differenza di energia tra i due livelli.

Quindi il vettore M, risultante dall'azione del campo magnetico sugli spin atomici, avrà ampiezza uguale a quella dell'eccesso di spin (popolazione N1) definito dal modello quantistico e orientazione uguale a quella del campo esterno B0 applicato. In definitiva, è possibile ottenere da un piccolo volume di materia un vettore magnetizzazione misurabile dato dalla composizione dei vettori (non misurabili) μ dovuti agli spin dei nuclei contenuti nella materia. Per potere rilevare questo vettore M occorre perturbare il sistema dal suo stato di equilibrio, ad esempio applicando un secondo campo magnetico B1 perpendicolare a B0 e variabile nel tempo. (B1 può essere indotto per mezzo di un segnale a radiofrequenze). Se B1 ruota intorno a B0 con frequenza uguale a ν0 cambiando il sistema di riferimento e ponendosi solidali con B1, si osserva il vettore M precede attorno a B1 con frequenza angolare ν1, variando in questo sistema di riferimento la propria orientazione rispetto alla direzione del campo B0.

I campi B0 e B1 sono detti rispettivamente campo di polarizzazione e campo di eccitazione. La rotazione che il vettore M subisce rispetto al campo principale per effetto del campo B1 dipende dall'energia assorbita dai nuclei e quindi anche dal tempo di applicazione τ di B1 stesso. L'angolo è detto angolo di flip. Tramite opportuni valori del campo B1 applicato e del tempo τ è possibile ruotare il vettore M di 90° ed in questo caso si parla di impulso di 90°; è anche possibile capovolgere la direzione del vettore M con un impulso di 180° detto impulso di inversione o impulso pigreco. In questo caso una parte dei nuclei della popolazione N1 ha acquistato energia tale da far cambiare direzione ai loro momenti magnetici μ, tanto che si dovrebbe raggiungere la situazione ideale in cui il numero dei nuclei con μ antiparalleli eguaglia il numero di nuclei con μ paralleli (N1 = N2 questa situazione si raggiungerebbe, in base alla legge di Boltzmann, solo quando la temperatura del sistema di spin è infinita), per cui il sistema di spin non è più in equilibrio termodinamico con l’ambiente (reticolo). Perciò, una volta spento B1, il sistema di spin dovrà cedere l’eccesso di energia al reticolo.

Terminata la perturbazione dovuta al campo B1 si ristabilisce l'equilibrio di partenza tra spin degli atomi del campione e campo B0 con determinate modalità temporali. L' ampiezza del vettore M non è conservata durante quello che viene definito processo di rilassamento.

Esso coinvolge due fenomeni: il rilassamento trasversale, o annullamento della componente trasversale Mxy ed il rilassamento longitudinale, o recupero della magnetizzazione longitudinale Mz. L' evoluzione delle componenti del vettore M(t) viene descritta, nel sistema di riferimento rotante con le equazioni fenomenologiche di Bloch (qui non riportate) La costante di tempo T1, che governa il ritorno all'equilibrio della componente longitudinale del vettore M, è definita tempo di rilassamento spin-reticolo, in quanto coinvolge i trasferimenti di energia che avvengono tra il sistema di spin ed il resto dell'ambiente. La costante di tempo T2, che governa l' annullamento della componente trasversale del vettore M, è definita tempo di rilassamento spin-spin in quanto coinvolge le interazioni tra i momenti magnetici dei singoli nuclei, cioè è legata alla dinamica temporale che porta gli spin atomici a perdere di coerenza e quindi a sfasarsi. Nel caso che il campo B0 non sia perfettamente omogeneo a livello locale a causa di disomogeneità del campo esterno applicato, od a causa di differenze puntuali di suscettività magnetica del sistema, oppure per l'applicazione di un campo magnetico caratterizzato da un preciso gradiente, la frequenza di precessione dei nuclei viene a dipendere anche dalla posizione che essi occupano rispetto a tali disomogeneità locali. Ogni pacchetto di spin può precedere allora ad una sua velocità nei diversi punti del campione, sfasandosi di fatto rispetto agli altri. Si osserva dunque un decadimento del vettore M più rapido di quello che ci si aspetterebbe dal solo rilassamento spin-spin dovuto al minore ordine del sistema. Questo fenomeno è considerato nella costante di tempo T2*. Il tempo di rilassamento T2 è sempre minore o uguale a T1 .

Le equazioni di Bloch sono alla base della scelta di ogni sequenza di eccitazione e della successiva acquisizione ed elaborazione del segnale.

Una volta terminata l'azione perturbante del campo B1, dopo un tempo di applicazione Tp, si segue l'andamento del ritorno all'equilibrio della magnetizzazione macroscopica M che tende a riallinearsi al campo B0. Il segnale prodotto dalla variazione nel tempo del vettore M viene misurato in laboratorio usando una bobina ad induzione elettromagnetica posta attorno al campione in direzione ortogonale al campo esterno, che si comporta come una antenna: le variazioni della componente trasversale di M si vanno a concatenare alla bobina, inducendo in essa una piccola forza elettromotrice (misurabile tramite un ricevitore a radiofrequenza) che oscilla alla frequenza di Larmor.

Il segnale NMR, detto FID (Free Induction Decay) è approssimativamente monocromatico ed oscilla alla frequenza di Larmor, attenuandosi in maniera esponenziale con il tempo in funzione della costante di tempo T2*. Per la formazione di immagini, si utilizzano sequenze di eccitazione opportunamente progettate che consentono di enfatizzare la dipendenza del FID dai tre parametri : densità protonica ro, T1,T2. Un parametro caratteristico di tutte le sequenze è il tempo di ripetizione TR, ossia l' intervallo di tempo fra l' inizio di una sequenza di eccitazione e l' inizio della successiva. Inoltre non si misura direttamente il FID ma un segnale "eco", composto da 2 FID speculari.

Il passo fondamentale che ha permesso di avere dal segnale NMR anche una codifica spaziale sul volume del campione è stata l'introduzione dei gradienti di campo magnetico: questo ha permesso di ottenere immagini spaziali del "campione" esaminato. Se oltre al campo magnetico principale B0 ed a quello rotante B1 viene applicata ad una piccola zona del materiale in esame un campo magnetico variabile linearmente nel volume del campione, ma di intensità molto minore di quello polarizzante, la frequenza di risonanza di Larmor in quella zona cambia in funzione della somma tra il campo principale ed il valore in quel punto dell'intensità del campo secondario. Risulta quindi possibile (sapendo in quale area viene applicato il campo secondario) legare il segnale di ritorno a coordinate spaziali, e di conseguenza avere anche una misura della densità protonica in un ben preciso punto del materiale, in particolare il segnale raccolto dall'antenna sarà una somma di termini oscillanti avente la forma di una trasformata di Fourier della distribuzione delle densità dei protoni del volume acquisito.

Antitrasformando il segnale S(t) si ottiene la distribuzione della densità di protoni ρ(r). La parte centrale dello spazio k (basse frequenze) determina il contrasto dell'immagine, mentre le parti esterne (alte frequenze) influiscono sui dettagli dell'immagine. Impostando particolari sequenze di segnali di eccitazione che pesino selettivamente i contributi al segnale dati dai diversi parametri (T2, T2*, T1, ρ), si possono ottenere informazioni sul tipo di tessuto in esame.

La densità protonica ρ(r) che viene derivata dalla trasformata di Fourier del segnale S(t), nel caso dipenda da T1 e T2, risulta La rappresentazione in termini di Fourier del segnale S(t) permette una facile visualizzazione grafica delle varie strategie che possono essere usate per l'acquisizione delle immagini. Al crescere del tempo, l'evoluzione del segnale descrive una traiettoria nello spazio k, ed in ogni suo punto il valore della trasformata k è dato dal valore di S(t). In linea di principio si può percorrere una qualunque traiettoria nello spazio k impostando opportunamente l'andamento temporale dei gradienti.

Si può indurre il fenomeno di risonanza magnetica nei nuclei atomici aventi numero dispari di protoni e/o neutroni. Il nucleo atomico maggiormente utilizzato nelle analisi RM e' il protone che costituisce il nucleo dell'atomo di idrogeno, che essendo dotato di uno spin e carica elettrica si comporta come un piccolo dipolo magnetico. I vantaggi dell'utilizzo dell'idrogeno sono dati dalla sua abbondante presenza (nei tessuti e' presente con la molecola d' acqua) e dal fatto che permette di avere un buon segnale RM.

La risonanza magnetica in campo medico è usata prevalentemente a scopi diagnostici nella tecnica dell'imaging a risonanza magnetica.

Anche se non sono usati raggi X per ottenere il risultato, questa modalità è normalmente considerata come facente parte del campo della radiologia, in quanto generatrice di immagini correlate alle strutture all'interno del paziente. Allo stato attuale delle conoscenze non vi sono motivi per ritenere dannoso un esame di risonanza magnetica (eccetto per gli ovvi casi in cui il campo magnetico interagisca con impianti metallici presenti nel corpo del paziente, quali pacemaker o clip vascolari) per quanto debba essere preservato il principio di giustificazione in alcuni casi particolari, come indagini da eseguirsi su pazienti in gravidanza. In tali casi si deve ritenere la metodica potenzialmente dannosa e procedere all'indagine soltanto dopo attenta valutazione del rischio/beneficio, sulla cui base l'eventualità del danno dovuto alla metodica passa in secondo piano rispetto al beneficio ricavabile dalle informazioni da essa provenienti.

Le informazioni fornite dalle immagini di risonanza magnetica sono essenzialmente di natura diversa rispetto a quelle degli altri metodi di imaging. Infatti sono normalmente visibili esclusivamente i tessuti molli ed è inoltre possibile la discriminazione tra tipologie di tessuti non apprezzabile con altre tecniche radiologiche.

La risonanza magnetica trova impiego anche in chimica. A grandi linee si possono distinguere quattro grandi aree di ricerca: spettroscopia di correlazione, spettroscopia ad alta risoluzione, spettroscopia imaging MRI e infine spettroscopia Rheo-NMR. La spettroscopia di correlazione e quella ad alta risoluzione sono utilizzate principalmente come tecniche per caratterizzare la struttura delle molecole. La spettroscopia di correlazione include gli esperimenti di disaccoppiamento e disaccoppiamento selettivo e le spettroscopie pluridimensionali (essenzialmente bidimensionali).

La spettroscopia imaging e la Rheo-NMR sono solitamente utilizzate per individuare parametri chimico-fisici. La tecnica di imaging NMR può visualizzare, in una specifica immagine, il profilo delle velocità del flusso e la densità molecolare all’interno di una cella reologica. Il metodo è non invasivo e fornisce informazioni sull’esatta natura del flusso di deformazione. È possibile infatti immettere un rotore all’interno del probe NMR imaging e determinare immagini di velocità di flusso generate dallo shear all’interno della couette che crea flussi stazionari all’interno del sistema. L’impiego contemporaneo delle due tecniche: Reologia e Risonanza Magnetica permette di eseguire misure utilizzando solo piccole quantità di campione ed inoltre, grazie alle piccole dimensioni della cella, è possibile raggiungere alti valori di velocità di flusso.

La spettroscopia monodimensionale in chimica-fisica viene utilizzata solitamente per il calcolo del coefficiente di autodiffusione. La tecnica Pulsed Gradient (acronimo: PG-NMR) fornisce un metodo conveniente e non invasivo per misurare il moto traslazionale molecolare correlabile al coefficiente di autodiffusione D. La tecnica PG-NMR permette di seguire spostamenti quadratici medi compresi tra i 100 Å e 100 m, cioè nel range relativo alle dimensioni delle molecole organizzate in sistemi supramolecolari, come le fasi liquido-cristalline. La sequenza utilizzata per questa tecnica è stata proposta da Stejskal e Tanner.

La risonanza magnetica trova impiego anche in petrofisica, principalmente per quantificare la porosità delle rocce serbatoio, la loro saturazione in acqua (arrivando a distinguere fra fluidi mobili e non mobili) e la permeabilità delle stesse. Impieghi più avanzati sono dati dall'utilizzo di registrazioni RM, effettuati con particolari modalità per ottenere stime quantitative della viscosità in situ degli idrocarburi, valutazioni quantitative volumetriche in presenza di tre fasi fluide (acqua + gas + petrolio) nei reservoir petroliferi e del profilo d' invasione attorno al foro del pozzo.

Le registrazioni ed analisi RM sono fatte o con tecniche di logging, con specifiche sonde RM discese entro il pozzo, oppure tramite apparecchiature di laboratorio su campioni di roccia provenienti solitamente da carote recuperate nei pozzi.

In tutti i casi si utilizza il fatto che sia i fluidi (sia acqua che gli idrocarburi) contenuti naturalmente nella porosita' della roccia contengono atomi di idrogeno.

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Source : Wikipedia