Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima

Presentazione sul tema: "Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima"— Transcript della presentazione:

1 Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima
La ricerca sugli eventi rari: Interazioni dei neutrini da reattori (~MeV) Interazioni delle WIMPS ( da qualche diecina di keV) Decadimento beta doppio senza neutrini (~qualche di MeV) Riduzione del fondo dovuto a Raggi cosmici => laboratori sotteranei Radioattivita’ ambientale => opportune schermature Il caso del Piombo Romano (Privo di 210Pb con t1/2 =20.3 anni) Spettroscopia gamma => rivelatore al germanio Radioattivita’ => naturale e/o androgena - Rivelatori di alta sensibilita’ per rivelare contaminazioni minime 1

2 Bequerel, Pierre e Marie Curie Scoperta della radioattivita’

3 Gli spettri g in natura 3 Radionuclide fossile
Radionuclide cosmogenico 1460.8keV:40K Radionuclide fossile Radionuclide cosmogenico 477.6keV:7Be 1460.8keV:40K 477.6keV:7Be Radionuclide di origine antropica(Chernobyl) Radionuclide di origine antropica(Chernobyl) 661.6keV:137Cs Famiglia 232Th 661.6keV:137Cs Famiglia 232Th 238.6keV 238.6keV 583keV 583keV 2614keV 911keV 2614keV 911keV 352kev 609.4keV 609.4keV 1120.4keV 1764keV 352kev 1120.4keV 1764keV Famiglia 238U Famiglia 238U 440 1326 2211 3

4 Il piombo romano

5 Energia di legame dei nuclei Eb = Wb /A => Fissione e fusione
volte Energia di legame dei nuclei Eb = Wb /A => Fissione e fusione 5

6 La fissione nucleare Con neutroni termici (~0.025 eV) o veloci
Reazione a catena piu’ comune ntermico+ 235U => X + Y nveloci = > rallentati con moderatore (grafite H2O , D2O ecc.) X e Y sono ricchi di neutroni e decadono b Nucleo Energia di legame Energia di attivazione s (barn) 232Th 4.8 6.7 < 10-6 233U * 6.8 5.85 531.8 235U 6.5 5.9 579 238U 5.8 2.7 x 10-6 239Pu 6.3 742 * n + 232Th => 233Th -b => 233Pa-b=> 233U 6

7 Energia dei neutroni Reazione a catena
Purtroppo prime bombe al 239Pu (Alamagordo, Nagagashi) e all’ 235U (Hiroshima) 7

8 Le scorie 89Se => 89Br => 89Kr => 89Rb => 89Sr => giorni in 89Y 90Br => 90Kr => 90Rb => 90Sr => 29.1 anni in 90Y =>2.67 g in 90Zr 131 In => 131 Sn => 131 Sb => 131 Te => 131 I =>8.04 g in 131 Xe 132 In => 132 Sn => 132 Sb => 132 Te =>3.6 g In 132 =>2.28 a in 132 Xe 134 Sn => 134 Sb => 134 Te => 134 I => 134 Xe => 134 Cs => 2.06 a in 134 Ba 137 Te => 137 I => 137 Xe => 137 Cs => a in 137 Ba 8

9 Reattori con neutroni termici
A grafite, acqua leggera e pesante per produzione di isotopi radioattivi,di ricerca , di analisi, di potenza Il primo reattore (200 watt) 9

10 Fattore k

11 Tipo Combustibile Moderatore Refrigerante Esempi PWR U arr o U+Pu Acqua T, Fukushima,Three mil Isl BWR U o U+Pu Caorso A gas moderato a Grafite NUGCR U naturale Grafite CO2 PHWR D2O Breeder FBR U nat e Pu no Sodio oPb VVER (PWR) U arr, 2% Trino Vercellese

12 Il reattore LENA di Pavia
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14 Tre soli incidenti con un reattore di potenza
I reattori di potenza’ I reattori piu’ comuni con 235U: Caorso. Mio turbinoso passato!=>oscillazioni del neutrino A grafite =>Chernobyl Ad acqua leggera => bollente (BWR) Fukushima => a pressione (PWR) Three Mile Island Ad acqua pesante (HWR) Tre soli incidenti con un reattore di potenza Three Mile Island) (PWR) 1979 (Mancanza del quarto sistema di raffreddamento) Fusione del 60% del nocciolo Emissione molto limitata di radiazione Lavoratori mSv 33 Sv x uomo su 2 milioni di abitanti Altre conseguenze 14

15 Reattori con neutroni termici: A grafite => Funziona anche con Uranio naturale => molto moderatore, Uranio metallico (alta densita’) => produzione di Plutonio => possibilile produzione di idrogeno Ad acqua leggera Light Water Reactors (LWR) => Boiling water reactors (BWR) L’acqua sotto forma di vapore viene fatta circolare nelle turbine . Esempio Caorso.Solo barre di controllo => Pressure Water Reactors (PWR) L’acqua mantenuta in fase liquida dalla alta atmosfera passa da un circuito primario ad uno secondario. L’acqua con Boro Che diminuisce => .Normalmente due contenitori VVER in Russia (Chernobyl) e Trino Vercellese Ad acqua pesante (Canada) Canadian Deuterium Uranium (HWR) => possono usare Uranio naturale L’acquapesante rallenta meglio

16 Effetti della radiazione Sievert (Sv) => joule/kgxQ
Esposizione media => alcuni mSv/anno Dose popolazione => < 1 mSv/anno professionisti < 20 mSvb/anno Dose mortale (50% in 30 giorni) => Sv Morte addizionle per tumore => 25 Sv/milione Dosi “spesso non considerate” Radioterapia e radiodiagnostica (1/5 , 1/3 , 1/20) 210Pb e 210Po dei fumatori -> ~1/3 in piu’ Arricchimento Metodi: calotron,diffusione, centrifughe, ecc. Varie percentuali di 235U: Uranio naturale => 0.7% Uranio per reattori di potenza=>3-5% Piccoli reattori => ~20 % Bombe => ~90 % 16

17 L’ EVENTO CHERNOBYL RBMK acqua bollente inizialmente progettati per scopo militare Grafite funzionante come moderatore ( 0 12 m e h = 0 7 m) Potenza termica => 3200 Mwatt => elettrica Mwat

18 Cosa e’ successo 1.00 del Si riduce la potenza per pertarla da 3200 a Mwatt 13.05 potenza a 1600 Mwatt . Si disinserisce uno dei turboalternatori 14.00 Si isola il sistema di raffreddamento di emergenza violando le norme di sicurezza. Per richiesta di energia da Kiev si ritarda di 9 ore l’ esperimento si inizia la riduzione di potenza potenza previstoa per l’esperimento Mwatt Il reattore crolla a 30 Mwatt 1.00 del Si riesce a portare la potenza a soli 200 Mwatt. solo 6-8 barre 1.03 Si aggiungono due pompe alle 6 in funzione :Flusso eccessivo 1.10 Si estraggono tutte le barre di controllo 1.22 ' 30 '' Il computer segnala la necessita’ di spegnere Gli operatori non obbediscono 1.23 ' 04 C Si chiude la valvola di ammissione vapore-turbina per proseguire per inerzia . Il sistema di sicurezza bloccherebbe il reattore, Viene disinserito .Reattore a 200 Mwatt senza asportazione di calore Aumento di temperatura e potenza. 1.23 ' 40 '' Gli operatori a premere AZ-5 . le barre non si inseriscono 1.24 ' 00 '' La potenza diverge => due esplosioni ( vapore e idrogeno formato da acqua su zirconio). Scoperchiano il reattore , distruggono l’n edificio, proiettano, gas , polvere , grafite ecc. Grafite a 2000 gradi brucia Giorni successivi . Incendio cala con 5000 tonn di dolomite,carburo di Boro, sabbia, piombo => aumento temperatura=> aumento emissione di radioattivita 18

19 Sarcofago 19

20 20

21 Pomeriggio 30 aprile 1986 21

22 22

23 2-3 maggio 1986 23

24 24

25 25

26 26

27 Misura al Gran Sasso 27

28 28

29 Misure oggi 29

30 A (Larix) in the Minoprio park
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31 The corresponding 137Cs activity as a function of the year
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32 Rozites Caperata 32

33 Perdita del 137Cs da una fonderia Spagnola 1998)
Starting date of measurement m3 per hour Contamination ( Bq/m3) 504 ±5 30 ± 4 9 ±1 1.0 ± .2 4.7.98 11 ±1 1.3 ± .2 13 ±1.5 1.6 ± .3 3.8.98 11.4 ± 15 .6 ± .1 15 ± 2 .5 ± .1 33

34 137Cs in mushrooms 34

35 Misure sul vino in Francia
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36 Activity of 137Cs in Bordeaux wine
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37 L’ incidente spagnolo del giugno 1998
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38 Fukushima Alle 14,46 ora locale, 6,46 ora italiana, dell’ 11 marzo 2011 Terremoto magnitudine 8.9 55 reattori => interessati 11 Fukushima reattori 1,2,3 si fermano altri 3 gia’ fermi Aumento pressione- rilascio gas radioattivo Evacuazione trenta chilometri e dose di iodio

39 15 aprile 2011

40 Misure a Milano-Bicocca
Marzo Nessuna attivita’ salvo 137Cs (~0.5/m3 ) Chernobyl => Marzo I, 134Cs and 137C =>Gennaio – Marzo 28 (5 filtri)

41 Prima misura

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44 KEK,Milano,Seattle Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 131I Data m Bq/m2
32-20 x 106 24.3 3 32000 18.3 0.5x 106 25.3 110 20.3 23x 106 26.3 150 22.3 9.6x 106 29.3 400 23.3 1.9x 106 30.3 140 .7x 106 31.3 4 1.4 .1x 106 33 2.4 23 3.4 19 4.4 5.4 29 8.4 11.4 6 13.4

45 Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 134Cs Data m Bq/m2 15-16.3 .67 x 106
26.3 3 18.3 0.001x 106 28.3 80 20.3 7.3x 106 31.3 2 22.3 .12x 106 1.4 12 23.3 .1x 106 2.4 11 .2x 106 3.4 20 . 5.4 6.4 7.4 8 8.4 4 29 10.4 1 11.4

46 137Cs Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte Data m Bq/m2 15-16.3 .7 x 106
26.3 8 20.3 7x 106 28.3 92 22.3 .1x 106 31.3 7 .2x 106 1.4 13 30.3 2.4 10 3.4 38 . 6.4 11 7.4 11.4 4 12.4 3 13.4 8.4 2

47 Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte Data m Bq/m2 134Cs 15-16.3 .67 x 106
26.3 3 18.3 0.001x 106 28.3 80 20.3 7.3x 106 31.3 2 22.3 .12x 106 1.4 12 23.3 .1x 106 2.4 11 .2x 106 3.4 20 . 5.4 6.4 7.4 8 8.4 4 29 10.4 1 11.4 12.4

48 Stato attuale Emergency at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant
→ Summary of Reactor Status: Unit 1, 11 May 2011 → Summary of Reactor Status: Unit 2, 11 May 2011 → Summary of Reactor Status: Unit 3, 11 May 2011 Overall, the situation at the Fukushima Daiichi nuclear power plant remains very serious. =>Reduce radiation levels in the reactor building by installing a filtered air circulation system (completed), remove rubble, decontaminate and install shielding; =>Recalibrate existing reactor pressure vessel water level and pressure instruments and install additional reactor pressure vessel water level gauges to improve monitoring of conditions inside the reactor pressure vessel; =>Install primary and secondary closed-loop cooling systems; Flood the containment to provide a water supply for the primary system. Fresh water is being injected as necessary into the spent fuel pools of Units

49 Cosa fare?

50 Parlarne di meno => saperne di piu’
Europa 149 reattori => 134 TW => 30% potenza elettrica 26 entro 200 km dai confini Parlarne di meno => saperne di piu’

51 I reattori di potenza oggi
La potenza elettronucleare installata prima di Chernobyl (1986) => Mwe Il => Mwe ( 48.6% di aumento!)

52 Un reattore tipico

53 Reattori con neutroni veloci
nvel+ 238U => 239U + g =>239U-b =>239Np=>239Np –b=>239 Pu =>fissile s =750 b 23.47m d a Producono nuovi materiali fissili durante il funzionamento Niente moderatore Reattivita’ iniziale Con una miscela di 235U arricchito e 338U Fluidi termovettori con scarsa moderazione (Sodio, piombo fuso, piombo-bismuto,gas) => In caso di sodio liquido circuito primario e secondario gas : elio, CO2 Nocciolo parte interna fissile PuO2 e fertile UO2 esterna fertile UO2

54 Advanced Candu Reactor (ACR)
Evoluzione dei reattori Advanced Cardu Reactor (ACR) Advanced Candu Reactor (ACR)

55 Reattori di terza generazione
Protezione e sicurezza ad alta passivita’ Contenitore esterno in grado di sopportare un aereo, terremoto ecc. Alta vita tecnologica (60 anni) Minore probabilita’ di fusione del nocciolo Impianto ambientale minimo-Minore zona di evacuazione) Gia approvati ed ordinabili Cinque esemplari : Advanced Boiling Water Reactor (Giappone,Corea) Generazione III+ ordinabili < 2015

56 Reattori di quarta generazione

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58 IRIS con partecipazione italiana PWR Integrato potenza 335 Mwatt

59 Scorie A vita media breve
Prodotti di fissione nel combustibile esaurito a bassa vita media 131I , 140Ba nei primi mesi, 141Ce,96Zr,96Nb e 89Sr nei primi anni, poi 144Ce, 144Pr, 106Ru, 106Rh e 147Pm. , 141Ce poi 137Cs, e 89Sr . La diffusione e’ diversa. 134Cs da attivazione neutronica del 133Cs (100% a.i.) A vita media intermedia Attinidi (Z ) 239Pu, 240Pu, 241Am, 243Am, 245Cm, 246Cm => fissionabili A vita media lunga Pool and dry waste Estrazione chimica separata di Plutonio ed Uranio Scorie 59

60 Prodotti di fissione a vita media breve
Prop: Unit: t½ a Yield % Q * KeV Decad. 155Eu 4.76 .0803 252 βγ 85Kr 10.76 .2180 687 113mCd 14.1 .0008 316 β 90Sr 28.9 4.505 2826 137Cs 30.23 6.337 1176 121mSn 43.9 .00005 390 151Sm 90 .5314 77 60

61 Long-lived fission products
Actinides Half-life Fission products 244Cm 241Pu f 250Cf 243Cmf 10–30 y 137Cs 90Sr 85Kr 232U  f 238Pu f is for fissile 69–90 y 151Sm nc➔ 4n 249Cf  f 242Amf 141–351 No fission product has half-life 102 to 2×105 years 241Am 251Cf  f 431–898 240Pu 229Th 246Cm 243Am 5–7 ky 245Cmf 250Cm 239Pu f 8–24 ky 233U    f 230Th 231Pa 32–160 4n+1 234U 4n+3 211–290 99Tc 126Sn 79Se 248Cm 242Pu 340–373 Long-lived fission products 237Np 4n+2 1–2 my 93Zr 135Cs nc➔ 236U 247Cmf 6–23 my 107Pd 129I 244Pu 80 my >7% >5% >1 61

62 Prodotti di fissione a vita lunga
Prop: Unit: t½ Ma Yield % Q * KeV βγ * 99Tc 0.211 6.1385 294 β 126Sn 0.230 0.1084 4050 βγ 79Se 0.327 0.0447 151 93Zr 1.53 5.4575 91 135Cs 2.3  6.9110 269 107Pd 6.5  1.2499 33 129I 15.7  0.8410 194 62

63 Eliminazione o riduzione delle scorie
A basso livello Materiale per maneggiare le parti fortemente radiattive del reattore (ad es. I liquidi di raffreddamento => contaminazioni e vite mede limitate => immagazzinare per diecine di anni in piscine o contenitori di cemento Ad alto livello Attinidi (in particolare Plutonio) prodotti durante la fissione => immazzinamento assicurato per tempi geologici e/o ritrattamento . Plutonio Molto velenoso. Si accumula nel midollo Allotropi (e.g. carbone e grafite) Nel “limited test ban treaty”, ma proseguito in Cina e Francia 239Pu e’ fissile 240Pu => elevata fissione spontanea con molti neutroni . => predetonazione Scorie => 239Pu , 239Pu , 239Pu ed altri transuranici MOX (Mixed OXide) Accumulo => 20 tonnelate per anno dai reattori Immagazzinato da 500 a 1000 tonnelate Sette isotopi da a 16 Milioni di anni 63

64 Isotopi del Plutonio Isotopo Decadimento T1/2 (a) Isotopo finale 238Pu
a.autofissione 87.7 234U+nuclidi 239Pu a,g 24100 235U 240Pu a,autofissione 8560 236U + nuclidi 241Pu b,a 14.4 241Am. 237U 242Pu 357000 238U+ nuclidi 244Pu 8 x 10 7 238U + SF, SF