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11 La ricerca sugli eventi rari: -Interazioni dei neutrini da reattori (~MeV) -Interazioni delle WIMPS ( da qualche diecina di keV) -Decadimento beta doppio.

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1 11 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 210 Pb con  1/2 =20.3 anni) Spettroscopia gamma => rivelatore al germanio Radioattivita’ => naturale e/o androgena - Rivelatori di alta sensibilita’ per rivelare contaminazioni minime Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima

2 2 Bequerel, Pierre e Marie Curie Scoperta della radioattivita’

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

4 4 Il piombo romano

5 55 Energia di legame dei nuclei E b = W b /A => Fissione e fusione volt e

6 6 Con neutroni termici (~0.025 eV) o veloci Reazione a catena piu’ comune n termico U => X + Y n veloci = > rallentati con moderatore (grafite H 2 O, D 2 O ecc.) X e Y sono ricchi di neutroni e decadono  6 NucleoEnergia di legame Energia di attivazione s (barn) 232 Th4.86.7< U * U U x Pu La fissione nucleare * n Th => 233 Th -b => 233 Pa-b=> 233 U

7 77 Energia dei neutroni Reazione a catena Purtroppo prime bombe al 239 Pu (Alamagordo, Nagagashi) e all’ 235 U (Hiroshima)

8 8 89 Se => 89 Br => 89 Kr => 89 Rb => 89 Sr => 50.5 giorni in 89 Y 90 Br => 90 Kr => 90 Rb => 90 Sr => 29.1 anni in 90Y =>2.67 g in 90 Zr 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 Le scorie

9 99 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)

10 10 Fattore k

11 11 TipoCombustibileModeratoreRefrigeranteEsempi PWRU arr o U+PuAcqua T, Fukushima,Three mil Isl BWRU o U+PuAcqua Caorso A gas moderato a Grafite NUGCR U naturaleGrafiteCO2 PHWRU naturaleD2O Breeder FBRU nat e PunoSodio oPb VVER (PWR)U arr, 2%GrafiteAcquaTrino Vercellese

12 12 Il reattore LENA di Pavia

13 13

14 14 I reattori piu’ comuni con 235 U: 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 I reattori di potenza’

15 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) Can adian D euterium U ranium (HWR) => possono usare Uranio naturale L’acquapesante rallenta meglio

16 16 Arricchimento Metodi: calotron,diffusione, centrifughe, ecc. Varie percentuali di 235 U: Uranio naturale => 0.7% Uranio per reattori di potenza=>3-5% Piccoli reattori => ~20 % Bombe => ~90 % 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) 210 Pb e 210 Po dei fumatori -> ~1/3 in piu’

17 17 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 1000 Mwat L’ EVENTO CHERNOBYL

18 18 Cosa e’ successo 18  1.00 del Si riduce la potenza per pertarla da 3200 a Mwatt  potenza a 1600 Mwatt. Si disinserisce uno dei turboalternatori  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

19 19 Sarcofago 19

20 20

21 21 Pomeriggio 30 aprile

22

23 maggio

24 24

25 25

26 26

27 27 Misura al Gran Sasso 27

28 28

29 29 Misure oggi

30 30 A (Larix) in the Minoprio park

31 31 The corresponding 137 Cs activity as a function of the year 31

32 32 Rozites Caperata 32

33 33 Perdita del 137 Cs da una fonderia Spagnola 1998) 33 Starting date of measurement m 3 per hourContamination ( Bq/m 3 ) ±5 30 ± ±1 1.0 ± ±1 1.3 ± ± ± ± 15.6 ± ± 2.5 ±.1

34 Cs in mushrooms 34

35 35 Misure sul vino in Francia 35

36 36 Activity of 137 Cs in Bordeaux wine 36

37 37 L’ incidente spagnolo del giugno

38 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 39 15 aprile 2011

40 40  Marzo Nessuna attivita’ salvo 137 Cs (~0.5/m 3 ) Chernobyl => Marzo I, 134 Cs and 137 C =>Gennaio – Marzo 28 (5 filtri) Misure a Milano-Bicocca

41 41 Prima misura

42 42

43 43

44 44 KEK,Milano,Seattle NucleoKEKMilano-BicoccaSeatte 131 IData  Bq/m 2 Data  Bq/m 2 Data  Bq/m x x x x x x x

45 45 NucleoKEKMilano-BicoccaSeatte 134 CsData  Bq/m 2 Data  Bq/m 2 Data  Bq/m x x x x x x

46 46 NucleoKEKMilano-BicoccaSeatte 137 Cs Data  Bq/m 2 Data  Bq/m 2 Data  Bq/m x x x x x

47 47 NucleoKEKMilano-BicoccaSeatte Data  Bq/m 2 Data  Bq/m 2 Data  Bq/m Cs x x x x x x

48 Stato attuale → Summary of Reactor Status: Unit 1, 11 May 2011Summary of Reactor Status: Unit 1 → Summary of Reactor Status: Unit 2, 11 May 2011Summary of Reactor Status: Unit 2 → Summary of Reactor Status: Unit 3, 11 May 2011Summary of Reactor Status: Unit 3 Overall, the situation at the Fukushima Daiichi nuclear power plant remains very serious. Emergency at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant =>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 49 Cosa fare?

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

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

52 52 Un reattore tipico

53 53 n vel U => 239 U +  => 239 U-  => 239 Np=> 239 Np –  => 239 Pu =>fissile  =750 b 23.47m 2.355d 24000a  Producono nuovi materiali fissili durante il funzionamento  Niente moderatore  Reattivita’ iniziale  Con una miscela di 235 U arricchito e 338 U  Fluidi termovettori con scarsa moderazione (Sodio, piombo fuso, piombo-bismuto,gas) => In caso di sodio liquido circuito primario e secondario  gas : elio, CO 2  Nocciolo parte interna fissile PuO 2 e fertile UO 2 esterna fertile UO2 Reattori con neutroni veloci

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

55 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 : A dvanced B oiling W ater R eactor (Giappone,Corea)  Generazione III+ ordinabili < 2015

56 56 Reattori di quarta generazione

57 57

58 58  IRIS con partecipazione italiana PWR Integrato potenza 335 Mwatt

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

60 60 Prodotti di fissione a vita media breve Prop: Unit:  ½ a ½a Yield % QQ * KeV KeV Decad. 155 Eu βγ 85 Kr βγ 113m Cd β 90 Sr β 137 Cs βγβγ 121m Sn βγ 151 Sm β

61 61 ActinidesHalf-lifeFission products Cm Pu f f Cf Cm f f 10–30 y Cs Sr Kr U ff Pu ff is for fissile fissile 69–90 y Sm nc ➔nc ➔ 4n Cf f f Am f f 141–351 No fission product has half-life 10 2 to 2×10 5 years Am Cf f f 431– Pu Th Cm Am5–7 ky 4n Cm f f Cm Pu f f 8–24 ky U ff Th Pa32–160 4n U 4n+3 211– Tc Sn Se Cm Pu340–373Long-lived fission products Np 4n+2 1–2 my Zr Cs nc ➔nc ➔ U 4n Cm f f 6–23 my Pd I Pu80 my>7%>5%>1

62 62 Prodotti di fissione a vita lunga Prop: Unit: t ½ Ma Yield Yield % QQ * KeV KeV βγ βγ * 99 Tc β 126 Sn βγ 79 Se β 93 Zr βγ 135 Cs β 107 Pd β 129 I βγ

63 63 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 Molto velenoso. Si accumula nel midollo Allotropi (e.g. carbone e grafite) Nel 1963 “limited test ban treaty”, ma proseguito in Cina e Francia 239 Pu e’ fissile 240 Pu => elevata fissione spontanea con molti neutroni. => predetonazione Scorie => 239 Pu, 239 Pu, 239 Pu ed altri transuranici MOX (Mixed OXide) Accumulo => 20 tonnelate per anno dai reattori Immagazzinato da 500 a 1000 tonnelate Eliminazione o riduzione delle scorie. Plutonio Sette isotopi da a 16 Milioni di anni

64 64 Isotopi del Plutonio IsotopoDecadimento   (a) Isotopo finale 238 Pu  autofissione U+nuclidi 239 Pu  U 240 Pu  autofissione U + nuclidi 241 Pu  Am. 237 U 242 Pu  autofissione U+ nuclidi 244 Pu  autofissione 8 x U + SF  SF


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