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Fissione e fusione : le centrali nucleari Alessia Favro Nadia Montersino Scuola di Interateneo Specializzazzione, S.I.S. Torino - 2005 Corso di fisica.

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1 Fissione e fusione : le centrali nucleari Alessia Favro Nadia Montersino Scuola di Interateneo Specializzazzione, S.I.S. Torino Corso di fisica nucleare

2 2 Destinatari: V anno liceo scientifico,indirizzo PNI. Destinatari: V anno liceo scientifico,indirizzo PNI. Prerequisiti: cinematica, termodinamica e elettromagnetismo. Fisica nucleare: struttura dellatomo, nucleoni, numero di massa e numero atomico, forze nucleari, energia di legame e radioattività. Prerequisiti: cinematica, termodinamica e elettromagnetismo. Fisica nucleare: struttura dellatomo, nucleoni, numero di massa e numero atomico, forze nucleari, energia di legame e radioattività. Obiettivi: fissione e fusione, funzionamento di una centrale nucleare e reattori. Obiettivi: fissione e fusione, funzionamento di una centrale nucleare e reattori. Unità didattica

3 3 Sommario Parte 1 - Centrali a Fissione Parte 1 - Centrali a Fissione Fissione Nucleare: il processo fondamentale. Fissione Nucleare: il processo fondamentale. Funzionamento di una centrale a fissione nucleare. Funzionamento di una centrale a fissione nucleare. Tipi di centrali a fissione: PWR, BWR, Autofertilizzanti. Tipi di centrali a fissione: PWR, BWR, Autofertilizzanti. Parte 2 - Centrali a Fusione Parte 2 - Centrali a Fusione Fusione Nucleare: il processo fondamentale. Fusione Nucleare: il processo fondamentale. Reattori a fusione: confinamento magnetico e confinamento inerziale. Reattori a fusione: confinamento magnetico e confinamento inerziale.

4 4 La Fissione Nucleare (1/4) La fissione del nucleo di 235 U da parte di neutroni termici: La fissione del nucleo di 235 U da parte di neutroni termici: In un caso specifico: In un caso specifico: I due prodotti di fissione decadono in atomi stabili. I due prodotti di fissione decadono in atomi stabili.

5 5 La Fissione Nucleare (2/4)

6 6 La Fissione Nucleare (3/4) Lenergia prodotta dalla reazione di fissione: Lenergia prodotta dalla reazione di fissione:

7 7 La Fissione Nucleare (4/4)

8 8 Nella progettazione di reattori a fissione si incontrano i seguenti problemi: Nella progettazione di reattori a fissione si incontrano i seguenti problemi: Il problema delle fughe di neutroni. Il problema delle fughe di neutroni. Il problema dellenergia dei neutroni. Il problema dellenergia dei neutroni. Il problema della cattura dei neutroni. Il problema della cattura dei neutroni. Funzionamento di una centrale a fissione (1/4)

9 9 Funzionamento di una centrale a fissione (2/4) Parti fondamentali di un reattore: Parti fondamentali di un reattore: 1. Contenitore del reattore. 2. Schermo biologico. 3. Combustibile nucleare. 4. Moderatore. 5. Mezzo refrigerante. 6. Riflettore di neutroni. 7. Barre di controllo. 8. Barra di sicurezza. 8. Barra di sicurezza.

10 10 Funzionamento di una centrale a fissione (3/4) Le differenti situazioni di funzionamento: Le differenti situazioni di funzionamento: nella prima la barra nera serve per bloccare completamente la reazione; nella prima la barra nera serve per bloccare completamente la reazione; nella seconda la barra nera si alza e la reazione aumenta di potenza; nella seconda la barra nera si alza e la reazione aumenta di potenza; nella terza la barra nera è completamente sollevata ed il reattore funziona alla massima potenza. nella terza la barra nera è completamente sollevata ed il reattore funziona alla massima potenza.

11 11 Funzionamento di una centrale a fissione (4/4) Il nocciolo è attraversato da fluido refrigerante che preleva il calore prodotto dal nocciolo e lo cede ad un insieme di tubi che contengono acqua e lo trasforma in vapore e va ad azionare il gruppo turbina alimentatore Il nocciolo è attraversato da fluido refrigerante che preleva il calore prodotto dal nocciolo e lo cede ad un insieme di tubi che contengono acqua e lo trasforma in vapore e va ad azionare il gruppo turbina alimentatore

12 12 Tipi di centrali a fissione: PWR PWR: pressurized water reactor PWR: pressurized water reactor

13 13 Tipi di centrali a fissione: BWR BWR: Boiling Water Reactor BWR: Boiling Water Reactor

14 14 Autofertilizzanti o Breeders Autofertilizzanti o Breeders è fissile, può essere recuperato e utilizzato come combustibile. è fissile, può essere recuperato e utilizzato come combustibile. Tipi di centrali a fissione: Autofertilizzanti (1/2)

15 15 Tipi di centrali a fissione: Autofertilizzanti (2/2)

16 16 Fusione nucleare Consiste nellunione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante, la cui massa è però minore della somma delle masse dei nuclei di partenza. Consiste nellunione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante, la cui massa è però minore della somma delle masse dei nuclei di partenza. Si verifica liberazione di energia secondo il principio di equivalenza massa-energia. Si verifica liberazione di energia secondo il principio di equivalenza massa-energia.

17 17 Esempio di reazione Deuterio + Trizio = Elio4 + neutrone + 17,6 MeV di energia cioè 2 H + 3 H 4 He + n + 17,6 MeV

18 18 Confronto tra fissione e fusione Fissione: 200 MeV / 235 nucleoni ~ 1 MeV / nucleone Fissione: 200 MeV / 235 nucleoni ~ 1 MeV / nucleone Fusione: 17,6 MeV / 5 nucleoni = 3,5 MeV / nucleone Fusione: 17,6 MeV / 5 nucleoni = 3,5 MeV / nucleone Per ogni unità di massa lenergia liberata dalla reazione di fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione. Inoltre la produzione di energia dalla fusione promette bene grazie allabbondanza relativa del combustibile e allassenza di alcuni dei pericoli insiti nei reattori a fissione. Inoltre la produzione di energia dalla fusione promette bene grazie allabbondanza relativa del combustibile e allassenza di alcuni dei pericoli insiti nei reattori a fissione. Il problema è che le reazioni di fusione sono difficili da ottenere. Il problema è che le reazioni di fusione sono difficili da ottenere.

19 19 Temperatura di fuzione A causa della repulsione coulombiana sono necessarie energie cinetiche molto alte, dellordine di 1 MeV, per far avvicinare i nuclei quanto basta per fare diventare efficaci le forze nucleari attrattive, provocando la fusione. A causa della repulsione coulombiana sono necessarie energie cinetiche molto alte, dellordine di 1 MeV, per far avvicinare i nuclei quanto basta per fare diventare efficaci le forze nucleari attrattive, provocando la fusione. E cm = (3/2) k T E cm = (3/2) k T k T = 10 keV T dellordine 10 8 K k T = 10 keV T dellordine 10 8 K

20 20 Il plasma Il plasma dalla miscela di deuterio e trizio si ottiene per riscaldamento o per il passaggio di una corrente elettrica. Il plasma dalla miscela di deuterio e trizio si ottiene per riscaldamento o per il passaggio di una corrente elettrica. In questo modo si fornisce lenergia necessaria per ionizzare gli atomi, cioè per strappare loro degli elettroni. In questo modo si fornisce lenergia necessaria per ionizzare gli atomi, cioè per strappare loro degli elettroni. Consiste in una miscela di ioni positive e cariche negative libere, complessivamente neutra. Consiste in una miscela di ioni positive e cariche negative libere, complessivamente neutra. Il plasma, costituisce il 99% della materia di cui è composto l'Universo ed è detto anche: "quarto stato della materia". Il plasma, costituisce il 99% della materia di cui è composto l'Universo ed è detto anche: "quarto stato della materia". Possiamo trovare questo stato della materia anche in natura: nel Sole, nel vento solare, nelle stelle, nei fulmini e nelle aurore boreali. Possiamo trovare questo stato della materia anche in natura: nel Sole, nel vento solare, nelle stelle, nei fulmini e nelle aurore boreali.

21 21 Nel Sole, che ha una temperatura interna di 14 milioni di gradi, la reazione di fusione di nuclei di idrogeno (reazione protone-protone) è responsabile di gran parte dell'energia che giunge fino a noi sotto forma di calore e di luce. Nel Sole, che ha una temperatura interna di 14 milioni di gradi, la reazione di fusione di nuclei di idrogeno (reazione protone-protone) è responsabile di gran parte dell'energia che giunge fino a noi sotto forma di calore e di luce. Nel sole

22 22 Condizioni per ottenere una fusione nucleare E necessario riscaldare un plasma di deuterio- trizio a temperature molto alte (100 milioni di gradi). E necessario riscaldare un plasma di deuterio- trizio a temperature molto alte (100 milioni di gradi). E necessario mantenerlo confinato in uno spazio limitato. E necessario mantenerlo confinato in uno spazio limitato. E necessario confinare il plasma per un tempo sufficiente affinché avvenga la reazione e l'energia liberata possa compensare sia le perdite, sia l'energia usata per produrla. E necessario confinare il plasma per un tempo sufficiente affinché avvenga la reazione e l'energia liberata possa compensare sia le perdite, sia l'energia usata per produrla.

23 23 Lenergia necessaria per riscaldare il plasma è direttamente proporzionale alla densità numerica dei suoi ioni n; Lenergia necessaria per riscaldare il plasma è direttamente proporzionale alla densità numerica dei suoi ioni n; La frequenza degli urti è direttamente proporzionale a n 2 ( quadrato della densità numerica); La frequenza degli urti è direttamente proporzionale a n 2 ( quadrato della densità numerica); Sia τ è il tempo di confinamento allora lenergia prodotta è direttamente proporzionale a n 2 τ; Sia τ è il tempo di confinamento allora lenergia prodotta è direttamente proporzionale a n 2 τ; Affinché lenergia prodotta sia maggiore dellenergia fornita, deve essere: Affinché lenergia prodotta sia maggiore dellenergia fornita, deve essere: C1 n 2 τ > C2 n.

24 24 Nel 1957 in fisico britannico J. D.Lawson valutò queste costanti, ottenendo: Nel 1957 in fisico britannico J. D.Lawson valutò queste costanti, ottenendo: n τ > s [particelle]/m 3 Nel caso della reazione deuterio-trizio deve verificarsi per i nuclei: Nel caso della reazione deuterio-trizio deve verificarsi per i nuclei: n τ > s m -3 alla temperatura di 280 MK;n τ > s m -3 alla temperatura di 280 MK; n τ > s m -3 alla temperatura di 70 MK;n τ > s m -3 alla temperatura di 70 MK; n τ > s m -3 alla temperatura di 100 MK.n τ > s m -3 alla temperatura di 100 MK. Criterio di Lawson

25 25 Reattore a confinamento magnetico In linea di principio il plasma può essere confinato mediante un campo magnetico. In linea di principio il plasma può essere confinato mediante un campo magnetico. In assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in tutte le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si raffredderebbe inibendo la reazione di fusione. In assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in tutte le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si raffredderebbe inibendo la reazione di fusione. In un campo magnetico invece le particelle sono costrette a seguire traiettorie a spirale intorno alle linee di forza del campo mantenendosi lontano dalle pareti del recipiente. In un campo magnetico invece le particelle sono costrette a seguire traiettorie a spirale intorno alle linee di forza del campo mantenendosi lontano dalle pareti del recipiente. Lintrappolamento delle particelle deve avvenire lungo tre dimensioni spaziali e quindi la geometria del campo magnetico da applicare è complessa. Lintrappolamento delle particelle deve avvenire lungo tre dimensioni spaziali e quindi la geometria del campo magnetico da applicare è complessa. Sono state studiate, a questo proposito, diverse configurazioni magnetiche, una, per esempio, è la configurazioni a simmetria toroidale. Sono state studiate, a questo proposito, diverse configurazioni magnetiche, una, per esempio, è la configurazioni a simmetria toroidale.

26 26 TOKAMAK

27 27 Sono di due tipi: Campi magnetici del Tokamak (1/3)

28 28 Campi magnetici del Tokamak (2/3)

29 29 Le bobine toroidali, che circondano la camera del plasma, percorse da corrente per impulsi di 3 s, separati da tempi di attesa di 5 minuti, gli impulsi raggiungono picchi di A, che generano un campo magnetico per induzione di 5,2T. Le bobine toroidali, che circondano la camera del plasma, percorse da corrente per impulsi di 3 s, separati da tempi di attesa di 5 minuti, gli impulsi raggiungono picchi di A, che generano un campo magnetico per induzione di 5,2T. Le bobine per il campo poloidale, perpendicolari alle bobine del campo toroidale, sono percorsi da una corrente oscillante che genera una corrente che attraversa il plasma confinato, riscaldandolo, inoltre questultimo è necessario per evitare la deriva delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente. Le bobine per il campo poloidale, perpendicolari alle bobine del campo toroidale, sono percorsi da una corrente oscillante che genera una corrente che attraversa il plasma confinato, riscaldandolo, inoltre questultimo è necessario per evitare la deriva delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente. Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella ciambella. Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella ciambella. Campi magnetici del Tokamak (3/3)

30 30 Riscaldamento del plasma riscaldamento ohmico, agendo sui campi magnetici, rapidamente variabili, si crea un campo elettrico il quale origina una corrente nel plasma che lo riscalda (4); riscaldamento ohmico, agendo sui campi magnetici, rapidamente variabili, si crea un campo elettrico il quale origina una corrente nel plasma che lo riscalda (4); riscaldamento per assorbimento di onde elettromagnetiche che vengono iniettate mediante guide d'onda o antenne che trasferiscono al plasma energia elettromagnetica (1); riscaldamento per assorbimento di onde elettromagnetiche che vengono iniettate mediante guide d'onda o antenne che trasferiscono al plasma energia elettromagnetica (1); riscaldamento per iniezione di atomi neutri di elevata energia cinetica che attraversano il campo magnetico, vengono ionizzati e trasferiscono per collisione la loro energia al plasma (2); riscaldamento per iniezione di atomi neutri di elevata energia cinetica che attraversano il campo magnetico, vengono ionizzati e trasferiscono per collisione la loro energia al plasma (2); riscaldamento per compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostando il plasma verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento (3). riscaldamento per compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostando il plasma verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento (3).

31 31 Centrale nucleare

32 32 Principali componenti: un sistema di acceleratori che producono i pacchetti di ioni; un sistema di acceleratori che producono i pacchetti di ioni; capsule di deuterio-trizio in cui avvengono le reazioni capsule di deuterio-trizio in cui avvengono le reazioni la camera di fusione che assorbe i neutroni; la camera di fusione che assorbe i neutroni; le turbine che producono elettricità. le turbine che producono elettricità. Reattore a confinamento inerziale (1/2)

33 33 Due pacchetti di ioni pesanti vengono accelerati a 10 GeV di energia, ciascuno dei pacchetti è costituito da 10 5 ioni e trasporta un energia di circa 2 MJ in un tempo di s. Due pacchetti di ioni pesanti vengono accelerati a 10 GeV di energia, ciascuno dei pacchetti è costituito da 10 5 ioni e trasporta un energia di circa 2 MJ in un tempo di s. Successivamente inviati a due convertitori, gli ioni, frenati dalle interazioni con gli atomi, circa 1/7 della loro energia si trasforma in raggi X. Successivamente inviati a due convertitori, gli ioni, frenati dalle interazioni con gli atomi, circa 1/7 della loro energia si trasforma in raggi X. L involucro della capsula con il ghiaccio di deuterio-trizio è colpito da un flusso di raggi X da ogni direzione L involucro della capsula con il ghiaccio di deuterio-trizio è colpito da un flusso di raggi X da ogni direzione Sotto il bombardamento moltissimi ioni spingono verso l interno della capsula comprimendo la miscela deuterio-trizio da un diametro di 1 mm fino a meno di 0,1 mm. Sotto il bombardamento moltissimi ioni spingono verso l interno della capsula comprimendo la miscela deuterio-trizio da un diametro di 1 mm fino a meno di 0,1 mm. Il processo è cos ì veloce che gli atomi, per il principio di inerzia, continuano a muoversi uno contro l altro, è come se non avessero il tempo di sentire la forza di repulsione colombiana. Il processo è cos ì veloce che gli atomi, per il principio di inerzia, continuano a muoversi uno contro l altro, è come se non avessero il tempo di sentire la forza di repulsione colombiana. Reattore a confinamento inerziale (2/2)

34 34 Altre reazioni (1/2) Esse richiedono temperature più elevate per il plasma, e quindi più difficili da realizzare, ma sono sicuramente importanti ai fini del reattore a fusione del futuro, perchè evitano o limitano fortemente il flusso di neutroni. Sono i neutroni infatti che rendono radiattivi i materiali che compongono il reattore.

35 35 Nella figura probabilità di reazione significa che il suo valore (per ciascuna delle reazioni di fusione indicate) moltiplicato per le densità dei nuclei interagenti dà il numero di reazioni di fusione per unità di tempo e unità di volume. Altre reazioni (2/2)

36 36 1. U. Amaldi, Fisica Moderna, Zanichelli. 2. P.Caldirola, G.Casati, F.Tealdi, Nuovo corso di Fisica, Ghisetti e Corvi. 3. P.Violino, O.Robutti, La fisica e i suoi modelli, Zanichelli. 4. A.Caforio, A.Ferilli, Nuova Physica 2000, Le Monnier. 5. Resnick, Halliday, Krame, Fisica 2, Ambrosiana. 6. P. Typler, Corso di Fisica, Zanichelli. Bibliografia

37 37 Sitologia


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