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Proff.Daniele Cialdella e Roberto Flaiban, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi UN RESOCONTO SUL NUCLEARE 1. La fissione e l'equivalenza massa-energia.

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1 Proff.Daniele Cialdella e Roberto Flaiban, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi UN RESOCONTO SUL NUCLEARE 1. La fissione e l'equivalenza massa-energia ( E=mc 2 ) 2. Il funzionamento di un reattore e il 2° Principio della Termodinamica 3. Il disastro di Fukushima: ragioni fisico-ingegneristiche 4. I numeri dell'uranio e degli impianti nel mondo

2 PARTE 1 La fissione e l'equivalenza massa-energia ( E=mc 2 ) Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

3 LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi ALTRI PRODOTTI: Cs 137, I 131

4 LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE FASE 1 Attraverso il primo neutrone proiettile sinnesca la reazione FASE 3 U 236 è fortemente instabile e comincia a deformarsi FASE 4 Si sono generati i prodotti della reazione, i 3 nuovi neutroni proiettili ed E FASE 2 U 235 assorbe il neutrone diventando U Kr Ba 56 +3n+E+ 235 U 92 +n Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

5 LENERGIA OTTENUTA Equivalenza massa – energia (Einstein) Velocità della luce Prodotti della reazione LA FISSIONE DI 1 NUCLEO DI U 235 PRODUCE E=211 MeV. LOSSIDAZIONE DI 1 ATOMO DI C PRODUCE E=4eV. 1eV=1.6x J 200 MeV in energia termica sfruttabile + 11MeV sotto forma di neutrini prodotti di volte più piccola Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

6 I MODERATORI Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi A Chernobyl, dopo la potentissima esplosione dellidrogeno accumulato,ci fu lincendio causato dalla grafite che fungeva da moderatore e che disperse i prodotti radioattivi nellalta atmosfera per effetto camino Per rallentare i neutroni e termalizzarli, cioè rallentarli fino a K<1 eV aumentando così la probabilità di fissionare il combustibile, è necessario utilizzare un moderatore. PRINCIPALMENTE NEI REATTORI COMUNI: H 2 O e C(grafite) Senza moderatore non cè fissione

7 N.B. SE NON CE H 2 O, SI SPEGNE LA REAZIONE MA IL CALORE CONTINUA AD ESSERE PRODOTTO (Arrestata la reazione nucleare, rimangono nel nocciolo del reattore i prodotti radioattivi della fissione nucleare, che, decadendo, continuano a generare calore.) t = tempo trascorso dallinterruzione della reazione; Q = quantità di calore prodotto con il reattore acceso a regime; Q(t) = quantità di calore che continua a prodursi a reattore spento Q( )=0.062 Q (6.2%) Q(1h)=0.013 Q (1.3%) Q(24h)= Q (0.49%) Entro 1h: T=1000°C; poco dopo, intorno ai 1200°C, la lega che costituisce le incamiciature delle barre di ossido di uranio inizia a reagire esotermicamente con lacqua liberando H 2. Tale processo crea una fortissima esplosione. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi Eliminare il moderatore in una reazione già in atto, significa spegnerla?

8 1. Perché proprio i neutroni per linnesco della reazione? 2. Tutti i neutroni prodotti vengono assorbiti da nuclei di U 235? 3. Non è eccessivo il calore prodotto quando il reattore è acceso? 4. Quali conseguenze chimiche potrebbero verificarsi? 5. La fissione nucleare la fa solo luranio? Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

9 1. Perché proprio i neutroni per linnesco? -Perché sono neutri e dunque reagiscono col nucleo di una sostanza più facilmente. (In precedenza i coniugi Curie avevano scoperto la radioattività indotta da particelle cariche positivamente – i risultati furono meno evidenti.) -Perché sono leggeri e possono perciò essere catturati dal nucleo con maggiore facilità. 2. Tutti i neutroni prodotti vengono assorbiti da nuclei di U 235? -Non tutti. ( Per ogni nuclide colpito si liberano come detto o 2 o 3 neutroni. In media i neutroni che sono in grado di fare fissione sono circa 2.) -Il loro numero dipende dalla sostanza moderatrice. (Aumenta, quanto più la sostanza moderatrice sia in grado di rallentare iproiettili.) -Il loro numero dipende da eventuali sostanze assorbenti. (Diminuisce con la loro presenza. Si inseriscono se si vuole controllare la reazione…Lo vedremo più avanti.) Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

10 K>1 :il numero di neutroni aumenta K<1 :il numero di neutroni diminuisce K=1 :il numero di neutroni resta stabile (massa critica). FATTORE DI MOLTIPLICAZIONE EFFETTIVO N.B. Se per i reattori nucleari il valore di K non deve superare mai il valore di 1se non di una quantità bassissima, come quando si aumenta la potenza del reattore (K = 1,005), per le armi nucleari si deve avere che il valore di K deve essere il più alto possibile (K=1,2). 3. Non è eccessivo il calore prodotto? -Sarebbe eccessivo se non ci fossero sostanze assorbenti. (la temperatura assumerebbe valori talmente elevati, oltre i 1300°C, da rendere inefficace qualsiasi involucro di combustibile nucleare.) -La quantità di calore che si vuole produrre dipende dalle applicazioni. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

11 4.Quali conseguenze chimiche si verificano o potrebbero verificarsi? -Nella reazione ordinaria di fissione delluranio si producono Bario e Kripto. (Il Bario e il Kripto sono rispettivamente un metallo ed un gas fortemente tossici che decadono dopo alcune decadi.) -Si potrebbe formare H 2 a causa di un incontrollato aumento di temperatura, (A temperature dellordine dei 1200°C lacqua si dissocia e, la quantità di H 2 prodotta, altamente infiammabile, potrebbe generare unaltissima pressione che causerebbe lesplosione di qualsiasi ricoprimento.) -Alcuni neutroni, anche se lenti, potrebbero essere catturati da nuclei di U 238 e formare Pu 239. (Il Plutonio decade in anni. Le particelle che emette non penetrano nella pelle, ma possono danneggiare seriamente gli organi interni se inalate o ingerite. Particolarmente a rischio sono lo scheletro, sulla cui superficie il plutonio è assorbito, il fegato in cui viene raccolto e concentrato e i polmoni dove particelle finissime di plutonio, dell'ordine dei g, causano il cancro.) UNA MISCELA NATURALE DI URANIO HA LA SEGUENTE COMPOSIZIONE: 99.3% U 238, 0.7% U 235 UNA MISCELA DI URANIO DA COMBUSTIBILE (URANIO ARRICCHITO) PUO AVERE LA SEGUENTE COMPOSIZIONE: nei reattori 95% U 238, 5% U 235; nelle bombe nucleari 10% U 238, 90% U 235 Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

12 FERMI E I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA OTTENNERO LA VERIFICA SPERIMENTALE DELLA RADIOATTIVITA DI TANTISSIMI NUCLIDI CON NUMERO DI MASSA A>100 IL 20/10/1934, ATTRAVERSO LA FISSIONE DI ATOMI DI Ag IN PARAFFINA, SCOPRIRONO LIMPRESSIONANTE AMPLIFICAZIONE DELLA RADIOATTIVITA INTERPRETARONO ERRONEAMENTE LA FISSIONE DELLURANIO PEHSANDO SI FORMASSERO NUCLIDI TRANSURANICI (Z>92) COME PRODOTTI DELLA REAZIONE 5. La fissione nucleare la fa solo luranio? Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

13 PARTE 2 Il funzionamento di un reattore e il 2° Principio della Termodinamica Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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15 PRINCIPALI TIPOLOGIE DI LWR (Light Water Reactor) CENTRALE PWR (Pressurized Water Reactor) NOCCIOLO d=5m, h=15m; spessore contenitore acciaio: da 15cm a 30cm; carica combustibile: 90T (durata: 1 anno); H 2 O NEL PRIMARIO P=150Kg/cm 2, T=280°C CENTRALE BWR (Boiling Water Reactor) NOCCIOLO d=6m, h=20m; spessore contenitore acciaio: 15cm; carica combustibile: 165T (durata: 20 mesi); H 2 O NEL PRIMARIO P=70Kg/cm 2, T=280°C Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

16 Indaghiamo sulle caratteristiche delle diverse componenti… IL NOCCIOLO E LE BARRE IL RUOLO DELLACQUA IL SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

17 1.Contenitore del reattore 2.Schermo biologico (calce struzzo o altro) 3.Barre di combustibile nucleare (U 235, U 233, Pu 239 ) 4.Moderatore (H 2 O, Be o C) 5.Refrigerante (H 2 O) 6.Riflettori di neutroni (Be, C) 7.Barre di controllo (Cd, B e altri) 8.Barra di sicurezza (assorbitore di neutroni) - REGOLANO LINTENSITÀ DELLA REAZIONE; - DEVONO RESISTERE ALLE ALTE TEMPERATURE; - SONO DISPOSTE SU STRUTTURE MOBILI. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

18 PRESENZA DI URANIO Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi Sfruttabile per altri 50 anni

19 H2OH2O MODERA LA REAZIONE favorendo la fissione nucleare REFRIGERA IL NOCCIOLO permettendo il controllo della temperatura e con essa lincolumità delle barre di combustibile VEICOLA LENERGIA attraverso il suo passaggio di stato, permette la trasformazione di energia nucleare in energia meccanica Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

20 LO SCAMBIATORE DI CALORE Componente in cui si realizza lo scambio di energia termica tra 2 fluidi a temperature differenti Necessario per generare il vapore che azionerà le turbine Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

21 Doppia fonte di vapore, necessaria alle turbine MAGGIOR RENDIMENTO Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

22 PWR condensatore torre di raffreddamento Contrariamente a ciò che simmagina, non è lunico sistema… BWR torre di raffreddamento condensatore Pompe alimentate da generatori Diesel Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

23 PERCHE PARLIAMO DI SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA? CALORELAVORO SI RISCALDA H 2 O FINO A 280°C CALORE PRODOTTO PASSAGGIO DI STATO SI GENERA VAPORE (NELLO SCAMBIATORE E/O DIMINUENDO LA PRESSIONE) AVVIENE LA FISSIONE SI GENERA ENERGIA MECCANICA NELLA TURBINA 4 NELL ALTERNATORE SI PRODUCE CORRENTE ALTERNATA 5 NEL TRASFORMATORE SI PRODUCE CORRENTE TRASPORTABILE 6 Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

24 Potenza generata dalla reazione nucleare: dai 1000 ai 3000 MW (lequivalente di 13000/40000 automobili di media cilindrata o di 33000/ caldaie per uso domestico con P=30KW) Rendimento: circa il 30% (la conversione in energia elettrica prodotta va dai 300 ai 900 MW) Spese energetiche: (riguardanti il funzionamento delle pompe ad iniezione per la fornitura di H 2 O refrigerante, del condensatore, del pressurizzatore etc) N.B. La pompa del primario in un PWR di media potenza inietta 35 KT di H 2 O per h Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

25 Piscina contenente la riserva delle barre di combustibile ancora da utilizzare e linsieme di quelle gia utilizzate Nocciolo Catena di sostituzione e rimpiazzo del combustibile IL SISTEMA MECCANICO DI CARICO – SCARICO DEL NOCCIOLO Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

26 IMMAGINI DI ALCUNE COMPONENTI (per rendersi conto dellimponenza) NOCCIOLO STATORE ROTORE Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

27 (costo medio per KWh) Nucleare 0,015 Carbone 0,02 Gas e Biogas 0,04 Eolico 0,07 Fotovoltaico 0,57 Idroelettrica 0,07 Visto lenorme vantaggio economico, perché tanto scetticismo nei confronti del nucleare in Italia? Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

28 LE RISPOSTE DEGLI SCETTICI (ME COMPRESO!) 1.I tempi e i costi della costruzione sono rispettivamente lunghi e alti (tra i 5 e i 7 anni; intorno ai ) 2. Difficoltà nel raggiungimento di una perfetta conformità agli standard e alle norme di sicurezza impiantistica 3. Per lo smaltimento dei rifiuti radioattivi le soluzioni sono ancora inefficienti 4. Le operazioni di smantellamento e di successiva bonifica del territorio sono, sia pur possibili, estremamente delicate (la durata media di funzionamento di una centrale nucleare è intorno ai 30 anni) 5.Attualmente lItalia acquista il nucleare (solo il 4% del suo intero approvvigionamento energetico) dalla Francia e dalla Svizzera che tra laltro, avendo una sovrapproduzione, hanno stabilito un costo assai conveniente. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

29 Siamo sicuri che in Italia gli scettici abbiano realmente torto? Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

30 BIBLIOGRAFIA


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