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

Unità didattica Destinatari: V anno liceo scientifico,indirizzo PNI. Prerequisiti: cinematica, termodinamica e elettromagnetismo. Fisica nucleare: struttura dell’atomo, 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.

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

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

La Fissione Nucleare (2/4)

La Fissione Nucleare (3/4) L’energia prodotta dalla reazione di fissione:

La Fissione Nucleare (4/4)

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

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

Funzionamento di una centrale a fissione (3/4) Le differenti situazioni di funzionamento: 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 terza la barra nera è completamente sollevata ed il reattore funziona alla massima potenza.

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

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

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

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

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

Fusione nucleare Consiste nell’unione 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.

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

Confronto tra fissione e fusione Fissione:   200 MeV / 235 nucleoni ~ 1 MeV / nucleone Fusione:   17,6 MeV / 5 nucleoni = 3,5 MeV / nucleone Per ogni unità di massa l’energia 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 all’abbondanza relativa del combustibile e all’assenza di alcuni dei pericoli insiti nei reattori a fissione. Il problema è che le reazioni di fusione sono difficili da ottenere.

Temperatura di fuzione A causa della repulsione coulombiana sono necessarie energie cinetiche molto alte, dell’ordine di 1 MeV, per far avvicinare i nuclei quanto basta per fare diventare efficaci le forze nucleari attrattive, provocando la fusione. Ecm= (3/2) k T k T = 10 keV T dell’ordine 108 K

Il plasma 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 l’energia necessaria per ionizzare gli atomi, cioè per strappare loro degli elettroni. 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" . Possiamo trovare questo stato della materia anche in natura: nel Sole, nel vento solare, nelle stelle, nei fulmini e nelle aurore boreali.

Nel sole 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.

Condizioni per ottenere una fusione nucleare 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 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.

L’energia necessaria per riscaldare il plasma è direttamente proporzionale alla densità numerica dei suoi ioni n; La frequenza degli urti è direttamente proporzionale a n2 (quadrato della densità numerica); Sia τ è il tempo di confinamento allora l’energia prodotta è direttamente proporzionale a n2τ; Affinché l’energia prodotta sia maggiore dell’energia fornita, deve essere: C1 n2τ > C2 n.

n τ > 1020 s  [particelle]/m3 Criterio di Lawson Nel 1957 in fisico britannico J. D.Lawson valutò queste costanti, ottenendo: n τ > 1020 s  [particelle]/m3 Nel caso della reazione deuterio-trizio deve verificarsi per i nuclei: n τ > 2  1020 s  m-3 alla temperatura di 280 MK; n τ > 1021 s  m-3 alla temperatura di 70 MK; n τ > 3  1020 s  m-3 alla temperatura di 100 MK.

Reattore a confinamento 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 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. L’intrappolamento 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.

TOKAMAK

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

Campi magnetici del Tokamak (2/3)

Campi magnetici del Tokamak (3/3) 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 73.000 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 quest’ultimo 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”.

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 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 compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostando il plasma verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento (3).

Centrale nucleare

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

Reattore a confinamento inerziale (2/2) Due “pacchetti” di ioni pesanti vengono accelerati a 10 GeV di energia, ciascuno dei pacchetti è costituito da 105 ioni e trasporta un’energia di circa 2 MJ in un tempo di 3-510-9 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. 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. Il processo è così 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.

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.

Altre reazioni (2/2) 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.

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

Sitologia http://it.encarta.msn.com/encyclopedia_761558960/Energia_nucleare.html http://www.uspid.dsi.unimi.it/doc/spazio.html http://www.poweron.ch/it/stromprod/content---1--1035.html http://www.angelfire.com/mi2/nucleare/Nucleare.html http://digilander.libero.it/mfraterno/nucleare.htm http://www.fusione.enea.it/ http://www.fusione.enea.it/index.html#activities/links.html http://www.cidehom.com/dictionnaire.php