UN RESOCONTO SUL NUCLEARE 1. La fissione e l'equivalenza massa-energia ( E=mc2 ) 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 Proff.Daniele Cialdella e Roberto Flaiban, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

PARTE 1 La fissione e l'equivalenza massa-energia ( E=mc2 ) Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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

235U92+n 92Kr36+141Ba56+3n+E+n LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE FASE 1 Attraverso il primo neutrone proiettile s’innesca 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 236 Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

L’ENERGIA OTTENUTA Equivalenza massa – energia (Einstein) Velocità della luce Prodotti della reazione LA FISSIONE DI 1 NUCLEO DI U 235 PRODUCE E=211 MeV. L’OSSIDAZIONE DI 1 ATOMO DI C PRODUCE E=4eV. 1eV=1.6x10-19J 200 MeV in energia termica sfruttabile + 11MeV sotto forma di neutrini prodotti 50.000.000 di volte più piccola Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

I MODERATORI H2O e C(grafite) Senza moderatore non c’è fissione 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: H2O e C(grafite) A Chernobyl, dopo la potentissima esplosione dell’idrogeno accumulato,ci fu l’incendio causato dalla grafite che fungeva da moderatore e che disperse i prodotti radioattivi nell’alta atmosfera per “effetto camino” Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

Eliminare il moderatore in una reazione già in atto, significa spegnerla? N.B. SE NON C’E’ H2O, 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 dall’interruzione 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(e)=0.062 Q (6.2%) Q(1h)=0.013 Q (1.3%) Q(24h)=0.0049 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 l’acqua liberando H2. Tale processo crea una fortissima esplosione. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

ALCUNE DOMANDE BEN POSTE! Perché proprio i neutroni per l’innesco della reazione? Tutti i neutroni prodotti vengono assorbiti da nuclei di U 235? Non è eccessivo il calore prodotto quando il reattore è acceso? Quali conseguenze chimiche potrebbero verificarsi? La fissione nucleare la fa solo l’uranio? Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi 1. Perché proprio i neutroni per l’innesco? 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 a 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 i‘proiettili’.) -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

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi 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

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi 4.Quali conseguenze chimiche si verificano o potrebbero verificarsi? Nella reazione ordinaria di fissione dell’uranio 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 H2 a causa di un incontrollato aumento di temperatura, (A temperature dell’ordine dei 1200°C l’acqua si dissocia e, la quantità di H2 prodotta, altamente infiammabile, potrebbe generare un’altissima pressione che causerebbe l’esplosione di qualsiasi ricoprimento.) -Alcuni neutroni, anche se lenti, potrebbero essere catturati da nuclei di U 238 e formare Pu 239. (Il Plutonio decade in 24000 anni. Le particelle a 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 mg, 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

FERMI E I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA 5. La fissione nucleare la fa solo l’uranio? 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 L’IMPRESSIONANTE AMPLIFICAZIONE DELLA RADIOATTIVITA’ INTERPRETARONO ERRONEAMENTE LA FISSIONE DELL’URANIO PEHSANDO SI FORMASSERO NUCLIDI TRANSURANICI (Z>92) COME PRODOTTI DELLA REAZIONE Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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); H2O NEL PRIMARIO P=150Kg/cm2, T=280°C CENTRALE BWR (Boiling Water Reactor) d=6m, h=20m; spessore contenitore acciaio: 15cm; carica combustibile: 165T (durata: 20 mesi); P=70Kg/cm2, T=280°C Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi 1.Contenitore del reattore 2.Schermo biologico (calce struzzo o altro) 3.Barre di combustibile nucleare (U235, U233, Pu239) 4.Moderatore (H2O, Be o C) 5.Refrigerante (H2O) 6.Riflettori di neutroni (Be, C) 7.Barre di controllo (Cd, B e altri) 8.Barra di sicurezza (assorbitore di neutroni) IL NOCCIOLO E LE BARRE REGOLANO L’INTENSITÀ DELLA REAZIONE; DEVONO RESISTERE ALLE ALTE TEMPERATURE; SONO DISPOSTE SU STRUTTURE MOBILI. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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

H2O IL RUOLO DELL'ACQUA REFRIGERA “MODERA” IL NOCCIOLO LA REAZIONE favorendo la fissione nucleare REFRIGERA IL NOCCIOLO permettendo il controllo della temperatura e con essa l’incolumità delle barre di combustibile VEICOLA L’ENERGIA 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

IL RUOLO DELL'ACQUA IN UN PWR 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

IL RUOLO DELL'ACQUA IN UN BWR Doppia fonte di vapore, necessaria alle turbine MAGGIOR RENDIMENTO Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

IL SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO Contrariamente a ciò che s’immagina, non è l’unico sistema… PWR condensatore torre di raffreddamento BWR Pompe alimentate da generatori Diesel torre di raffreddamento condensatore Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

CALORE LAVORO 3 2 1 4 5 6 SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA? PERCHE’ PARLIAMO DI SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA? SI RISCALDA H2O FINO A 280°C CALORE PRODOTTO PASSAGGIO DI STATO SI GENERA VAPORE (NELLO SCAMBIATORE E/O DIMINUENDO LA PRESSIONE) AVVIENE LA FISSIONE 1 2 3 SI GENERA ENERGIA MECCANICA NELLA TURBINA 4 NELL’ ALTERNATORE SI PRODUCE CORRENTE ALTERNATA 5 NEL TRASFORMATORE SI PRODUCE CORRENTE TRASPORTABILE 6 CALORE LAVORO Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi Bilancio energetico Potenza generata dalla reazione nucleare: dai 1000 ai 3000 MW (l’equivalente di 13000/40000 automobili di media cilindrata o di 33000/100000 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 H2O refrigerante, del condensatore, del pressurizzatore etc) N.B. La pompa del primario in un PWR di media potenza inietta 35 KT di H2O per h Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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

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

Costi delle varie energie (costo medio per KWh) Visto l’enorme vantaggio economico, perché tanto scetticismo nei confronti del nucleare in Italia? Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

LE RISPOSTE DEGLI SCETTICI (ME COMPRESO!) I tempi e i costi della costruzione sono rispettivamente lunghi e alti (tra i 5 e i 7 anni; intorno ai 5.000.000.000 €) 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) Attualmente l’Italia acquista il nucleare (solo il 4% del suo intero approvvigionamento energetico) dalla Francia e dalla Svizzera che tra l’altro, avendo una sovrapproduzione, hanno stabilito un costo assai conveniente. Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

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

BIBLIOGRAFIA - http://digilander.libero.it/ilnucleare/index.htm - http://knightstrife.altervista.org/Pagine/Fissione_nucleare.htm - http://www.archivionucleare.com/index.php/page/1/ - www.dida-net.it/.../nucleare - http://www.mokor.net/M1PgsArt/EnergiaNucleare01.html - www.fisicamente.net/DIDATTICA/index-495.htm - http://www.forumnucleare.it/index.php/homepage/cose-il-forum-nucleare-italiano - www.ips.it/scuola/concorso_99/.../fissione.html - www.argomentolibri.it/index.php?option=com... - www.rcvr.org/scuole/negrar/.../Fermi/fissione.htm - http://www.openfisica.com/fisica_ipertesto/nucleare/index.php