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
LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE
ALTRI PRODOTTI:
Cs 137 , I 131
Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi
LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE
235U +n
92
92Kr
141Ba +3n+E+n
+
36
56
FASE 2
FASE 3
FASE 1
Attraverso il primo neutrone proiettile U 235 assorbe il neutrone U 236 è fortemente
diventando U 236
instabile e comincia
s’innesca la reazione
a deformarsi
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FASE 4
Si sono generati i prodotti
della reazione, i 3 nuovi
neutroni proiettili ed E
L’ENERGIA OTTENUTA
Velocità della luce
Prodotti della reazione
Equivalenza massa – energia
(Einstein)
200 MeV in energia termica sfruttabile
+
11MeV sotto forma di neutrini prodotti
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
50.000.000 di volte più piccola
Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi
I MODERATORI
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”
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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.
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1. Perché proprio i neutroni per l’innesco 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 l’uranio?
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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.)
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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.
FATTORE DI MOLTIPLICAZIONE EFFETTIVO
K>1 : il numero di neutroni aumenta
K<1 : il numero di neutroni diminuisce
K=1 : il numero di neutroni resta stabile (massa critica).
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).
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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
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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
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PARTE 2
Il funzionamento di un reattore
e
il 2° Principio della Termodinamica
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PRINCIPALI TIPOLOGIE DI LWR
(Light Water Reactor)
CENTRALE BWR (Boiling 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);
NOCCIOLO
d=6m, h=20m;
spessore contenitore acciaio: 15cm;
carica combustibile: 165T (durata: 20 mesi);
H2O NEL PRIMARIO
P=150Kg/cm2, T=280°C
H2O NEL PRIMARIO
P=70Kg/cm2, T=280°C
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IL NOCCIOLO E LE BARRE
IL RUOLO DELL’ACQUA
IL SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO
Indaghiamo sulle
caratteristiche delle
diverse componenti…
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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)
- REGOLANO L’INTENSITÀ DELLA REAZIONE;
- DEVONO RESISTERE ALLE ALTE TEMPERATURE;
- SONO DISPOSTE SU STRUTTURE MOBILI.
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PRESENZA DI URANIO
Sfruttabile per altri 50 anni
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REFRIGERA
IL NOCCIOLO
“MODERA”
LA REAZIONE
favorendo la fissione nucleare
H 2O
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
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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
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Doppia fonte di vapore,
necessaria alle turbine
MAGGIOR
RENDIMENTO
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Contrariamente a ciò che
s’immagina,
non è l’unico sistema…
PWR
Pompe alimentate da generatori Diesel
BWR
torre di
raffreddamento
condensatore
condensatore
torre di raffreddamento
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PERCHE’ PARLIAMO DI
SECONDO PRINCIPIO
DELLA TERMODINAMICA?
CALORE
PRODOTTO
1
AVVIENE LA FISSIONE
NELLA
TURBINA
2
SI RISCALDA H2O
FINO A 280°C
4
SI GENERA
ENERGIA MECCANICA
PASSAGGIO
DI STATO
3
SI GENERA VAPORE
(NELLO SCAMBIATORE
E/O DIMINUENDO LA PRESSIONE)
5
NELL’
ALTERNATORE
SI PRODUCE
CORRENTE ALTERNATA
6
NEL TRASFORMATORE
CALORE
SI PRODUCE CORRENTE
TRASPORTABILE
LAVORO
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• Potenza generata dalla reazione nucleare: dai 1000
(l’equivalente di 13000/40000 automobili di media cilindrata
o di 33000/100000 caldaie per uso domestico con P=30KW)
ai 3000 MW
• 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
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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
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Nocciolo
IMMAGINI DI ALCUNE COMPONENTI
(per rendersi conto dell’imponenza)
NOCCIOLO
STATORE
ROTORE
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Carbone
0,02 €
Idroelettrica
0,07 €
Gas e Biogas
0,04 €
Nucleare
0,015 €
(costo medio per KWh)
Fotovoltaico
0,57 €
Eolico
0,07 €
Visto l’enorme vantaggio economico,
perché tanto scetticismo nei confronti del nucleare in
Italia?
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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 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)
5. 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
Siamo sicuri che
in Italia
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