Energia Nucleare. Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Course (095857) Introduction to Green and Sustainable Chemistry

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1 Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Course (095857) Introduction to Green and Sustainable Chemistry Energia Nucleare Prof. Dipartimento CMIC Giulio Natta

2 Impianti Nucleari di Potenza nel Mondo

3 Energia Nucleare: Fusione e Fissione Fusione Quando i nuclei di due atomi leggeri si avvicinano, la repulsione elettrostatica (dovuta ai protoni carichi positivamente) aumenta. Se si fornisce abbastanza energia di attivazione da superare le forze repulsive, i due nuclei instabili fondono assieme in un nucleo stabile più grande, rilasciando l eccesso di energia di legame nel processo. Esempi sono le reazioni nel Sole e nelle bombe termonucleari (all idrogeno). Fissione In natura, alcuni nuclei sono instabili rispetto alla decomposizione in frammenti di nuclei più piccoli (radioattività naturale), altri nuclei si sono dimostrati instabili dopo sintesi (radioattività artificiale). Esempi sono la decomposizione radioattiva del Radio e dell Uranio (naturali) e del Plutonio (artificiale) e nelle bombe nucleari (U-235).

4 Stabilità dei Nuclei Ne 16 8 O Nuclei più stabili Energia di legame per nucleone MeV. mol C 4 2 He Fusione Cambio di scala Fissione Numero di massa

5 Reazioni Nucleari: Fusione vs. Fissione Fusione: ( E = BTU kg -1 deuterio = J kg -1 di deuterio) Fissione: H + H He + n MeV/nucleo U + n Ba + Kr + 3 n+ 202 MeV/nucleo = J/nucleo ( E = BTU kg -1 U-235 = J kg -1 U-235) Carbone (da notare!) C + O CO BTU/lb di carbone 2 2 ( E = BTU kg -1 carbone = J kg -1 carbone)

6 Reazioni di Fusione H + H He + n MeV (79 MJ/g) a C H + H He + n MeV (331 MJ/g) a C Protone Neutrone Neutrone Nucleo di Deuterio (idrogeno-2) Nucleo di Trizio (idrogeno-3) Energia Nucleo di Elio-4 Nucleo di Deuterio (idrogeno-2) Neutrone Nucleo di Deuterio (idrogeno-2) Energia Nucleo di Elio-3

7 Innesco e Sfide Il processo si attiva se temperatura e densità delle particelle del plasma salgono a valori abbastanza alti e per abbastanza tempo, in modo che la velocità di produzione di energia superi quella usata per sostenerlo. Sfide Innesco Bisogna raggiungere temperature molto alte per superare le forze repulsive dei nuclei carichi positivamente. Confinamento Bisogna raggiungere pressioni molto alte per aumentare la probabilità di collisioni e per tempi abbastanza lunghi per produrre energia superiore a quella richiesta per scaldare e comprimere (reazione sostenuta) Nessun contenitore solido Confinamento magnetico Confinamento inerziale (laser)

8 Confusione fredda 1 Nel marzo 1989 due professori dell Università di Utah (Pon & Fleishman) annunciarono che avevano effettuato lo fusione in un recipiente (fusione fredda). Nessuno ha mai potuto verificare i loro risultati. 1 Per dettagli sulla notizia, si veda The Utah Fusion Circus, the New York Times. Editorial, April 30, 1989.

9 Armi Nucleari Reazioni controllate Reazioni incontrollate (a catena) Massa critica (circa una palla da baseball) Bombe US TNT Manhattan Project, Chicago, 1942 Little Boy, Hiroshima (13 kilotons TNT), 1945 Fat man, Nagasaki (22 kilotons TNT), 1945 tri-nitro-toluene= joules La bomba che è stata usata nel World Trade Center in New York era di circa 1 ton di TNT

10 Bomba Atomica e Processi Nucleari a Catena Si ottiene quando si producono più neutroni di quelli decomposti o non intercettati. Si innesca una reazione a catena. La massa critica del materiale fissile per auto-sostenere il processo è di 5-15 Kg per il Plutonio. Altri materiali fissili usati come combustibili negli impianti nucleari sono l U-235 e l U-233.

11 Bomba all Idrogeno Isotopi dell idrogeno e deuterio sono fusi per produrre elio Nessun limite alla potenza esplosiva Se ne è testata una con un potere esplosivo di 68,000,000 ton di TNT Le conseguenze sono orribilmente non chiare Inverno Nucleare, Fame mondiale

12 Conseguenze di una Guerra Nucleare Effetti di Shock Effetti Termici Effetti di Radiazioni 1-Megatone (Distanza dell esplosione dal Punto d impatto) 1.61 Km (1 miglio) Sovra-pressione: 43 psi Venti: 1700 mph Molti uomini uccisi 3.22 km Sovra-pressione: : 17 psi Venti: : 400 mph uomini destinati a morire; emorragie ai polmoni; rottura vene; macchinari molto danneggiati. 8 km Sovra pressione: 4psi Venti: s: 130 mph Ossa fratturate; Tutte le piante abbattuta, Costruzioni abbattute 32 km Sovra-pressione: sotto 1 psi Venti: : sotto 35 mph Molte finestre spezzate,

13 Radioattività Naturale ed Artificiale Principi Tipologie di decadimento Stabilità nucleare Cinetica di decadimento Serie Radioattive

14 Cosa Provoca il Decadimento Atomico 14 Alcuni atomi sono meno stabili di altri (vedi nucleogenesi) e, dato il tempo intercorso, quelli a vita media < 10 8 anni hanno ormai formato nuclei stabili). Un isotopo radioattivo decade formando altri nuclei fino a raggiungerne uno più stabile. Decade (decadimenti naturali) eliminando: - massa (particelle alfa) - carica (particelle beta) - energia (raggi gamma) Esistono altri tipi di decadimenti ma non si verificano in natura sulla terra.

15 Radioattività 15 Il processo per cui degli atomi instabili emettono particelle ad alta energia (o raggi) spontaneamente dai loro nuclei. Osservata per la prima volta da Becquerel nel H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Cs Ba Fr Ra Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Ac Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Elementi radioattivi Elementi artificiali

16 Radioattività 16 Principali tipi di radioattività: emissioni alfa emissioni beta emissioni gamma emissione di positroni α ( 4 He ) 2 ( 0 1 β e ) ( 0 γ ) 0 γ ( 0 1 β + e + ) cattura elettronica (assorbimento e - interno da parte di nuclei) - α, γ β + Sorgente radioattiva Campo elettrico + β

17 Confronto tra Decadimenti Radioattivi 17 Nuclide genitore Nuclide figlio Z-2, A-4 Z ± 1, A Z, A Particelle α non penetranti ma dannose (v >0,1 c) Z, A Particelle βˉ (Elettroni) o particelle β + (Positroni) moderatamente penetranti (v < 0,9 c) Z, A (Z, A)* γ Radiazioni γ (Fotoni) molto penetranti (v = c)

18 Decadimento Nucleare 18 Perché i nuclidi decadono Hanno bisogno di un rapporto stabile tra neutroni e protoni Nitroni (A-Z) β Nuclei stabili cattura eˉ o emissione e + α Protoni (Z) U Th + He H He + e Na Ne + e Ag + e Pd

19 Andamento della Stabilità Nucleare 19 N Hg (N/P = 1.53) Fascia dei Nuclei stabili N/P = 1:1 (A/Z = 2) Cd (N/P = 1.29) Li (N/P = 1.29) Z (P)

20 Andamento della Stabilità Nucleare (2) 20 p 1 2 n H He H 2 He Li Be 1 2 D 3 He 4 Li 5 Be 2 3 T 4 He 5 Li 6 Be 3 4 H 5 He 6 Li 7 Be 4 5 H 6 He 7 Li 8 Be 5 6 H 7 He 8 Li 9 Be 6 7 H 8 He 9 Li 10 Be 7 9 He 10 Li 11 Be 8 10 He 11 Li 12 Be 145 Gd Instabile 146 Gd 1-10 giorni 149 Gd giorni 153 Gd 100 giorni 10anni 148 Gd 10-10,000 anni 150 Gd >10,000 anni 152 Gd Naturale radioattivo 158 Gd Stabile

21 Andamento della Stabilità Nucleare (3) 21 Z = 70 A = 150 A = 140 Z = 60 Stabile Emiss. α Emiss. β + Emiss. β

22 Andamento della Stabilità Nucleare (2) 22 Decadimento radioattivo dei nuclei (perdita di energia) verso la valle degli isotopi stabili Piombo Oro Erbio Bario Stagno Nichel Ossigeno

23 Radioattività Naturale ed Artificiale 23 Radioattività Naturale Isotopi esistenti sulla terra a seguito della modalità di formazione del nostro pianeta. Uranio Prodotti dai raggi cosmici provenienti dal sole. Carbonio-14 Radioattività Artificiale Ottenuti in reazioni nucleari per fissione o fusione di nuclei. Plutonio Prodotti usando ciclotroni, acceleratori lineari, ecc..

24 Esempi di Tempi di Dimezzamento 24 Isotopo Tempo di dimez. Usi principali Carbonio anni Datazione di oggetti Cobalto anni Trattamento del cancro Ferro giorni Tracciante, vita media globuli rossi Idrogeno anni Tracciante biochimico Iodio giorni Tracciante, funzionalità tiroide Potassio anni Datazione delle rocce Sodio ore Tracciante, sistema cardiovascolare Uranio anni Datazione delle rocce Uranio-235 Plutonio anni 24,000 anni

25 25 Cinetica di Decadimento e t 1/ N N 0 Legge cinetica di decadimento esponenziale /2 N 0 ln N N o = - k t t 1/2 = tempo di dimezzamento o di semi trasformazione t 1/ Tempo (anni)

26 Impianto Nucleare (estrazione di energia mediante turbina a vapore) Linea alta tensione STRUTTURA DI CONTENIMENTO Barre di Controllo Generatore vapore Linea del vapore Pompa Turbina Generatore Torri di raffreddamento Pompa Condensatore Acqua di raffreddamento Acqua

27 Come Funziona un Reattore Nucleare L 235 U si scinde assorbendo un neutrone e producendo 2-3 neutroni, che iniziano in media un'ulteriore fissione producendo una reazione a catena controllata Si usa l acqua normale come moderatore per rallentare i neutroni in quanto neutroni lenti impiegano più tempo ad attraversare i nuclei di U e hanno più tempo per essere assorbiti I protoni nell idrogeno dell acqua hanno la stessa massa del neutrone e li intercettano con effetto palla da biliardo Gli extra neutroni sono catturati dai protoni per formare deuteroni 235 U è arricchito dal suo valore naturale dello 0.7% a circa il 3% per innescare la reazione, ed è contenuto in barre immerse nell acqua Delle barre di controllo di Boro sono inserite per assorbire I neutroni quando è il momento di fermare il reattore L acqua riscaldata viene fatta bollire o la si invia in uno scambiatore di calore per produrre vapore. Il vapore quindi attiva le turbine.

28 Fissione Nucleare da Neutroni Lenti e Acqua come Moderatore NUCLEI MODERATORE NEUTRONE LENTO (TERMICO) 92 NEUTRONE VELOCE MODERATORE NEUTRONE LENTO NEUTRONE VELOCE NEUTRONE VELOCE MODERATORE NEUTRONE LENTO NUCLEO Di URANIO-235 NEUTRONE VELOCE FISSIONE CONTINUA DELL URANIO NEUTRONE LENTO NEUTRONE VELOCE NEUTRONE VELOCE NEUTRONE LENTO

29 Interno di un Reattore Nucleare Camicia per il vapore Barre di combustibile Barre di Controllo

30 Produzione di Plutonio (Pu) in Reattori Nucleari Il 239 Pu si produce nei reattori nucleari per assorbimento di un neutrone sul nucleo di 238 U, seguito da due decadimenti beta Il 239 Pu si fissiona anch esso assorbendo un neutrone termico, e in media produce 1/3 dell energia in un ciclo combustibile. Il 239 Pu è relativamente stabile, con una vita media di 24 mila anni. Si usa in armi nucleari Si può coltivare per reattori nucleari Conversione di 238 U in 239 Pu n U t 1/2 = 23.5 min U β e t 1/2 = 2.35 days Np β e 4 t 1/2 = yrs Pu

31 Problemi Nucleari e Soluzioni Three Mile Island % del nucleo fuse, le valvole d arresto senza indicatore rilasciarono acqua, ma il recipiente di contenimento tenne Aggiunti più sensori, migliorata la comunicazione con gli esperti a Washington, non spegnere mai il raffreddamento d emergenza. In US si sono avuti 30 anni di conduzione sicura dopo l incidente Chernobyl 1986 La stupidità umana chiuse il sistema di raffreddamento Una modesta progettazione del raffreddamento ad acqua del reattore consentì ad una sacca instabile d acqua di esplodere La grafite prese fuoco La tipologia d impianto non è usata in altri paesi Fukushima 2011 Dopa un tremendo tsunami l impianto fu severamente danneggiato Due reattori esplosero Estesa contaminazione

32 Reattore Veloce a Metallo Liquido Usa i neutroni veloci dalla fissione dell 235 U sull intorno di 238 U per produrre 239 Pu In anni, si produce abbastanza Pu da alimentare un altro reattore Non serve alcun moderatore Non si usa acqua, si deve usare sodio liquido come refrigerante U deve essere arricchito al 15%-30% per produrre energia con i neutroni veloci mentre genera il Pu Si ottiene però un grado di arricchimento da arma nucleare Il Super-Phoenix in Francia ha operato per 20 anni

33 Soluzioni Proposte per Impianti Nucleari? Richard Garwin, MIT e industrie del settore propongono: Se in 50 anni si è utilizzata il doppio di energia, la metà deriva da impianti nucleari Servirebbero 4,000 reattori nucleari, usando circa un milione di tonnellate di Uranio all anno Impiegando le miniere della crosta terreste, se ne avrebbe per almeno 300 anni Reattori autofertilizzanti formando Plutonio potrebbero estendere il rifornimento a 200,000 anni Fonte non inquinante, che non produce CO 2 Richiede ingegneri nucleari e siti meglio gestiti Studio del riprossessamento del combustibile, smaltimento scorie, e progettazione più sicura. I reattori nucleari devono operare giorno e notte, ma l uso di energia è inferiore di notte, si potrebbe utilizzarli per caricare delle auto elettriche. Finché non si disporrà dell economia dell idrogeno, si possono solo impiegare per il 40% di generazione usata alla notte, dall attuale 20%.

34 Reattori a Fusione La fusione è più facile per gli atomi di Deuterio (D) + Trizio(T): D(p,n) + T(p,nn) 4 He(pp,nn) + n in un plasma ad alta temperatura. Il trizio è ripristinato dalla copertura di Li attorno al reattore n + 6 Li 4 He + T Reattori a Fusione International ITER nel 2012 per ricerche per un decennio al costo di 5 miliardi di $ Stallo corrente sui siti in Francia o Giappone Seguito da DEMO per un impianto funzionante, richiesti altri 10 anni. Progettazione e termine dell impianto commerciale non prima Le disponibilità di Litio dovrebbero bastare per poche centinaia di anni in US. Rimarrebbe comunque il problema dello smaltimento dei rifiuti radioattivi.