Energia dal Nucleo. Ezio Previtali

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1 Energia dal Nucleo Ezio Previtali

2 Struttura dell atomo m = 5.5x10-4 a.m.u. r ~ 1 Å = m m = 1 a.m.u.= 1.7x10-27 kg r ~ 1 fm = m R n = R 0 A 1/3 R 0 = 1.2 fm

3 La carta dei nuclidi Isotopi = stesso Z, diverso A Isotoni = stesso N, diverso A Isomeri = stesso Z, stesso A, diverso liv. energetico Isobari = stesso A isotopi dell'uranio

4 Informazioni sui nuclei Sono noti nuclei con Z compreso tra Z = 0 (neutrone) e Z = 107 Non esistono nuclei stabili per Z = 0, 43, 61, >84 Il numero di massa varia da A = 1 ad A = 263 La maggior parte dei nuclei stabili hanno Z ed A pari Solo 4 isotopi stabili presentano Z ed N dispari: 2 H, 6 Li, 10 B e 14 N Per valori di A piccoli si ha Z = A/2 Per nuclei con A grande N cresce piú rapidamente di Z Molti elementi presentano vari isotopi B(A,Z) = a v A a s A 2/3 a c Z 2 /A 1/3 a sy (A 2 Z) 2 /A + E b Legge di Wiezacher Williams (modello a goccia)

5 La forza nucleare forte E la forza dominante all interno del nucleo L energia di legame del nucleo si manifesta nel cosí detto difetto di massa: m(a,z) < Z m p + (A - Z) m n (Bisogna ricordare che E = m c 2 ) Possiamo scrivere quindi che (trascurando le energie di legame atomico): E b = Z m p + (A Z) m n m(a,z) se sommiamo e sottraiamo Z m e avremo che E b = Z m p + Z m e + (A Z) m n M(A,Z) In questo modo possiamo effettuare misure direttamente sulle masse atomiche Esempio: Energia di legame del Deuterio m( 2 H) = u m p = u m n = u E b = = u E b = MeV da confrontarsi con l energia di legame dell elettrone atomico pari a 13.6 ev

6 Energia di legame per nucleone (MeV) Energia di fusione Energia di legame dei nuclei L energia di legame è circa costante a 8 MeV Energia di fissione Questo dipende della forza nucleare forte Le variazioni dipendono da termini correttivi introdotti da altre forze (elettromagnetica) e per ragioni di simmetria Si ha l energia di legame massima per A ~ 56 Numero di massa A

7 Energia dal Nucleo Due importanti reazioni nucleari producono energia: Fissione nucleare Un nucleo di grande A viene separato in due (o piu ) nuclei piu piccoli Sfruttato per la realizzazione di reattori e bombe nucleari Fusione nucleare Due nuclei di A piccolo si fondono e diventano un solo nucleo Processo alla base del funzionamento delle stelle

8 Fissione

9 Fusione

10 Energia di soglia per la fissione E comunque sempre valida la legge di conservazione dell energia Valutiamo l energia di soglia per i tre nuclei più comuni: E ecc (f) E leg (n) E soglia 232 Th 6.5 MeV 4.8 MeV 1.7 MeV 235 U 6.6 MeV 6.8 MeV MeV 238 U 7.0 MeV 5.5 MeV 1.5 MeV Per produrre fissione in 235 U il neutrone può possedere E ~ 0 Per 232 Th e 238 U é necessario che il neutrone abbia E E soglia

11 Sezione d urto Schematizzazione di un processo nucleare

12 Interazioni di neutroni su nucleo L interazione di un neutrone su un nucleo di U può portare a: 235 U + n -> 236 U -> X + Y + kn fissione 235 U + n -> 236 U + cattura radiativa L entità dei due processi dipende dalla sezione d urto f( 235 U) = 595 barn (per neutroni termici) c( 235 U) = 95 barn (per neutroni termici) Vi è inoltre una forte dipendenza di dall energia C E E E r 1 2 r 2 Legge di Breit Wigner

13 Sezioni d urto 235 U f c

14 Sezioni d urto 238 U c f

15 Reazione di Fissione La reazione di fissione non e univocamente definita: 235 U + n 136 Te + 97 Zr + 3 n 235 U + n 127 Sn Mo + 4 n In media si producono 2.5 n per fissione I prodotti di fissione hanno un eccesso di n Quindi sono nuclei radioattivi 136 Te 17.5 s > 136 I e 47 s -> 136 Xe e 137 Te 2.5 s > 137 I e 25.6 s -> 137 Xe e 3.82 m -> 137 Cs e a -> 137 Ba e

16 Energia liberata da fissione 235 U Dall andamento dell energia di legame abbiamo che: per A ~ 200 E b ~ 7.5 MeV/nucleone per A ~ 100 E b ~ 8.5 MeV/nucleone per cui per ogni fissione di 235 U vengolo liberati ~ 200 MeV Questi vengono ripartiti come segue: 160 MeV energia cinetica dei prodotti X e Y 5 MeV energia cinetica dei neutroni 25 MeV rilasciata radioattivamente da X e Y 10 MeV energia dei neutrini emessi La fissione di 1 kg di 235 U produce La combustione di 1 kg di carbone produce ~ J ~ J

17 Reattore Nucleare Dobbiamo produrre una reazione controllata: da ogni reazione otteniamo un certo numero di neutroni ogni neutrone deve essere termalizzato per aumentare introduciamo un termalizzatore ogni neutrone dovrebbe produrre una nuova reazione Fattore di moltiplicazione: K = n n /n n-1 E necessario mantenere K 1...ma prossimo a 1 usiamo barre di controllo se K>1... esplosione

18 Frazione Neutroni per fissione Naturale Coefficiente di moltiplicazione Neutroni che fanno nuove fissioni Fattori di assorbimento di neutroni m 235 f a a a. i.(238) a. i.(235) 235 f f c Arricchimento m 238 c Abbondanza Isotopica 235U

19 Neutroni ritardati I prodotti di fissione presentano: un eccesso di neutroni decadono normalmente beta possono emettere neutroni in eccesso L emissione ritardata dipende dalla vita media del precursore beta

20 Il primo reattore nucleare sulla terra Un reattore naturale

21 Impianti Nucleari di Potenza

22 Classificazione dei Reattori Nucleari Sulla base dell energia media dei neutroni Sulla base del sistema di raffreddamento

23 Evoluzione degli impianti nucleari

24 Impianti nucleari in funzione USA

25 Schema impianto PWR

26 Schema impianto BWR

27 Combustibile Nucleare Pastiglie combustibile Pastiglie combustibile Elemento combustibile PWR

28 Caricamento del Nocciolo PWR Core PWR Core

29 Caratteristiche dei Reattori Nucleari Potenza Installata Moderatore/Refrigerante Livello Arricchimento Percentuali installazione

30 Prodotti di Fissione La fissione produce scorie di varia massa 235 U + n X + Y + k n Presentando un eccesso di neutroni: i prodotti di fissione decadono beta le vite medie variano molto 89 Se 89 Br 89 Kr 89 Rb 89 Sr 50.5 giorni in 89 Y 90 Br 90 Kr 90 Rb 90 Sr 29.1 anni in 90Y 2.67 g in 90 Zr 131 In 131 Sn 131 Sb 131 Te 131 I 8.04 g in 131 Xe 132 In 132 Sn 132 Sb 132 Te 3.6 g In a in 132 Xe 134 Sn 134 Sb 134 Te 134 I 134 Xe 134 Cs => 2.06 a in 134 Ba 137 Te 137 I 137 Xe 137 Cs a in 137 Ba

31 Prodotti di Attivazione All interno dei reattori nucleari la percentuale di 235 U è inferiore al 5% Il restante 95% circa è 238 U che non è un isotopo fissile Bombardato con neutroni 238 U produce elementi transuranici (Attinidi) n U 239 U + γ 239 Np + e - + ν Nuovo Combustibile 239 Pu + e - + ν Prodotti di Attivazione Attivazione Fissione

32 Radiotossicità delle Scorie

33 Dispersione dei radioisotopi in ambiente La dispersione dei radionuclidi in ambiente dipende da vari fattori: Meccanismi di rilascio da parte della sorgente : Reattore Nucleare o Bomba Atomica Tempi e condizioni di rilascio Meccanismi di trasporto da parte di agenti atmosferici Elementi gassosi (Xe, I parzialmente, ) si muovono come gas in atmosfera Elementi che si legano al particolato (Cs, Te, Sr, I parte, ) Elementi che sono facilmente solubili in acqua (Cs, I, ) Vita media degli elementi radioattivi emessi: Isotopi a vita brevissima: se inferiore ad un giorno difficilmente si disperdono Isotopi a vita breve: es. 131 I si dimezza in 8 giorni ha una dispersione globale Isotopi a vita media: es. 137 Cs (30 y), 134 Cs (2 y) si disperdono e rimangono in ambiente Isotopi a vita lunga: es. 239 Pu (24 ky) rimangono in ambiente per sempre

34 Disastro di Fukushima Alle 14,46 ora locale dell 11 marzo 2011 un sisma di magnitudo 8.9 della scala Richter ha colpito il Nord Est del Giappone Il successivo Tsunami ha spazzato gran parte della costa pacifica nel Nord del Giappone investendo la centrale nucleare di Fukushima Prima La distruzione dei tre impianti di raffreddamento ha portato ad una grave crisi nucleare con dispersione di materiale radioattivo su scala mondiale Dopo

35 Disastro di Fukushima (2) Ma nell istante del terremoto i reattori si sono spenti automaticamente tramite le barre di controllo! Che c entra allora l impianto di raffreddamento e perché questo ha creato il disastro? Bisogna ricordare che le scorie radioattive immagazzinano circa il 10% dell energia da fissione!!! Il core del reattore si raffredderà quindi su scale temporali proprie del decadimento radioattivo delle sue scorie, e quindi, nel frattempo, va raffreddato!!!

36 La nuvola radioattiva

37 L emissione di Fukushima arriva a Milano Filtrando l aria Milanese è possibile individuare nel particolato sospeso la presenza di tracce di radioattività provenienti dal Giappone Utilizzando: - filtri di grande portata (1700 m 3 /h) - rivelatori di radiazione molto sensibili Abbiamo visto l arrivo della nuvola radioattiva Dipartimento di Fisica G. Occhialini Università di Milano Bicocca Rivelatore di radiazione al Ge Iperpuro Filtro dell aria Prima Dopo

38 Ma cosa c era nell aria di Milano prima? 7 Be = 5-10 mbq/m3 40 K = μbq/m3 137 Cs = 1-0,5 μbq/m3 R.N. T 1/2 Energia Radiazione Gamma kev Provenienza 7 Be d 478 Cosmogenica 40 K 1.3x10 9 y 1460 Primordiale 137 Cs 30.1 y 661 Artificiale 214 Pb 26.8 min 352 Figlio 222 Rn 7 Be 137 Cs 40 K 214 Bi 19.9 min 609 Figlio 222 Rn 210 Pb 22.3 y 46 Figlio 222 Rn 212 Pb h 238 Figlio 220 Rn 212 Bi min 727 Figlio 220 Rn 208 Tl min 2615 Figlio 220 Rn La gran parte degli isotopi che si osservano sono naturali: 7 Be, 40 K, figli del 222 Rn ( 238 U) L unico isotopo antropogenico che si osservava è il 137 Cs, residuo delle esplosioni nucleari in atmosfera e di Chernobyl

39 Cosa c era nella nuvola di Fukushima Dal 24 marzo 2011 i nostri strumenti iniziano a misurare livelli di radioattività anomala Evidenza picco Iodio-131 Piombo-214 naturale Iodio-131 Evidenza picco Iodio-131 e Cesio-134 Bismuto-214 naturale Cesio-134 Iodio-131 Prima compare lo Iodio ( 131 I) e quindi si identifica anche il Cesio ( 134 Cs e 137 Cs) - tempo di dimezzamento dello 131 I pari a 8.02 giorni - tempo di dimezzamento del 134 Cs pari a 2.65 anni - tempo di dimezzamento del 137 Cs pari a anni

40 Bq/m3 Bq/m3 Bq/m3 L evoluzione della radioattività a Milano 4,50E-04 4,00E-04 3,50E-04 3,00E-04 2,50E-04 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 23/03/ /03/ :30 24/03/ /03/ ,00E+00 1,20E-04 1,00E-04 8,00E-05 6,00E-05 4,00E-05 2,00E-05 0,00E+00 25/03/ /03/ I Milano Bicocca 26/03/ /03/ /03/ /03/ :13 31/03/ :27 01/04/ :00 02/04/ :20 03/04/ :35 04/04/ :25 05/04/ :30 06/04/ :30 07/04/ :20 08/04/ :45 10/04/ :00 11/04/ :30 12/04/ :46 13/04/ :10 28/03/ /03/ /03/ :13 attività giornaliera 137 Cs 31/03/ :27 01/04/ :00 02/04/ :20 03/04/ :35 04/04/ :25 05/04/ :30 06/04/ :30 07/04/ :20 08/04/ :45 10/04/ :00 11/04/ :30 12/04/ :46 13/04/ :10 9,00E-05 8,00E-05 7,00E-05 6,00E-05 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 0,00E+00 25/03/ /03/ /03/ /03/ /03/ :13 Attività giornaliere 134 Cs 31/03/ :27 01/04/ :00 02/04/ :20 03/04/ :35 04/04/ :25 05/04/ :30 06/04/ :30 07/04/ :20 08/04/ :45 10/04/ :00 11/04/ :30 12/04/ :46 13/04/ :10 All interno della sequenza misurata: - si osserva un ritardo tra I e Cs - si osservano un paio di picchi - si osservano valori dell ordine di 10-4 Bq/m 3 Dopo un periodo di circa 20 giorni il livello di radioattività torna (praticamente) ai valori precedenti l arrivo della nuvola.

41 Reattori di Nuova Generazione (III+)

42 European Power Reactor (EPR) Reattore ad acqua pressurizzata Potenza: Mwe Vita stimata: 60 anni In fase di installazione: Olkiluoto in Finlandia Flamanville in Francia

43 Olkiluoto (Fin) estate 2011

44 Westinghouse AP1000 AP-1000 (Advanced Passive) della Toshiba-Westinghouse è un reattore da MWe di potenza elettrica netta ad acqua pressurizzata a 155 bar. Impiega uranio arricchito fino al 4,8%, con possibilità di impiegare anche ossidi misti uranio/plutonio (MOX fuel) AP-1000 deriva dall esperienza dei reattori PWR della Westinghouse in esercizio, alla quale si affianca un livello considerevole di semplificazione impiantistica come obiettivo importante del progetto. Presenta una rivoluzione dal punto di vista della sicurezza passiva

45 Reattori di IV generazione (GenIV) Gli impianti GenIV dovrebbero avere caratteristiche di: maggiore affidabilità e sicurezza nucleare incremento dei rendimenti di produzione maggiore protezione fisica (es. terrorismo) ridotto accumulo di plutonio migliore sfruttamento del combustibile nucleare minore produzione di scorie (possibilità di bruciare scorie esistenti) possibilità di produrre idrogeno con processi termochimici migliori prestazioni tecnologiche migliore inserimento sociale Nuove tecnologie per il funzionamento di questi reattori andranno sviluppate Tempi stimati per la loro realizzazione anni (ottimisticamente)

46 Approcci per reattori GenIV

47 Lead Cooled Fast Reactor (LFR) Caratteristiche Reattore a neutroni veloci Refrigerante a Pb o Pb/Bi Potenze previste MWe Preparazione combustibile in loco anni di vita del core Vantaggi Bassa proliferazione Generazione elettrica distribuita Elevato livello di sicurezza passiva

48 Sodium Cooled Fast Reactor (SFR) Caratteristiche Reattore a neutroni veloci Refrigerante al Na Potenze previste MWe Combustibile in forma metallica Combustibile MOX per bruciare Pu Vantaggi Minimizzazione delle scorie Efficiente uso del combustibile E possibile che un sistema completo SFR possa essere messo in funzione entro il 2020

49 Conclusioni L energia nucleare è una realtà importante tra le fonti disponibili Negli anni è avvenuto un incremento continuo della potenza prodotta I vecchi reattori GenII stanno arrivando alla fine della loro vita Nuovi generatori GenIII sono in fase di costruzione in tutto il mondo Sviluppi consistenti verso una nuova GenIV sono in corso

50 Reattore TRIGA Mark II dell Università di Pavia in funzione

51 Chernobyl 26 Aprile 1986: Il reattore numero 4 della centrale nucleare di Chernobyl (Ucraina) ha un guasto. Una grossa quantità di sostanze radioattive viene immessa nell aria. 28 Aprile 1986: La perturbazione meteorologica presente sulla zona del reattore spinge le sostanze verso la Scandinavia. La Svezia lancia l allarme prima che le autorità dell Unione Sovietica comunichino l accaduto. 28 Aprile 1986: Le condizioni meteorologiche cambiano. La nuvola radioattiva viene spinta verso i Balcani ed il Mar Nero

52 Chernobyl 2 Maggio 1986: La nuvola radioattiva raggiunge i Balcani, il Mar Nero e la Grecia. Le condizioni meteorologiche spingono la nuvola radioattiva verso sud-est. 4 Maggio 1986: Il Mar Nero e l Egeo sono investiti dalla nuvola radioattiva. Il vento spinge parte della nuvola verso l Italia attraverso l Adriatico. 6 Maggio 1986: L Italia è investita dalla nuvola radioattiva. Le precipitazioni producono un notevole rilascio di sostanze radioattive sul suolo e nei corsi d acqua, in particolare nei laghi.