Visita al reattore nucleare di Pavia

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1 Visita al reattore nucleare di Pavia Relazioni degli studenti Classe 4A Samuele Anelli Paolo Bramini Giorgia Cantoni Alice Cigognini Nicola Citi Ines Jihel Nicole Milani Luca Rizzo Francesco Vergnaghi Anno scolastico 2014/15

2 Samuele Anelli 4A Il reattore nucleare di Pavia Il reattore nucleare di Pavia si accese per la prima volta il 15 novembre Esso è alto due metri e alto sei; è l'unico reattore attivo in Italia ed è utilizzato solamente in ambito di ricerca. La reazione che tiene acceso il reattore è la fissione nucleare dell uranio 235 ( 235 U). Esso di per sé è stabile, ma se viene bombardato con neutroni termici, si trasforma nell isotopo 236 che è molto instabile e si decompone liberando energia. La sorgente di tali neutroni è costituita da radio e berillio. Essa libera i primi neutroni, che danno il via alla cascata della fissione. Infatti, ad ogni fissione si liberano mediamente 2,7 neutroni, i quali alimentano la reazione a catena. Questi neutroni liberati hanno però un'energia troppo alta che non permette loro di essere catturati dall'uranio. Per sottrarre loro l eccesso di energia sono necessari mediamente 18,2 urti, prima di poter reagire con l'uranio. Lo zirconio idrogenato, sotto forma di idruro solido, fornisce gli idrogeni necessari per rallentare i neutroni tramite urti; all'aumentare della temperatura, i neutroni fanno sempre più fatica a diminuire la loro energia, con il che il reattore potrebbe fermarsi. All'interno del reattore sono contenute le uniche tre parti mobili del sistema: le barre di controllo che, essendo a base di boro, hanno la capacità di assorbire i neutroni e di arrestare all'istante la reazione. Essendo un reattore utilizzato a scopo di ricerca, non è nato per produrre energia. E utilizzato principalmente per attivare sostanze, a scopi analitici. Il campione viene inserito nel reattore all altezza del nocciolo e irraggiato. Gli elementi in esso contenuto diventano isotopi instabili che cercano di tornare alle condizioni iniziali di stabilità, tramite emissioni di raggi alfa, beta e gamma. Tramite l'analisi delle radiazioni gamma emesse, è possibile riconoscere elementi diversi poiché ognuno ha la propria emissione. Due esempi sono l'analisi effettuata su un campione di Grana Padano, per poterne certificare l origine geografica e il dosaggio di arsenico nei capelli di Napoleone per valutare l eventuale avvelenamento. Il reattore di Pavia è stato anche utilizzato in campo medico. Dopo quindici anni di studi, un fisico e un medico sono riusciti a curare la metastasi al fegato di un paziente. Ciò è avvenuto il 19/12/2001. Il paziente era un barista napoletano al quale fu espiantato il fegato, per essere irraggiato nel reattore con un metodo che ricorda il cavallo di Troia. Il fegato era stato trattato con glucosio borato. Le cellule tumorali, golose di zuccheri, ne assorbono in quantità molto maggiore rispetto ai tessuti sani, noncuranti del boro che ha il compito di assorbire in grande quantità i neutroni. Il fegato, così borato, venne inserito nel reattore per un tempo di circa 11 minuti, tempo sufficiente per portare la temperatura delle cellule tumorali a 44 gradi mentre quella dei tessuti sani a 38 gradi. Le cellule tumorali si scaldarono di più per la maggiore quantità di boro che catturando neutroni, diventa radioattivo ed emette radiazioni. In questo modo le cellule tumorali morirono, mentre i tessuti sani se la cavarono con una certa febbre. Il trattamento del fegato e il rapido reimpianto permisero al paziente di continuare a vivere. Questa sperimentazione però è stata sospesa non si sa bene per quale motivo, forse perché era sostitutiva delle costose chemioterapie?

3 Paolo Bramini 4 Il nocciolo della questione Il reattore nucleare dell Università di Pavia sprigiona una potenza massima di 250 KW e un flusso massimo di circa 2x10 13 neutroni cm -2 s -1. Utilizza un particolare tipo di combustibile costituito da una lega metallica di 235 U, all'interno della quale è presente anche idrogeno, sotto forma di idruro di zirconio. Nel nocciolo del reattore sono collocate 83 barre di elementi di combustile aventi massa 180 g (ciascuna composta per l 80% da 238 U e per il restante 20% da 235 U). Il nocciolo del reattore è posizionato a circa 60 cm dal fondo di un contenitore cilindrico avente dimensioni 2 m di diametro e 6 m di altezza, riempito con acqua demineralizzata. Le uniche parti in movimento all'interno del reattore sono le barre di controllo, fatte di grafite borata. Esse vengono alzate nel momento dell accensione e abbassate per lo spegnimento. Se il reattore nucleare fosse utilizzato per produrre energia elettrica, esso comporterebbe un grande risparmio, se confrontato con i combustibili fossili tradizionali. 1g di 235 U produce infatti lo stesso calore di 2T di petrolio e 4,2T di carbone. Il reattore nucleare di Pavia è utilizzato solo per scopi di ricerca. In particolare è impiegato per l'analisi di materiali e campioni ambientali per la determinazione di elementi in tracce mediante il attivazione neutronica. Questo metodo si basa sul fatto che quando un elemento, interagendo con un neutrone, diventa radioattivo, esso dà un decadimento gamma assolutamente caratteristico. Questa tecnica, per esempio, è stata usata in campo alimentare per verificare l'autenticità di un campione di grana padano. Il reattore è stato anche utilizzato per l'analisi di reperti antichi, per lo studio di materiali impiegabili per la costruzione di un nuovo motore spaziale e per la realizzazione di un sistema mobile per l individuazione di esplosivi nascosti (più precisamente le mine antiuomo).

4 Cantoni Giorgia 4A LA FISSIONE NUCLEARE La fissione nucleare consiste nella rottura del nucleo di un atomo pesante in due nuclei più leggeri, con produzione di quantità enormi di energia. Questa reazione interessa elementi con n atomico (Z) superiore a 82, in particolare quelli con n di massa (A) di circa 230. Tipico esempio di nucleo fissile è l isotopo 235 U. La fissione è innescata bombardando il nucleo con neutroni termici cioè lenti. La reazione produce altri neutroni, in media 2,7 per ogni nucleo fissionato, i quali possono urtare altri nuclei e provocare una ulteriore fissione con liberazione di energia e altri neutroni. Si parla infatti di reazione a catena. Queste reazioni, però, devono essere controllate. Bisogna ridurre la velocità e l energia dei neutroni emessi, affinché possano essere catturati da altri nuclei di uranio. Inoltre, nel nocciolo ci sono tre barre di controllo costituite da grafite borata (sono le uniche parti mobili dell impianto) che, essendo golose di neutroni, ne controllano il numero in circolazione. Quando le barre di controllo sono abbassate, cioè inserite tra le barre di uranio, assorbono tanti neutroni e la reazione a catena è in stand-by, mentre se sono alzate la reazione parte di nuovo. I prodotti della fissione sono nuclei più leggeri ma radioattivi e instabili, noti come scorie radioattive.

5 Alice Cigognini 4A La visita al reattore nucleare di Pavia Il reattore nucleare è stato acceso per la prima volta il 15 novembre del E un reattore con scopo di ricerca, infatti non è acceso 24 ore su 24 ma solo a richiesta. Un reattore nucleare di ricerca è utilizzato per qualsiasi analisi chimica, spaziando per i settori ambientale, alimentare, biomedico. Questo reattore è alto 6m e ha un diametro di circa 2m. È rivestito di calcestruzzo e all'interno c'è un cilindro di alluminio riempito di acqua che ospita il nocciolo con le barre di combustibile. Nelle barre è presente, come combustibile, uranio arricchito nell isotopo 235 U. Si dice arricchito perché è presente in maggiore quantità rispetto al rapporto isotopico naturale. Solo l isotopo 235 U è fissile ed è arricchito al 20% (massimo consentito in Europa). L' 235 U in realtà, è stabile, mentre l' 236 U non lo è. Sparando un neutrone contro l' 235 U, lo si trasforma in 236 U che riesce a fissionarsi. n 235 U 236 U stabile instabile Il neutrone che innesca la fissione è emesso da una sorgente a base di Radio-Berillio. Il neutrone, per poter essere catturato dal nucleo, deve essere termico, ovvero deve avere una bassa energia (0,025 elettronvolt). Però quando i neutroni vengono liberati hanno una energia di ev. Quindi i neutroni devono essere rallentati; l energia viene loro sottratta mediante urti contro atomi di idrogeno, gli unici ad avere massa paragonabile a quella dei neutroni. Un problema è che non si può utilizzare l'h2 gassoso, perché comporterebbe una pericolosa crescita di pressione all interno delle barre. Viene allora utilizzato un cristallo di idruro di zirconio che è solido. L'H riesce a rallentare i neutroni. Un'ulteriore azione moderatrice è svolta dall'idrogeno presente nell acqua presente nel reattore. Come dicevamo, l'energia liberata da ogni fissione è pari a circa ev. L'energia prodotta dalla fissione di 1g di U è uguale a quella sviluppata dalla combustione di 2T di petrolio e 4,2 T di carbone. Dal punto di vista delle scorie, si ha un riciclo del 97,3% degli elementi, e tutto ciò che non può essere riciclato viene conservato in appositi depositi. n 235 U 236 U + n=2,7(in media) Da 1 nucleo di 236 U si formano due elementi sempre diversi ed escono in media 2,7 neutroni che vanno ad attaccare altri 235 U, dopo opportuna moderazione. A temperatura ambiente, il numero di urti necessari per un efficace moderazione è pari a 18,2; se questo numero aumenta, il reattore si spegne automaticamente. Anche un aumento di temperatura fa spegnere il reattore. Così pure se il nocciolo rimanesse scoperto di acqua, si spegnerebbe. Tutto ciò rende il reattore intrinsecamente sicuro. Le barre di controllo sono l'unica parte in movimento della struttura. Si muovono in verticale. Sono costituite da grafite borata. Quando sono abbassate, i neutroni vengono mangiati dal boro e quindi la fissione è in fase di stallo. Quando si alzano, i neutroni sono liberi e quindi continuano a fissionare. Per un reattore, la fase critica indica che la potenza è mantenuta costante nel tempo.

6 Nicola Citi 4A Il reattore nucleare di Pavia è attivo da 49 anni ed è uno dei quattro reattori italiani realizzati a scopo di ricerca. Sviluppa una potenza di appena 250 KW, circa 10mila volte inferiore rispetto al reattore di una centrale nucleare. E' abbastanza diverso. E' un reattore a piscina, dotato di un sistema automatico di raffreddamento, quindi molto sicuro. Il nocciolo è posizionato a circa 60cm dal fondo di un contenitore di alluminio di forma cilindrica di due metri di diametro per sei di altezza. All' interno del nocciolo ci sono posizionati 90 elementi (tra barre di combustibile, barre di controllo, sorgente) disposti a cerchio. Tre barre accendono e spengono il reattore. Questo reattore è lo strumento di irraggiamento più utilizzato nel nostro Paese per l'attività di ricerca. Per esempio, è stato utilizzato una volta per la cura di un tumore ma poi, forse per interessi economici, non è stato più utilizzato in campo sanitario. Serve anche per altri scopi, ad esempio a tracciare una mappa della sicurezza e della qualità di un prodotto alimentare. Può inoltre essere utilizzato per datare materiali ed ossa e determinarne la provenienza.

7 Ines Jihel 4 VISITA AL REATTORE NUCLEARE A PAVIA Il giorno 9 ottobre 2014 le classi 3A e 4A dell indirizzo chimico si sono recate a Pavia per visitare il reattore nucleare in funzione dal 1965; esso viene utilizzato nelle ricerche in campo scientifico. Il reattore è costituito da un cilindro saldato in calcestruzzo avente 2 metri di diametro e 6 metri di altezza. All interno vi sono le componenti senza le quali la struttura non funzionerebbe: gli elementi combustibili, la sorgente di neutroni, le barre di controllo e l acqua. Le barre di controllo vanno trattate accuratamente poiché si possono corrodere facilmente. Contengono U (uranio) arricchito al 20% in isotopo 235U, che è l isotopo fissile. La fissione nucleare è una reazione in cui il nucleo di un elemento pesante viene scisso in due frammenti di minore dimensione, quasi sempre radioattivi, emanando una grande quantità di energia e neutroni. E innescata da neutroni. La sorgente di neutroni è una barra contenente Radio e Berillio. Come elemento pesante viene usato l Uranio 235. Durante la reazione esso viene colpito da un neutrone, generando l isotopo 236U che, essendo instabile, si spacca, liberando un energia pari a 200'000'000 ev. Il neutrone, però, per poter essere catturato dal nucleo dell Uranio, deve diminuire la sua velocità passando da un energia di 200'000'000 ev a 0,025 ev. I neutroni devono cioè ritornare al loro stato iniziale, smaltendo l energia che hanno accumulato durante la reazione. Lo smaltimento di energia avviene mediante urti contro gli atomi di idrogeno, innanzitutto quelli presenti sotto forma di idruro di zirconio nelle barre stesse e in secondo luogo contro quelli dell acqua in cui le barre sono immerse. Il reattore viene mantenuto sotto controllo dalle barre di controllo costituite da grafite borata, le quali hanno il compito di catturare i neutroni e terminare la reazione a catena quando occorre spegnere il reattore. Qualora si venissero a creare situazioni in cui si dovesse perdere il controllo della struttura, il reattore si spegnerebbe automaticamente, proprio perché verrebbe a mancare il sistema di rallentamento dei neutroni, condizione necessaria a mantenere viva la reazione. Le scorie che il reattore produce vengono riciclate per il 97,3%; il restante viene depositato in luoghi geologicamente stabili. Ines Jihel

8 Nicole Milani 4A Come avviene la fissione nucleare? Si ha la fissione nucleare quando un nucleo pesante si scinde in due nuclei più piccoli. Questa trasformazione può avvenire spontaneamente o può essere stimolata bombardando con neutroni un nucleo pesante. Quando un neutrone colpisce, per esempio, un nucleo di 235 U, esso si scinde in due nuclei liberando energia e 2,7 neutroni, in media. L energia emessa da 1 g di 235 U corrisponde circa a KJ. I neutroni emessi possono poi urtare altri nuclei e provocarne la fissione con la liberazione di altra energia e altri neutroni. Se la quantità di elemento radioattivo supera una certa massa, detta massa critica, i neutroni sono in numero sufficiente a mantenere la reazione a catena. Invece la fissione simultanea di tutti i nuclei fissili potrebbe sfociare in una esplosione nucleare. Nei reattori nucleari la reazione a catena deve essere controllata. A questo fine è necessario ridurre il numero e la velocità dei neutroni nella massa di uranio in modo che la liberazione di energia termica sia graduale. Per diminuire il numero di neutroni si ricorre alle barre di controllo di boro grafitato, che assorbono un gran numero di neutroni controllando o bloccando la reazione a catena. IL REATTORE NUCLEARE DI PAVIA in pillole! - L.E.N.A. (Laboratorio Energia Nucleare Applicata) anni di funzionamento del reattore (1965). - Reattore: cilindro metallico di altezza 6 m e diametro di 2 m; struttura di calcestruzzo (che impedisce alle radiazioni di uscire). - Il sodio e il sudore potrebbero corrodere gli elementi combustibili, quindi non bisogna toccare le barre di combustibile con le mani. - Miscela di combustibile: 238 U = 80%, 235 U = 20% U = stabile, 236 U = molto instabile - Ogni fissione produce E = ev. - 1 g di combustibile genera un 97,3% di scorie, che vengono riciclate per altre barre; solo il 2,7% diventa davvero scarto. - L idrogeno permette di rallentare i neutroni. - L idruro di zirconio è legato all uranio nelle barre di combustibile. - L acqua riempie il reattore. - 18,2 urti a temperatura ambiente, per moderare i neutroni; se la temperatura sale, anche gli urti necessari aumentano. - Le uniche parti in movimento del reattore sono le barre di controllo in verticale, costituite da grafite borata. - Reattore si dice critico quando mantiene la potenza costante del tempo. - Quando il nocciolo è scoperto dall acqua il reattore non può funzionare.

9 Luca Rizzo 4A IL REATTORE NUCLEARE DI PAVIA Scopo: fissione dell uranio 235 per produrre radiazioni gamma da usare nell analisi per attivazione. Reazione: per la fissione nucleare bisogna avere a disposizione l elemento fissionabile, uranio 235. Ogni barra pesa 180 g ed è formata da 238 U = 80%, 235 U = 20%. Per far avviare la reazione bisogna trasformare l uranio 235 stabile in uranio 236 instabile sparandogli contro un neutrone. La sorgente a base di radio e berillio emette un neutrone che viaggia lento per farsi attrarre dall uranio che si scinde in due prodotti più piccoli ma instabili, liberando anche energia e calore. Da questa prima reazione escono 2,7 neutroni che viaggiano ad altissima velocità. Ma per continuare la reazione a catena dovrebbero viaggiare alla velocità iniziale. Quindi si scontrano con l idrogeno di pari massa per rallentare. Esso si aggiunge nelle barre di combustibile come idruro di zirconio. Se i neutroni non fossero rallentati, dopo un po il reattore si spegnerebbe automaticamente perché nessun neutrone sarebbe più catturato. Per tenere sotto controllo la reazione di fissione nucleare si gioca con le barre di controllo formate da grafite borata. Il boro è un elemento avido di neutroni. Conclusione: Esperienza stupenda!

10 Francesco Vergnaghi 4A Il reattore nucleare dell università di Pavia venne acceso per la prima volta il 15 novembre del Ora il suo funzionamento non è più a tempo pieno, ma funziona solo su richiesta. E il sistema più banale e semplice che possa esistere, ma allo stesso tempo è anche il più sicuro. Quello di Pavia ha un altezza di 6m, ha una forma cilindrica ed ha un diametro di circa 2m. E riempito completamente d acqua ed è stato costruito con il calcestruzzo, che ha una funzione protettiva in quanto non disperde troppe radiazioni (gamma) nell aria, mentre sul fondo è formato d alluminio. L elemento usato per la combustione è l Uranio 235 perché è fissile. Il massimo arricchimento consentito in Europa è del 20%. La fissione nucleare, nelle centrali, è impiegata per risparmiare sul combustibile, perché usare 1g di uranio equivale a bruciare 2 Tonnellate di petrolio o 4,2 T di carbone. Il problema delle centrali nucleari sono le scorie radioattive; il loro quantitativo è però modesto, se si pensa che il 97,3% viene riutilizzato. Dato che da ogni fissione vengono liberati in media 2,7 neutroni aventi energia pari a ev, e dato che l energia utile è invece di soli 0,025 ev, è necessario un sistema che rallenti i neutroni. Si è pensato di utilizzare la teoria degli urti, impiegando idrogeno, ma non allo stato gassoso perché potrebbe espandersi e fessurare le barre. Agli elementi combustibili è aggiunto quindi idruro di zirconio allo stato solido. Le uniche parti in movimento sono le barre di controllo e hanno un unica direzione, quella verticale. Quando sono abbassate, il reattore è in stand-by, mentre se vengono alzate la catena di fissione è in azione e mantiene costante la sua potenza nel tempo.