Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima

Transcript

1 Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima La ricerca sugli eventi rari: - Interazioni dei neutrini da reattori (~MeV) - Interazioni delle WIMPS ( da qualche diecina di kev) - Decadimento beta doppio senza neutrini (~qualche di MeV) - Riduzione del fondo dovuto a Raggi cosmici => laboratori sotteranei Radioattivita ambientale => opportune schermature Il caso del Piombo Romano (Privo di 210 Pb con τ 1/2 =20.3 anni) Spettroscopia gamma => rivelatore al germanio Radioattivita => naturale e/o androgena - Rivelatori di alta sensibilita per rivelare contaminazioni minime 1

2 Bequerel, Pierre e Marie Curie Scoperta della radioattivita 2

3 Gli spettri γ in natura Radionuclide cosmogenico 477.6keV: Radionuclide 7 Be cosmogenico 477.6keV: 7 Be Radionuclide di origine antropica(chernobyl) Radionuclide 661.6keV: di 137 origine Cs antropica(chernobyl) 661.6keV: 137 Cs 238.6keV Radionuclide fossile keV: Radionuclide 40 K fossile keV: 40 K Famiglia 232 Th Famiglia 232 Th 238.6keV 583keV 583keV 911keV 2614keV 911keV 2614keV 352kev 609.4keV 609.4keV 352kev keV keV 1764keV 1764keV 440 Famiglia 238 U Famiglia 238 U

4 Il piombo romano 4

5 volt e Energia di legame dei nuclei E b = W b /A => Fissione e fusione 5

6 Con neutroni termici (~0.025 ev) o veloci Reazione a catena piu comune La fissione nucleare n termico U => X + Y n veloci = > rallentati con moderatore (grafite H 2 O, D 2 O ecc.) X e Y sono ricchi di neutroni e decadono β Nucleo Energia di legame Energia di attivazione s (barn) 232 Th < U * U U x Pu * n Th => 233 Th -b => 233 Pa-b=> 233 U 6

7 Reazione a catena Energia dei neutroni Purtroppo prime bombe al 239 Pu (Alamagordo, Nagagashi) e all 235 U (Hiroshima) 7

8 Le scorie 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 132 =>2.28 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 8

9 Reattori con neutroni termici A grafite, acqua leggera e pesante per produzione di isotopi radioattivi,di ricerca, di analisi, di potenza Il primo reattore (200 watt) 9

10 Fattore k k = P A + L = mxf A + L = m F A 1 L 1+ A 10

11 Tipo Combustibile Moderatore Refrigerante Esempi PWR U arr o U+Pu Acqua Acqua T, Fukushima,Three mil Isl BWR U o U+Pu Acqua Acqua Caorso A gas moderato a U naturale Grafite CO2 Grafite NUGCR PHWR U naturale D2O D2O Breeder FBR U nat e Pu no Sodio opb VVER (PWR) U arr, 2% Grafite Acqua Trino Vercellese 11

12 Il reattore LENA di Pavia 12

13 13

14 I reattori di potenza I reattori piu comuni con 235 U: Caorso. Mio turbinoso passato!=>oscillazioni del neutrino A grafite =>Chernobyl Ad acqua leggera => bollente (BWR) Fukushima => a pressione (PWR) Three Mile Island Ad acqua pesante (HWR) Tre soli incidenti con un reattore di potenza Three Mile Island) (PWR) 1979 (Mancanza del quarto sistema di raffreddamento) Fusione del 60% del nocciolo Emissione molto limitata di radiazione Lavoratori msv 33 Sv x uomo su 2 milioni di abitanti Altre conseguenze 14

15 Reattori con neutroni termici: A grafite => Funziona anche con Uranio naturale => molto moderatore, Uranio metallico (alta densita ) => produzione di Plutonio => possibilile produzione di idrogeno Ad acqua leggera Light Water Reactors (LWR) => Boiling water reactors (BWR) L acqua sotto forma di vapore viene fatta circolare nelle turbine. Esempio Caorso.Solo barre di controllo => Pressure Water Reactors (PWR) L acqua mantenuta in fase liquida dalla alta atmosfera passa da un circuito primario ad uno secondario. L acqua con Boro Che diminuisce =>.Normalmente due contenitori VVER in Russia (Chernobyl) e Trino Vercellese Ad acqua pesante (Canada) Canadian Deuterium Uranium (HWR) => possono usare Uranio naturale L acquapesante rallenta meglio 15

16 Effetti della radiazione Sievert (Sv) => joule/kgxq Esposizione media => alcuni msv/anno Dose popolazione => < 1 msv/anno professionisti < 20 msvb/anno Dose mortale (50% in 30 giorni) => Sv Morte addizionle per tumore => 25 Sv/milione Dosi spesso non considerate Radioterapia e radiodiagnostica (1/5, 1/3, 1/20) 210 Pb e 210 Po dei fumatori -> ~1/3 in piu Arricchimento Metodi: calotron,diffusione, centrifughe, ecc. Varie percentuali di 235 U: Uranio naturale => 0.7% Uranio per reattori di potenza=>3-5% Piccoli reattori => ~20 % Bombe => ~90 % 16

17 L EVENTO CHERNOBYL RBMK acqua bollente inizialmente progettati per scopo militare Grafite funzionante come moderatore ( 0 12 m e h = 0 7 m) Potenza termica => 3200 Mwatt => elettrica 1000 Mwat 17

18 Cosa e successo 1.00 del Si riduce la potenza per pertarla da 3200 a Mwatt potenza a 1600 Mwatt. Si disinserisce uno dei turboalternatori Si isola il sistema di raffreddamento di emergenza violando le norme di sicurezza. Per richiesta di energia da Kiev si ritarda di 9 ore l esperimento si inizia la riduzione di potenza potenza previstoa per l esperimento Mwatt Il reattore crolla a 30 Mwatt 1.00 del Si riesce a portare la potenza a soli 200 Mwatt. solo 6-8 barre 1.03 Si aggiungono due pompe alle 6 in funzione :Flusso eccessivo 1.10 Si estraggono tutte le barre di controllo 1.22 ' 30 '' Il computer segnala la necessita di spegnere Gli operatori non obbediscono 1.23 ' 04 C Si chiude la valvola di ammissione vapore-turbina per proseguire per inerzia. Il sistema di sicurezza bloccherebbe il reattore, Viene disinserito.reattore a 200 Mwatt senza asportazione di calore Aumento di temperatura e potenza ' 40 '' Gli operatori a premere AZ-5. le barre non si inseriscono 1.24 ' 00 '' La potenza diverge => due esplosioni ( vapore e idrogeno formato da acqua su zirconio). Scoperchiano il reattore, distruggono l n edificio, proiettano, gas, polvere, grafite ecc. Grafite a 2000 gradi brucia Giorni successivi. Incendio cala con 5000 tonn di dolomite,carburo di Boro, sabbia, piombo => aumento temperatura=> aumento emissione di radioattivita 18

19 Sarcofago 19

20 20

21 Pomeriggio 30 aprile

22

23 2-3 maggio

24 24

25 25

26 26

27 Misura al Gran Sasso 27

28 28

29 Misure oggi 29

30 A (Larix) in the Minoprio park 30

31 The corresponding 137 Cs activity as a function of the year Larice Minoprio 0,4 0,35 Attività (Bq/Kg) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Valore medio campione integrale di 5 anelli 31

32 Rozites Caperata 32

33 Perdita del 137 Cs da una fonderia Spagnola 1998) Starting date of measurement m 3 per hour Contamination ( Bq/m 3 ) ±5 30 ± ±1 1.0 ± ±1 1.3 ± ± ± ± 15.6 ± ± 2.5 ±.1 33

34 137 Cs in mushrooms CAMPIONI Cantharellus cibarius Boletus edulis Trichloma terreum Rozites Caperata 137 Cs 134 Cs 40 K (Bq/Kg) (Bq/Kg) (Bq/Kg) TF 36,6 0,08 85,59 0,08 484,22 1,19 784,36 1,09 448,55 1,24 294,91 1, ,11 33, ,78 29,69 34

35 Misure sul vino in Francia 35

36 Activity of 137 Cs in Bordeaux wine 36

37 L incidente spagnolo del giugno

38 Fukushima Alle 14,46 ora locale, 6,46 ora italiana, dell 11 marzo 2011 Terremoto magnitudine reattori => interessati 11 Fukushima reattori 1,2,3 si fermano altri 3 gia fermi Aumento pressione- rilascio gas radioattivo Evacuazione trenta chilometri e dose di iodio 38

39 15 aprile

40 Misure a Milano-Bicocca Marzo Nessuna attivita salvo 137 Cs (~0.5/m 3 ) Chernobyl => Marzo I, 134 Cs and 137 C =>Gennaio Marzo 28 (5 filtri) 40

41 Prima misura 41

42 42

43 43

44 KEK,Milano,Seattle Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 131 I Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m x x x x x x x

45 Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 134 Cs Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m x x x x x x

46 Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 137 Cs Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m x x x x x

47 Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m 2 Data µ Bq/m Cs x x x x x x

48 Cosa fare? 48

49 Europa 149 reattori => 134 TW => 30% potenza elettrica 26 entro 200 km dai confini Parlarne di meno => saperne di piu 49

50 I reattori di potenza oggi La potenza elettronucleare installata prima di Chernobyl (1986) => Mwe Il => Mwe ( 48.6% di aumento!) 50

51 Un reattore tipico 51

52 Reattori con neutroni veloci n vel U => 239 U + γ => 239 U-β => 239 Np=> 239 Np β=> 239 Pu =>fissile σ =750 b 23.47m 2.355d 24000a Producono nuovi materiali fissili durante il funzionamento Niente moderatore Reattivita iniziale Con una miscela di 235 U arricchito e 338 U Fluidi termovettori con scarsa moderazione (Sodio, piombo fuso, piombo-bismuto,gas) => In caso di sodio liquido circuito primario e secondario gas : elio, CO 2 Nocciolo parte interna fissile PuO 2 e fertile UO 2 esterna fertile UO2 52

53 Evoluzione dei reattori Advanced Cardu Reactor (ACR) Advanced Candu Reactor (ACR) 53

54 Reattori di terza generazione Protezione e sicurezza ad alta passivita Contenitore esterno in grado di sopportare un aereo, terremoto ecc. Alta vita tecnologica (60 anni) Minore probabilita di fusione del nocciolo Impianto ambientale minimo-minore zona di evacuazione) Gia approvati ed ordinabili Cinque esemplari : Advanced Boiling Water Reactor (Giappone,Corea) Generazione III+ ordinabili <

55 Reattori di quarta generazione 55

56 56

57 IRIS con partecipazione italiana PWR Integrato potenza 335 Mwatt 57

58 Scorie A vita media breve Prodotti di fissione nel combustibile esaurito a bassa vita media 131 I, 140 Ba nei primi mesi, 141 Ce, 96 Zr, 96 Nb e 89 Sr nei primi anni, poi 144 Ce, 144 Pr, 106 Ru, 106 Rh e 147 Pm., 141 Ce poi 137 Cs, e 89 Sr. La diffusione e diversa. 134 Cs da attivazione neutronica del 133 Cs (100% a.i.) A vita media intermedia Attinidi (Z ) 239 Pu, 240 Pu, 241 Am, 243 Am, 245 Cm, 246 Cm => fissionabili A vita media lunga Pool and dry waste Estrazione chimica separata di Plutonio ed Uranio 58

59 Prodotti di fissione a vita media breve Prop: Unit: τ ½ a Yield % Q * KeV Decad. 155 Eu βγ 85 Kr βγ 113m Cd β 90 Sr β 137 Cs βγ 121m Sn βγ 151 Sm β 59

60 Actinides Half-life Fission products 244 Cm 241 Pu f 250 Cf 243 Cm f y 137 Cs 90 Sr 85 Kr 232 U f 238 Pu y 151 Sm nc f is for fissile 249 Cf f 242 Am f n 241 Am 251 Cf f Pu 229 Th 246 Cm 243 Am 5 7 ky No fission product has half-life 10 2 to years 245 Cm f 250 Cm 239 Pu f 8 24 ky 4n 233 U f 230 Th 231 Pa U Tc 126 Sn 79 Se 4n Cm 242 Pu 4n Long-lived fission products 237 Np 1 2 my 93 Zr 135 Cs nc 236 U 4n+1 4n Cm f 6 23 my 107 Pd 129 I 244 Pu 80 my >7% >5% >1 60

61 Prodotti di fissione a vita lunga Prop: Unit: t ½ Ma Yield % Q * KeV βγ * 99 Tc β 126 Sn βγ 79 Se β 93 Zr βγ 135 Cs β 107 Pd β 129 I βγ 61

62 Eliminazione o riduzione delle scorie A basso livello Materiale per maneggiare le parti fortemente radiattive del reattore (ad es. I liquidi di raffreddamento => contaminazioni e vite mede limitate => immagazzinare per diecine di anni in piscine o contenitori di cemento Ad alto livello Attinidi (in particolare Plutonio) prodotti durante la fissione => immazzinamento assicurato per tempi geologici e/o ritrattamento Plutonio Molto velenoso. Si accumula nel midollo Allotropi (e.g. carbone e grafite) Nel 1963 limited test ban treaty, ma proseguito in Cina e Francia 239 Pu e fissile 240 Pu => elevata fissione spontanea con molti neutroni. => predetonazione Scorie => 239 Pu, 239 Pu, 239 Pu ed altri transuranici MOX (Mixed OXide) Accumulo => 20 tonnelate per anno dai reattori Immagazzinato da 500 a 1000 tonnelate. Sette isotopi da a 16 Milioni di anni 62

63 Isotopi del Plutonio Isotopo Decadimento Τ 1/2 (a) Isotopo finale 238 Pu α.autofissione U+nuclidi 239 Pu α,γ U 240 Pu α,autofissione U + nuclidi 241 Pu β,α Am. 237 U 242 Pu α,autofissione U+ nuclidi 244 Pu α,autofissione 8 x U + SF, SF 63