L ENERGIA NUCLEARE ATTUALITÀ E PROSPETTIVE

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1 L ENERGIA NUCLEARE ATTUALITÀ E PROSPETTIVE G. Giorgio Bombi Dipartimento di Scienze Chimiche Little Boy Hiroshima, 6 agosto 1945 IL FENOMENO DELLA RADIOATTIVITÀ Fat Man Nagasaki, 9 agosto 1945 Le particelle elementari Fermioni (particelle con spin semiintero): 24 particelle in totale: 6 quark 6 leptoni (elettrone, muone, tauone, neutrini: elettronico, muonico, tauonico) altrettante antiparticelle Bosoni (particelle con spin intero): 6 (o 7?) particelle in totale: gluone: mediatore della forza forte (spin 1) bosoni elettrodeboli (spin 1) - fotone (mediatore della forza elettromagnetica) - bosoni deboli: W +, W - e Z 0 (mediatori della forza debole) bosone di Higgs (spin 0) gravitone (mediatore della gravità) (spin 2) (?) Combinando fra di loro i quark si producono gli adroni: 3 quark formano un barione (protone o neutrone) 2 quark (1 quark + 1 antiquark) formano un mesone protone (up up down) neutrone (up down down) quark up: carica 2/3 quark down: carica -1/3 Fortunatamente, per i nostri scopi sarà sufficiente prendere in considerazione solo 7 particelle: protoni neutroni elettroni (e antielettroni) neutrini (e antineutrini) elettronici fotoni 1

2 IL CONCETTO DI NUCLIDE Per nuclide si intende una specie atomica caratterizzata dalla costituzione del suo nucleo, cioè dal numero di protoni (Z) e dal numero di neutroni (N). I protoni e i neutroni vengono chiamati collettivamente nucleoni. La somma del numero di protoni e del numero di neutroni, A = Z + N, prende il nome di numero di massa. Le proprietà chimiche di un atomo dipendono (praticamente) solo dal numero degli elettroni, ovviamente eguale al numero dei protoni del suo nucleo. Un elemento chimico è quindi caratterizzato dal valore di Z (numero atomico). L insieme dei nuclidi con lo stesso valore di Z e con valori diversi di N (o di A) costituiscono gli isotopi dell elemento in questione. Un particolare nuclide può essere rappresentato indicando il simbolo dell elemento corrispondente, il numero di massa e il numero atomico (quest ultima indicazione è in realtà pleonastica!). Ad esempio, l elemento carbonio ha due isotopi stabili: il carbonio-12 il cui nucleo contiene 6 protoni e 6 neutroni e il carbonio-13 il cui nucleo contiene 7 neutroni. I simboli corrispondenti sono 13 (o semplicemente C). C (o semplicemente C) e Esiste in natura anche un isotopo radioattivo del carbonio, il carbonio-14, il cui nucleo contiene 8 neutroni. Il simbolo corrispondente è 14 C (o semplicemente 14 C). 6 Per curiosità: sono noti altri 12 isotopi del carbonio, fra 8 C e 11 C e fra 15 C e 22 C. Tutti questi nuclidi sono radioattivi con emivita molto breve (20.3 min nel caso del più stabile, 11 C) e quindi non sono presenti in natura C I componenti di un nucleo sono tenuti assieme dalla forza nucleare forte, caratterizzata da un raggio d azione estremamente ridotto (circa 2 fm). La forza nucleare agisce (quasi) allo stesso modo su neutroni e protoni. Dipendenza dalla distanza della forza nucleare forte Con l eccezione dell idrogeno-1 e dell elio-3, tutti i nuclidi stabili contengono un numero di neutroni almeno eguale al numero dei protoni. Questo perchè solo in queste condizioni la forza nucleare è in grado di contrastare la repulsione coulombiana fra i protoni (1 fm = m = 10-6 nm) Unità di massa atomica Su scala atomica o molecolare le masse vengono espresse utilizzando la unità unificata di massa atomica (simbolo u); tale unità viene comunemente chiamata dalton (simbolo Da). Il dalton è definito come 1/12 della massa di un atomo di carbonio-12. Sperimentalmente si trova 1 Da = kg Massa del protone: Da Massa del neutrone: Da Massa dell elettrone: Da Il valore numerico della massa di un atomo espressa in dalton è sempre molto prossimo al numero di massa dell atomo stesso. Il difetto di massa Nella (ipotetica) formazione di un nucleo a partire dai nucleoni componenti si ha liberazione dell energia di legame fra i nucleoni stessi (azione della forza nucleare forte). Questa liberazione di energia si traduce in una diminuzione di massa in base alla relazione di Einstein: E = mc 2 Di conseguenza, la massa di un dato nucleo è sempre inferiore alla somma delle masse dei nucleoni che lo costituiscono. Alcuni esempi Nella tabella seguente Σ rappresenta la somma delle masse dei nucleoni, M la massa effettiva del nucleo e Δ la differenza percentuale fra i due valori. Ricordiamo che l energia messa in gioco nei processi nucleari (e anche nei processi chimici) si misura spesso in elettronvolt. 1 ev = x J ~ x J Se riferita a una mole questa energia corrisponde a x x x J = kj A conti fatti, 1 Da corrisponde a MeV. 2

3 Andamento dell energia di legame media per nucleone in funzione del numero di massa I nuclidi più stabili (con energia di legame media per nucleone maggiore) sono 62 Ni, 58 Fe, 56 Fe e 60 Ni Il massimo della curva che rappresenta il difetto medio di massa, e anche (in base alla relazione di Einstein) l energia media di legame fra i nucleoni, si trova nella regione attorno ad A = 60. È quindi (teoricamente) possibile ricavare energia sia combinando fra di loro nuclei leggeri (fusione) sia frammentando nuclei pesanti (fissione). È noto in particolare che l energia delle stelle proviene dalla fusione di idrogeno in elio. Classificazione dei nuclidi conosciuti Sono attualmente noti circa 3300 nuclidi. Nuclidi presenti in natura: 288 nuclidi primordiali di cui 254 non radioattivi (90 assolutamente stabili ) 34 radioattivi (alcuni presenti in quantità estremamente piccola, la maggior parte con radioattività trascurabile) 51 nuclidi radioattivi non primordiali (provenienti dal decadimento di nuclidi primordiali o prodotti da altri meccanismi) Nuclidi sintetici: circa 3000, di cui 563 con emivita > 1 h La carta dei nuclidi Rappresenta, nel piano Z N, i nuclidi attualmente noti. È importante osservare che al crescere della massa il numero dei neutroni nei nuclidi stabili (quelli indicati in nero) aumenta più rapidamente del numero dei protoni. Ricordiamo che all interno del nucleo agiscono una forza attrattiva (la forza nucleare forte ), che agisce nello stesso modo su protoni e neutroni, e una forza repulsiva (elettrostatica) che agisce sui protoni. Se il numero dei protoni è elevato la stabilità del nucleo si raggiunge solo in presenza di un numero maggiore di neutroni. La regione iniziale. della carta dei nuclidi. Sono rappresentati tutti i nuclidi stabili e due nuclidi radioattivi particolarmente interessanti, il trizio (idrogeno-3) e il carbonio-14. Tali nuclidi sono presenti in natura in quanto vengono prodotti nell alta atmosfera ad opera della radiazione cosmica ( nuclidi cosmogenici ). Non sono rappresentati un gran numero di nuclidi radioattivi sintetici, tutti con vita breve o brevissima. Tipi di decadimento radioattivo Esistono numerose modalità di decadimento radioattivo. Nel presente contesto ci interessano i decadimenti alfa e beta. Nel decadimento alfa, caratteristico dei nuclidi più pesanti, si ha emissione di un nucleo di elio-4 (particella alfa). Esempi: U Th + He Le particelle alfa emesse hanno tipicamente energie di 5 MeV (velocità km/s). Nel decadimento beta si ha emissione di un elettrone e di un antineutrino. Esempi: Th Ra + He Th Pa + e + νe Cs Ba + e +νe

4 Esiste anche il decadimento beta+, che comporta l emissione di un positrone (antielettrone) e di un neutrino Rappresentazione dei decadimenti alfa, beta+ e betasulla carta dei nuclidi Esempio: Na Ne + e + ν e I nuclei prodotti dai decadimenti alfa e beta si trovano (normalmente) in uno stato eccitato; la diseccitazione avviene mediante l emissione di raggi γ (fotoni di energia elevata). Esistono altri tipi di decadimento, meno comuni; fra questi vi sono il doppio decadimento beta, l emissione di protoni o di neutroni e la fissione spontanea. α β+ β La carta dei nuclidi con l indicazione dei tipi di decadimento radioattivo. - il decadimento beta- (o semplicemente beta) è caratteristico dei nuclidi che si trovano nella parte alta del grafico (con un numero di neutroni in eccesso rispetto ai nuclidi stabili) - il decadimento beta+ è caratteristico dei nuclidi che si trovano nella parte bassa (con un numero di neutroni in difetto) - il decadimento alfa è caratteristico di nuclidi pesanti - la fissione spontanea si verifica sono per alcuni nuclidi molto pesanti. I tre tipi di radiazione, α, β e γ, sono caratterizzati da una capacità di penetrazione molto diversa. - i raggi α vengono completamente arrestati da un foglio di carta o da pochi centimetri d aria - i raggi β vengono arrestati, a seconda della loro energia, da un modesto spessore di metallo - i raggi γ vengono attenuati gradualmente, secondo la legge di Beer; per ottenere un assorbimento significativo sono necessari spessori rilevanti di materiali di densità elevata Decadimento radioattivo dn = λ N dt Nt ( ) = N e λt t ln (2) tempo di dimezzamento (emivita): t = 1/2 λ Unità di misura della radioattività La radioattività di un dato materiale si misura in becquerel (Bq). 1 Bq corrisponde a 1 disintegrazione al secondo Una vecchia unità, spesso ancora utilizzata, è il curie (Ci), corrispondente alla radioattività di 1 g di 226 Ra 1 Ci = 3.7 x Bq Ad esempio la radioattività dell uranio-238 è kbq / g = 3.36 x 10-7 Ci / g circa 3 milioni di volte inferiore a quella del radio. dopo 10 tempi di dimezzamento la quantità iniziale si riduce allo 0.1% circa 4

5 Nuclidi radioattivi primordiali tempo di dimezzamento miliardi di anni in rapporto alla vita del Sistema Solare 128 Te 2.2 x Xe 2.4 x Ge 1.8 x (...) 187 Re Lu Th U K U Sm Pu La vita dell Universo è stimata in circa 14 miliardi di anni (per l esattezza, ± 0.037) mentre la vita del Sistema Solare è di circa 4.6 miliardi di anni (per l esattezza, 4.568). I nuclidi radioattivi con tempo di dimezzamento molto inferiore alla vita del sistema solare anche se erano inizialmente presenti sono decaduti completamente. D altro canto i nuclidi con tempo di dimezzamento lunghissimo presentano una radioattività molto modesta, in pratica molto difficile da evidenziare. (Ricordiamo che dei 254 nuclidi non radioattivi solo 90 sono assolutamente stabili.) Fra i nuclidi radioattivi primordiali i più significativi per l abbondanza e per il grado di radioattività sono 232 Th, 238 U, 40 K e 235 U. L energia liberata nel decadimento di questi nuclidi è la fonte di circa metà del flusso geotermico. nel Xe non era classificato come radioattivo Decadimento radioattivo del potassio-40 (abbondanza %) β + 11% β - 89% Flusso geotermico medio: 92 mw m -2 Flusso globale: 44.2 TW Per confronto il flusso di energia solare in arrivo alla superficie della Terra è TW Le tre serie di decadimento radioattivo Serie di decadimenti N C E B D La serie 4n + 1 (serie del nettunio) ha come capostipite il 237 Np che ha un tempo di dimezzamento di 2.14 x 10 6 anni e quindi non è presente in natura t Una volta raggiunto lo stato stazionario ciascuno dei prodotti di decadimento è presente in quantità proporzionale alla propria emivita 5

6 Lo spettro gamma di un minerale di uranio Nello spettro sono visibile le righe gamma emesse dai prodotti di decadimento dell uranio. I minerali di uranio nei quali la catena di decadimenti che comprende 14 stadi - ha raggiunto lo stato stazionario sono 13 volte più radioattivi dell uranio puro. Nuclidi cosmogenici - Trizio (idrogeno-3) Si forma nell atmosfera per reazione dell azoto-14 con neutroni veloci (energia superiore a 4 MeV) Decadimento: N + n C + H H He + e + νe Tempo di dimezzamento: anni Data la brevità del tempo di dimezzamento il trizio è presente in natura in tracce molto piccole. Ad esempio, nell acqua degli oceani il rapporto 3 H / 1 H è di 1 / Quantità non trascurabili di trizio vengono prodotte dalla reazione 2 H + n 3 H 1 1 che si verifica (con bassa probabilità) nei reattori nucleari ad acqua pesante. Nuclidi cosmogenici - Carbonio-14 Si forma nell atmosfera per reazione dell azoto-14 con neutroni termici Gli esperimenti nucleari nell atmosfera hanno portato alla formazione di una quantità notevole di 14 C. La figura rappresenta l eccesso di concentrazione di 14 C rispetto ai valori normali N + n C + p Decadimento C N + e + νe Tempo di dimezzamento: 5730 ± 40 anni Concentrazione nell atmosfera (come CO 2 ): del C totale Quantità totale: 230 x 10 6 Ci = 8.5 x Bq. eccesso (per mille) Ricordiamo che il carbonio-14 trova impiego nella datazione di materiali di origine organica (fino a circa anni). Questo metodo di datazione è stato ideato nel 1947 da Willard Frank Libby (premio Nobel 1960). 1963: trattato per l abolizione degli esperimenti nucleari in atmosfera L energia delle stelle proviene dalla fusione di quattro atomi di idrogeno per dare un atomo di elio LA FUSIONE NUCLEARE 6

7 La reazione a catena protone-protone H H + e + ν MeV 1 1 e γ + - e + e MeV H + H He + γ MeV He He + 2 H MeV H + 2 e 4 He + 2 ν + 6 γ MeV e (molto lenta) Esistono altri due meccanismi nei quali la quarta reazione (fusione di due nuclei di elio-3) è sostituita dalla fusione fra elio-3 e idrogeno-1, che si realizza attraverso cicli catalitici che coinvolgono il berillio-7 e il litio-7 oppure il berillio-7 e il boro-8. La serie di reazioni considerata, che avviene a temperature comprese fra 10 e 14 x 10 6 K, comporta la fusione di quattro protoni con formazione di un atomo di elio. La differenza di massa è dello 0.7% e corrisponde a una energia di MeV, di cui il 2% è asportato dai neutrini. Come accennato, la fusione idrogeno elio può avvenire anche con altri meccanismi. Quello considerato è responsabile della produzione dell 86% dell energia del Sole. La struttura del Sole I processi di fusione avvengono nel nucleo solare, una regione il cui raggio è il 20-25% del raggio del Sole, caratterizzata da una densità di 150 g/cm 3 e da una temperatura di 13.6 x 10 6 K. Ivy Mike: la prima esplosione termonucleare della storia (1 novembre 1952, atollo Enewetak) In una bomba termonucleare il combustibile viene compresso, riscaldato e irradiato con neutroni ad opera di un primo stadio costituito da una bomba a fissione. Nel primo esperimento (Ivy Mike) il combustibile era deuterio liquido, e la bomba era costituita da un piccolo edificio. Nelle bombe di effettivo impiego (realizzate secondo il progetto di Teller-Ulam, schema a sinistra) si usa come combustibile il deuteruro di litio-6, 2 H 6 Li. Il funzionamento è abbastanza complicato e oltre alla fusione del deuterio e del trizio prodotto dalla reazione fra 6 Li e neutroni implica la fissione di 235 U o di 239 Pu (il cilindro cavo posto al centro della massa di combustibile) ed eventualmente la fissione, provocata da neutroni veloci, del rivestimento esterno di U naturale. I processi di fissione contribuiscono in misura rilevante al rendimento della bomba. La prima bomba termonucleare a combustibile solido (Teller-Uhlam), denominata in codice Castle Bravo è stata fatta esplodere il 1 marzo 1954 sull atollo di Bikini (Isole Marshall). La resa è stata di 15 megaton, molto superiore alla resa attesa (6 Mt). Questo grossolano errore di valutazione sulle caratteristiche dello bomba è dipeso dalla mancata considerazione del ruolo di 7 Li che dà luogo alla formazione di trizio per reazione con neutroni veloci (il litio utilizzato era arricchito in 6 Li ma conteneva ancora il 60% di 7 Li). Li + n He + H Li + n He + H + n L esplosione ha provocato la ricaduta di quantità molto rilevanti di particolato radioattivo; l inquinamento risultante, oltre a causare la morte di un pescatore giapponese, ha prodotto gravi danni alla salute degli abitanti di due atolli (Rongelap e Rongerik) che sono stati completamente evacuati 48 ore dopo l esplosione. Successivamente nelle Isole Marshall (che sono state complessivamente la sede di 67 esplosioni nucleari) si sono verificati numerosi casi di malformazioni neonatali. Nel 1956 le Isole Marshall sono state giudicate dall AEC "by far the most contaminated place in the world. 7

8 Subito dopo le prime esplosioni termonucleari è stato previsto un futuro impiego della fusione come fonte di energia ai fini civili. Negli anni 70 è stata esaminata la possibilità di produrre vapore ad alta temperatura facendo esplodere piccole bombe a idrogeno in una cavità sotterranea (Project PACER, Los Alamos National Laboratory). Il progetto, abbandonato nel 1975, costituisce l unico metodo per la produzione di energia da fusione la cui fattibilità con le tecnologie esistenti è dimostrabile. Reattori a fusione Per ottenere la fusione è necessario riscaldare i materiali utilizzati ad una temperatura molto elevata, dell ordine di milioni di gradi. Ovviamente nessun recipiente è in grado di sopportare queste temperature; il confinamento dei reattivi può essere ottenuto o per via inerziale (facendo in modo che la reazione avvenga in un tempo inferiore a quello necessario perché i reattivi si disperdano, come per esempio avviene nelle bombe termonucleari) oppure mediante campi magnetici. La tecnologia che viene attualmente studiata più attivamente è quella del confinamento magnetico: il combustibile (una miscela di trizio e deuterio allo stato gassoso) contenuto in un recipiente toroidale viene ionizzato e riscaldato mediante una scarica elettrica e viene confinato da un campo magnetico con opportune caratteristiche. Sono state proposte varie configurazioni del dispositivo di confinamento; quella più promettente è nota come Tokamak. Il combustibile utilizzato è una miscela di deuterio e trizio che, rispetto ad altri combustibili possibili, dà luogo a velocità di reazione accettabili a temperature relativamente basse. H + H He + n ( MeV) Il deuterio è ampiamente disponibile in natura (gli oceani ne contengono circa 48 x tonnellate); il trizio deve invece essere ottenuto per reazione fra litio e neutroni: Li + n (qualsiasi energia) He + H Li + n (alta energia) He + H + n Il litio è relativamente abbondante: la sua concentrazione media nella crosta terrestre è dell ordine di mg / kg, circa quanto il piombo e il nichel. La concentrazione nell acqua di mare è di ppm (totale 230 Gt). La composizione isotopica del litio naturale è 6 Li 7.5%; 7 Li 92.5%. Riserve significative di litio sono presenti in Bolivia (5.4 Mt), Cile (7.5 Mt) (produzione t nel 2011), Cina (3.5 Mt), Argentina (0.85 Mt), Australia (0.97 Mt) (produzione t nel 2011) e (forse) in Afghanistan. Esiste qualche preoccupazione sulla disponibilità di litio in vista del suo impiego nella produzione di batterie a ioni di litio. JET - Joint European Torus ITER International Thermonuclear Experimental Reactor L interno del Tokamak dell esperimento JET. Sulla destra una fotografia del plasma. Dimensioni del toro: raggio maggiore: 2.96 m raggio minore: m volume interno: 100 m 3 Il principale esperimento di fusione mediante confinamento magnetico è il JET, avviato nel 1983 a Culham (UK) e tuttora in corso. Il JET ha prodotto un picco di potenza da fusione di 16 MW, con un valore di Q (rapporto fra potenza prodotta e potenza utilizzata in ingresso) di circa 0.7. Ovviamente per ricavare energia sarebbe necessario avere almeno Q > 1; per un impianto industriale sarebbe necessario avere Q ~ 10. Nel 2005 è stato avviato il progetto ITER, sostenuto da Stati Uniti, Unione Europea, Cina, India, Giappone, Russia e Corea del Sud. Il dispositivo sperimentale (un Tokamak con un volume interno di 840 m 3 ) è attualmente in costruzione a Caradache (Francia). Il completamento è previsto per il Il costo era inizialmente stimato a 5 G ; le stime sono attualmente cresciute a 16 G ; da segnalare delle incertezze sul futuro della partecipazione degli Stati Uniti. Si prevede che ITER sarà in grado di fornire, sotto forma di calore, una potenza in uscita 10 volte superiore alla potenza in ingresso, sostenendo la reazione di fusione per molti minuti. Non è comunque previsto l utilizzo del calore prodotto per la produzione di energia elettrica. Nel 2025 (circa) è prevista l installazione di un breeder blanket, uno schermo contenente litio destinato alla produzione di trizio per reazione con i neutroni prodotti dalla reazione di fusione (in una prima fase è prevista la importazione di trizio proveniente da reattori moderati con acqua pesante). Per il 2024 è previsto l avvio della realizzazione di DEMO, un reattore sperimentale che dovrebbe essere in grado, entro il 2033, di produrre energia da fusione su scala commerciale. 8

9 Dispositivi a confinamento inerziale La realizzazione di reattori a confinamento inerziale è stata a lungo considerata difficile se non impossibile; da qui la maggiore attenzione dedicata al confinamento magnetico. Attualmente l interesse per questa tecnologia è ripreso e sono in corso due progetti, uno negli Stati Uniti (National Ignition Facility, al Lawrence Livermore National Laboratory, a Livermore, CA) e uno in Francia (Laser Mégajoule, a Bordeaux). In entrambi i casi si prevede di comprimere e riscaldare una pastiglia di combustibile (miscela di deuterio e trizio), eventualmente contenuta in una microcapsula metallica, mediante fasci laser convergenti. Non si fanno per il momento ipotesi sul tempo necessario per arrivare alla produzione di energia utile, ma vale la pena di citare il fatto che il 7 ottobre 2013 alla National Ignition Facility la combustione di una pastiglia ha liberato per la prima volta più energia di quella spesa per la accensione. LA FUSIONE FREDDA La fusione fredda L esperimento base consiste nell elettrolisi di acqua pesante su di un elettrodo di palladio. Secondo gli autori (Stanley Pons e Martin Fleischmann, 1989) si ha produzione di calore in misura giustificabile solo da un processo nucleare; in seguito sarebbe stata riscontrata la produzione di piccole quantità di neutroni e di trizio. Le affermazioni di Pons e Fleischmann hanno suscitato un vasto interesse e vi sono stati numerosi tentativi di ripetere l esperimento. L esito negativo della maggior parte di questi tentativi e l assenza di una spiegazione teorica per i processi di fusione ipotizzati ha portato ben presto la maggioranza del mondo scientifico a considerare la ricerca sulla fusione fredda come pseudoscienza. La cella elettrolitica di Pons e Fleischmann nella versione originale In realtà gli studi sul fenomeno della fusione fredda, spesso ribattezzata con altre denominazioni (ad es. LENR, Low Energy Nuclear Reactions) sono proseguiti ad opera di più gruppi di ricercatori, sempre però in un clima di diffidenza. Si possono citare studi condotti in Italia (ENEA) e in laboratori della Marina USA. Fra il 1990 e il 2013 si sono svolti con la denominazione di ICCF (International Conference on Cold Fusion), 18 incontri internazionali sull argomento (di cui 3 in Italia). Il 16 aprile 2013 lo US Patent and Trademark Office ha registrato a favore di The United States of America as represented by the Secretary of the Navy un brevetto intitolato System and method for generating particles che chiaramente riguarda la fusione fredda. (Ma a distanza di due anni maggio non se ne è più sentito parlare!) Cella elettrolitica per lo studio della fusione fredda Space and Naval Warfare Systems Center (USA 2005) La fissione è una reazione nucleare in cui il nucleo di un atomo si frammenta in due (raramente in tre) nuclei. Abbiamo già ricordato il fenomeno della fissione spontanea, una rara forma di decadimento radioattivo caratteristica di nuclidi molto pesanti. Siamo ora interessati alla fissione indotta da neutroni. Esempio: LA FISSIONE U + n Sr + Xe + 2n Dato che i nuclidi più leggeri sono caratterizzati da un rapporto neutroni /protoni più piccolo di quello dei nuclidi più pesanti il processo è sempre accompagnato dalla produzione di neutroni (tipicamente due o tre). La massa complessiva dei prodotti di fissione è sempre inferiore alla massa del nuclide di partenza (più quella del neutrone). Questa diminuzione di massa comporta la liberazione di una quantità rilevante di energia. 9

10 Il modello a goccia per la fissione indotta da neutroni Prodotti di fissione dell uranio-235 ad opera di neutroni termici Rendimento di fissione % Numero di massa A La fissione avviene in genere in modo asimmetrico : i due frammenti prodotti hanno per lo più numeri di massa prossimi a 95 e a 138. Bilancio di massa per un processo di fissione U + n Kr + Ba + 3n U n Da 92 Kr Ba n Da differenza: Da MeV (ricordiamo che 1 Da equivale a MeV) I nuclidi prodotti dalla fissione hanno sempre un rapporto neutroni/protoni maggiore di quello caratteristico dei nuclidi stabili (si trovano nella parte alta della carta dei nuclidi) e sono quindi radioattivi, con decadimento beta. Per esempio, il kripton- 92 (uno dei prodotti di fissione dell uranio-235 nell esempio considerato precedentemente) si trasforma nel nuclide stabile zirconio-92 attraverso quattro decadimenti beta successivi: Kr Rb Sr Y Zr s 4.49 s 2.66 h 3.54 h In ciascun decadimento si ha produzione di energia (energia cinetica degli elettroni emessi + energia dei raggi gamma + energia asportata dagli antineutrini). Di conseguenza anche se in un reattore nucleare il processo di fissione viene arrestato, il sistema continua a liberare una quantità significativa di energia. Energia liberata dalla fissione di 235 U (valori medi approssimativi in MeV) Energia liberata immediatamente energia cinetica dei nuclei figli energia cinetica dei neutroni raggi gamma 7.0 Energia liberata successivamente raggi beta 6.5 raggi gamma antineutrini 8.8 Energia totale MeV per atomo di 235 U corrispondono a circa 74 x J/kg. Per confronto, la combustione di 1 kg di carbonio produce 32.8 x 10 6 J, una quantità di energia 2 milioni di volte minore. Reazione a catena Nella fissione dell uranio-235 si liberano mediamente 2.5 neutroni. In condizioni opportune questi neutroni possono indurre la fissione di altri nuclei di uranio-235, dando luogo a una reazione a catena. Nella figura le frecce rosse indicano neutroni utili (che danno luogo ad ulteriori fissioni); le frecce nere indicano neutroni perduti. Se il numero medio di neutroni utili è inferiore a uno, la reazione a catena si arresta; se è maggiore di uno la reazione ha un decorso esplosivo; se è eguale a uno la reazione procede con velocità costante. 10

11 La massa critica Per ottenere una reazione a catena è necessario che il numero di neutroni che sfuggono dalla massa di materiale fissile non sia troppo elevato. Questo risultato si ottiene se la massa di materiale fissile contenuta in un dato volume è sufficientemente elevata (superiore alla massa critica ). Bombe a fissione Be B + 4 He He 12 C 12 + C + n+ nn Little Boy Hiroshima La massa critica viene raggiunta sparando un proiettile (un cilindro cavo) di uranio-235 contro un bersaglio di uranio-235 Fat Man Nagasaki La massa critica viene raggiunta comprimendo una sfera di plutonio mediante un esplosivo convenzionale In entrambi i casi al centro della massa di materiale fissile è collocato un detonatore (neutron initiator) contenente 9 Be e 210 Po separati da un materiale in grado di schermare le particelle α emesse dal Po. La compressione del combustibile fa entrate in contatto il Be e il Po con conseguente emissione di neutroni a seguito della reazione 9 4 Be + He 12 C + n La pila di Fermi The Italian navigator has landed in the New World Chicago, 2 dicembre 1942 REATTORI NUCLEARI Era costituita da pastiglie di uranio separate da blocchi di grafite come moderatore, con bacchette di metallo cadmiato come barre di controllo. Il nocciolo di un reattore nucleare La luminosità azzurra è prodotta da elettroni (raggi beta) che si muovono nell acqua con velocità superiore a quella della luce (effetto Čerenkov) I due combustibili utilizzati nei reattori nucleari (oltre che nelle bombe a fissione) sono l uranio-235 (presente in natura) e il plutonio-239 (prodotto artificialmente). L uranio naturale comprende due nuclidi primordiali (gli isotopi 235 e 238) più tracce dell isotopo 234, prodotto dal decadimento dell uranio-238: isotopo abbondanza emivita (anni) % x % x % x 10 9 L uranio-235 è l unico nuclide naturale fissionabile ad opera di neutroni lenti. L uranio-238 può subire fissione ad opera di neutroni veloci (con probabilità molto bassa) e può catturare neutroni veloci con produzione di plutonio

12 Schema di principio di un reattore nucleare Dato che i neutroni emessi dalla fissione dell uranio-235 sono veloci (energia circa 4 MeV, velocità circa il 7% della velocità della luce) per ottenere una reazione a catena sostenibile è (in genere) necessario - arricchire l uranio portando la frazione di uranio-235 p. es. al 3%, in modo da ridurre la probabilità di cattura dei neutroni ad opera dell uranio-238; - ridurre la velocità dei neutroni mediante l impiego di un moderatore in modo da aumentare la probabilità di cattura ad opera dell uranio-235. Sono rappresentate le barre di combustibile, il moderatore-refrigerante e una barra di controllo. Le barre di controllo sono costituite da un materiale in grado di assorbire efficacemente i neutroni, per esempio una lega di argento (80%), indio (15%) e cadmio (5%). Possono essere immerse più o meno profondamente fra le barre di combustibile in modo da regolare (ed eventualmente arrestare completamente) la reazione a catena. Come moderatore si possono utilizzare l acqua, l acqua pesante (ossido di deuterio) o la grafite. Attualmente (2015) sono in funzione 42 reattori moderati ad acqua pesante, 29 moderati a grafite (18 nel Regno Unito e 11 in Russia) e 359 moderati ad acqua leggera. (*) Il moderatore funziona assorbendo energia per effetto degli urti elastici fra i nuclei del moderatore stesso e i neutroni. Caratteristiche importanti sono: (1) bassa massa atomica (che comporta un maggior trasferimento di energia nelle collisioni elastiche) (2) bassa probabilità di cattura dei neutroni. Sia il deuterio che a maggior ragione l idrogeno soddisfano la prima caratteristica molto meglio del carbonio; questo è però caratterizzato da una sezione d urto per la cattura dei neutroni molto minore di quella dell idrogeno e non molto maggiore di quella del deuterio. Classificazione dei reattori Reattori di prima generazione: prototipi Reattori di seconda generazione: quelli realizzati fino alla fine degli anni 90 (PWR, BWR, PHWR o CANDU, AGR, RBMK) Reattori di terza generazione: incorporano miglioramenti evolutivi rispetto a quelli di seconda generazione Reattori di quarta generazione: basati su tecnologie in corso di sviluppo (Si parla anche di reattori di quinta generazione, la cui realizzazione sarebbe in linea di principio possibile, ma che non vengono attualmente studiati) (*) Aggiungendo 7 reattori a neutroni veloci, privi di moderatore, si arriva a un totale di 437, in accordo con il numero totale di reattori riportato dalla World Nuclear Association. Pressurized Water Reactor (PWR) Reattore ad acqua pressurizzata (?!) Il corpo del reattore è costituito da un recipiente a pressione che contiene il combustibile, le barre di controllo e acqua che serve sia da moderatore che da refrigerante. L acqua viene fatta circolare in uno scambiatore di calore e riscalda l acqua in un circuito secondario con produzione di vapore che viene utilizzato per azionare le turbine per la produzione di energia elettrica. La pressione nel circuito primario è tipicamente di 15.5 MPa (153 atm); la temperatura dell acqua è di circa 315 C. A questa categoria appartiene la maggior parte dei reattori in uso in Europa e negli Stati Uniti ed anche lo European Pressurized Reactor, del quale era prevista la realizzazione in Italia. Schema di un reattore PWR 12

13 Il contenitore sotto pressione dell EPR European Pressurized Reactor - È un PWR di terza generazione, progettato da Areva e Electricité de France in Francia e da Siemens in Germania. - Attualmente sono in costruzione quattro unità, in Francia, in Finlandia e in Cina (due unità). L avvio della costruzione di una seconda unità in Francia era previsto per il 2012, ma dopo l incidente di Fukushima è stato rinviato sine die. - La costruzione dell unità finlandese è iniziata nel 2005 e sarebbe dovuto essere completata nel Attualmente l avvio è previsto non prima del Il costo, previsto inizialmente in 3.7 G, è attualmente stimato in 8.5 G. - La costruzione dell unità francese è iniziata nel 2007 ed ha incontrato problemi analoghi: il costo è salito da 3.3 a 8.5 G ; l entrata in funzione era prevista per il 2012, ma la costruzione non sarà completata prima del In Cina pare che le cose vadano meglio, anche se nel 2015 è stato segnalato un ritardo di due anni nel completamento dei lavori. Questo tipo di reattore è considerato molto sicuro: la probabilità di incidenti con danni al nocciolo è valutata in per anno. Boiling Water Reactor (BWR) Reattore ad acqua bollente Non c è il circuito secondario: l acqua che funge da refrigerante e da moderatore produce direttamente vapore che viene inviato alle turbine. La pressione viene mantenuta a circa 75 atm e di conseguenza la temperatura di ebollizione è di circa 285 C. I reattori di Fukushima sono di questo tipo. Prima del recente incidente la probabilità di un evento in grado di provocare danni al nocciolo era valutata in per anno di funzionamento. Schema di un BWR Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR) Reattore ad acqua pesante pressurizzata (?!) Reattori moderati e raffreddati con acqua pesante (ossido di deuterio), di progettazione canadese, noti anche con il nome di CANDU (CANadian Deuterium Uranium). A differenza dei PWR convenzionali il combustibile non è contenuto in un singolo recipiente a pressione ma in centinaia di tubi. L impiego come moderatore di acqua pesante, che rispetto all acqua leggera assorbe neutroni in misura ridotta, consente di utilizzare come combustibile uranio naturale. Le caratteristiche costruttive consentono di sostituire le singole barre di combustibile senza arrestare l impianto, con evidenti vantaggi. Attualmente sono in funzione 29 reattori CANDU (di cui 17 in Canadà) e 13 reattori di caratteristiche analoghe realizzati in India dopo che il Canadà ha annullato la fornitura di materiale nucleare all India. Una caratteristica dei reattori ad acqua pesante è la produzione di piccole quantità di trizio per effetto della cattura di neutroni ad opera del deuterio. In alcuni impianti il trizio viene estratto e recuperato sia per evitarne la dispersione nell ambiente sia in vista di possibili utilizzi. Schema di un reattore CANDU 1 Fascio di cilindri portacombustibile 2 Calandria (core del reattore) 3 Barre di controllo 4 Acqua pesante (serbatoio di pressurizzazione) 5 Generatore di vapore 6 Pompa dell'acqua leggera 7 Pompa dell'acqua pesante 8 Macchine per il ricambio del combustibile 9 Acqua pesante (moderatore di neutroni) 10 Tubo in pressione 11 Vapore in afflusso alla turbina a vapore 12 Acqua fredda di ritorno dalla turbina 13 Edificio di contenimento in cemento armato Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) È un tipo di reattore del quale esistono 14 unità, tutte nel Regno Unito. Il moderatore è costituito da grafite e il raffreddamento è realizzato mediante CO 2 alla pressione di 4 MPa (39 atm) e alla temperatura di 640 o C; il vapore prodotto mediante scambiatori di calore immersi nel recipiente in pressione ha una pressione di 17 MPa (168 atm) e una temperatura di 543 o C. Questo valore elevato di temperatura consente un rendimento termico superiore a quello dei BWR e dei PWR. Il progetto originale prevedeva la possibilità di sostituire le barre di combustibile esaurito senza spegnere il reattore; a causa di alcuni problemi insorti, attualmente le barre vengono sostituite a reattore spento oppure funzionante a regime ridotto. 13

14 Advanced Gas-cooled Reactor Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (RBMK) (High Power Channel Reactor) È un reattore moderato a grafite e raffreddato ad acqua, progettato per la produzione di energia e di plutonio. Come i reattori CANDU viene alimentato con uranio naturale (o eventualmente con uranio debolmente arricchito) e può essere rifornito di combustibile senza interrompere il funzionamento. Il reattore di Chernobyl era di questo tipo. Sono stati realizzati complessivamente 17 reattori RBMK, 10 dei quali sono attualmente (2015) operativi. Nonostante l adozione di numerosi accorgimenti per aumentarne la sicurezza è considerato uno dei più pericolosi tipi di reattore in uso. 1. Charge tubes 5. Concrete pressure vessel 7. Water circulator 2. Control rods and radiation shielding 8. Water 3. Graphite moderator 9. Heat exchanger 4. Fuel assemblies 6. Gas circulator 10. Steam Schema di un reattore RBMK Reattori veloci (autofertilizzanti) In un reattore veloce (o, più propriamente, reattore a neutroni veloci ) la reazione di fissione a catena è sostenuta da neutroni veloci. Tali reattori sono (ovviamente) privi di moderatore e richiedono come combustibile uranio fortemente arricchito (20%) o plutonio. Ne esistono attualmente 7: in Russia (3), in Giappone (1), in India (2) e in Cina (1); tutti sono raffreddati con sodio fuso. Sei fra questi reattori sono sperimentali o dimostrativi ; uno solo (in Giappone) è qualificato come prototipo. I reattori a neutroni veloci possono agire da breeder (autofertilizzanti) trasformando l uranio-238 in plutonio-239 o il torio-232 in uranio-233 Possono essere utilizzati per bruciare il combustibile esaurito dei reattori convenzionali, in particolare per provocare la fissione degli attinidi, con produzione di nuclidi con tempi di dimezzamento molto più brevi. Sono attualmente antieconomici ; inoltre la possibilità di produrre quantità rilevanti di plutonio, facilmente utilizzabile per usi militari, solleva problemi di sicurezza. Produzione di 239 Pu e di 233 U in reattori autofertilizzanti Due diversi modelli di reattori autofertilizzanti a neutroni veloci raffreddati a sodio 14

15 Schema di un reattore a neutroni veloci raffreddato a sodio di quarta generazione Supercritical water reactor Reattore ad acqua supercritica È un reattore di quarta generazione (ancora allo stadio di progetto), analogo ai reattori ad acqua bollente (con un unico circuito), ma in grado di operare a temperature e pressioni superiori al punto critico dell acqua. Il vantaggio più ovvio è il rendimento termico elevato (fino al 45%); un altro importante vantaggio è la maggiore semplicità costruttiva. Il fatto di operare con un fluido supercritico evita i problemi legati alla possibile formazione di bolle. In opportune condizioni un reattore ad acqua supercritica può essere fatto funzionare come autofertilizzante (neutroni veloci) con ovvi vantaggi di sicurezza nei confronti dei normali reattori autofertilizzanti che utilizzano come refrigerante il sodio fuso. Supercritical water reactor 15