Il processo di Fissione dell 235 U

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1 Il rocesso di Fissioe dell 235 U La fissioe ucleare uò essere rodotta ell 235 U (chiamato er questo fissile ) i seguito all assorbimeto di u eutroe. Dà luogo ad ua moltelicità di uclei risultati (rodotti di fissioe, ovvero Ba, Kr, Sr, Cs, I e Xe co umero di massa tra 95 e 135) e all emissioe di alcui eutroi (i media 2,5) e di radiazioe elettromagetica. L'eergia associata ai rodotti della reazioe, ceduta ai materiali circostati, li riscalda e rareseta la fote di eergia rimaria che viee oi covertita i eergia elettrica, come elle altre cetrali termiche. Ua frazioe dei eutroi rodotti è utilizzabile er uove fissioi, metre ua arte è catturata dall'altro isotoo dell'uraio ( 238 U) e dai uclei degli altri materiali reseti. Ua arte dei eutroi sfugge all'estero del reattore. Perché il rocesso si matega stabilmete occorre che il raorto fra i eutroi rodotti dalla fissioe e tutti quelli assorbiti iù quelli erduti (costate di moltilicazioe) sia ari a uo. 1

2 Il moderatore ei reattori termici Se si usa come combustibile U aturale (costituito er il 99,3% da 238 U e er lo 0,7% da 235 U), er otteere ua elevata costate di moltilicazioe occorre che i eutroi, ati veloci dalla fissioe, vegao ralletati (termalizzati), i quato alle basse eergie la robabilità di fissioe dell 235 U (sezioe d urto) è maggiore. Si associa al combustibile u materiale leggero, detto moderatore, er aumetare l'efficieza del trasferimeto di eergia ( reattori termici ). Questo è il reattore sviluato all'iizio dell'era ucleare, ricialmete i Euroa e i Caada, utilizzado come moderatori grafite o acqua esate Disoedo di combustibile arricchito i 235 U si uò usare acqua ordiaria leggera come moderatore e come refrigerate. 2

3 Cotrollo del rocesso di fissioe La fissioe dei uclei di U-235 roduce 2 o 3 eutroi, i media 2,5. Uo di questi eutroi serve a sosteere la reazioe a catea i uo stato critico cotrollato I media, gli altri 1.5 vegoo ersi dal occiolo o soo assorbiti da reazioi o di fissioe Per cotrollare la oteza rodotta dal reattore si usao barre di cotrollo co la fuzioe di assorbire eutroi. Le barre soo fatte di B o Cd e soo iserite tra gli elemeti di combustibile. Quado le barre vegoo arretrate risetto alla osizioe di criticalità, la costate di moltilicazioe diveta >1 aumeta la oteza rodotta. Raggiuto il livello desiderato, le barre di cotrollo torao ella osizioe di criticalità e la oteza si stabilizza al uovo livello. Il cotrollo della reazioe a catea è totalmete affidato alla caacità di assobimeto di eutroi da arte delle barre. Seza di esse, ogi scostameto el bilacio critico della reazioe a catea uò ortarea forti aumeti o riduzioi della oolazioe di eutroi. Per questo, il rogetto e le modalità di oerazioe della cetrale fissao lmiti molto rigidi ai ossibili scostameti dalla codizioe di criticalità. 3

4 4 La fissioe ucleare La fissioe ucleare Eergia = 200. MeV Neutroe + Uraio Bario + Krito Neutroi + Eergia 1 ev= Joule

5 Schema semlificato di cetrale PWR 5

6 I reattori PWR Attualmete, circa l'85% delle cetrali i servizio è dotata di reattori ad acqua leggera (H 2 O), co combustibile ad uraio leggermete arricchito, i cui l'acqua ha la dulice fuzioe di moderatore e refrigerate. Il modello iù sviluato è idicato co l'acroimo PWR (Pressurized Water Reactor) i cui l'acqua di raffreddameto del combustibile oera ad ua ressioe (circa 100 bar) tale da o raggiugere i uscita la temeratura di saturazioe del vaore. Vao ioltre segalate le cetrali caadesi co moderatore e refrigerate ad acqua esate (D 2 O). Diffusioe dei reattori PWR 6

7 Diffusioe dell Eergia Nucleare I tutto il modo, el 2000, soo stati i esercizio 440 reattori commerciali i 31 Paesi, co ua caacita' totale ari a iu' di 350 GWe. La roduzioe modiale di eergia elettrica da ucleare e' stata circa 2500 TWh, corrisodete al 16% della totale eergia elettrica rodotta. Quidici Paesi roducoo eergia elettrica da ucleare er ua quota maggiore o uguale al 25%. 9 Paesi UE dei uovi etrati soo roduttori di eergia ucleare (comlessivamete 174 reattori). Svezia, Germaia, e Belgio hao deciso di abbadoare rogressiva-mete il ucleare. Al 2001 risultavao i costruzioe 35 uovi reattori (er 30 GWe) ed altri 31 (er 35 GWe) iaificati o gia' commissioati, revaletemete i Giaoe, Corea, Idia, Russia (1 ella UE, essuo i USA). 7

8 Costi Il costo dell'eergia elettrica rodotta dalle cetrali elettroucleari è sia i Euroa che egli Stati Uiti fra i iù bassi, allo stesso livello di quello delle cetrali a combustibile fossile (~4.5 c/kwh, cotro ~3.9 er l eergia elettrica da carboe e ~4.2 c/kwh er l eergia elettrica da gas). I costi di ivestimeto icidoo er circa il 55% sul costo totale dell eergia (45% del totale er il carboe e solo il 16% er il gas). I articolare: I sistemi di sicurezza costituiscoo circa u quarto dei costi di ivestimeto, ovvero icidoo er circa il 14% sul costo totale dell eergia; Il costo della gestioe e stoccaggio di tutte le scorie icide er il 5% sui costo totale dell eergia; Il costo dello smatellameto (decommissioig) icide er il 4% sui costo totale dell eergia; 8

9 Sicurezza dei reattori I roblemi della sicurezza hao assuto fi dall'origie u'imortaza rimaria el rogetto delle cetrali, a causa dei ericoli cosegueti al ossibile rilascio della igete quatità di materiale radioattivo accumulato el occiolo del reattore. I criteri di sicurezza alicati soo oggi iù strigeti che er ogi altro tio di imiato. I sistemi di sicurezza raresetao circa u quarto dei costi d'ivestimeto di ua cetrale ucleare. I tutti gli ai di oerazioe di cetrali a fissioe el modo, due soltato soo stati gli icideti sigificativi: cetrale di Three Miles Islad, USA (1979) i cui il reattore è stato seriamete daeggiato ma o vi e' stato rilascio di materiale radioattivo é dai biologici ed ambietali. Le idagii seguite all'icidete evideziaroo che si era trattato di u errore umao. cetrale di Cherobyl, Ucraia (1986) dove l eslosioe di uo dei reattori ha causato localmete la morte di alcue decie di ersoe e rovocato, er effetto della roagazioe della ube tossica, seri dai biologici e ambietali sio a gradi distaze dal luogo dell'icidete. L'errore fu rovocato da ua serie di violazioi delle rocedure oerative, agevolate da ua recaria cultura della sicurezza. Gli effetti furoo drammatici, i quato l'uità o aveva ua struttura di vero coteimeto del reattore e il sistema di cotrollo del raffreddameto del occiolo o era be rogettato. 9

10 Disositivi di sicurezza Le cetrali soo rogettate i modo da imedire il massimo icidete credibile: la fuoriuscita dalla cetrale di materiale radioattivo coseguete alla fusioe ed eslosioe del occiolo del reattore. I ua cetrale a fissioe di stadard occidetale esistoo tre barriere er il cofiameto del materiale radioattivo, di cui l ultima è il coteitore estero. Per le cetrali costruite dall'uioe Sovietica, la caduta delle barriere di comuicazioe ha ermesso di costatare la careza geerale e ha mostrato che er alcui tii, quali gli RBMK (Cherobyl) è da escludere u adeguameto a stadard di sicurezza accettabili e quidi è ecessaria la chiusura. Da iù di dieci ai i Paesi occidetali, e l'ue i rimo luogo, dedicao aiuti ecoomici alla chiusura di tali cetrali, i articolare ei uovi Paesi membri UE (Lituaia, Bulgaria e Slovacchia). Per le cetrali basate sui modelli occidetali, oggi lo sforzo si muove verso rogetti detti a sicurezza assiva, i cui la limitazioe del guasto è basata solo su leggi fisiche quali la covezioe aturale, la gravità, la ressioe dei gas. Cocetti iovativi si adottao ache el rogetto del reattore, i modo che i ogi caso la fusioe del occiolo o sia ossibile. 10

11 L imatto ambietale: combustibile estratto Nelle cetrali termiche tio PWR il combustibile estratto alla fie dell'oerazioe è costituito da : circa u quarto dell' 235 U origiario e l' 238 U rimasto, il 239 Pu rodotto, altri elemeti, geerati dalle reazioi di cattura di eutroi seguite da decadimeti radioattivi, tra cui gli isotoi del lutoio, del Nettuio (N), dell'americio (Am) e del Curio (Cm), chiamati trasuraici o attiidi; di questi alcui soo radioattivi emettitori alfa e co temi di vita molto lughi, i rodotti di fissioe, di cui molti radioattivi co temi di decadimeto diversi, sotto forma gassosa e solida, le strutture metalliche associate al combustibile, rese radioattive dall assorbimeto di eutroi. 11

12 L imatto ambietale: radiotossicità del combustibile scaricato La radiotossicità del combustibile estratto è all iizio molto elevata e decade rima raidamete e oi iù letamete el temo. All'iizio revale il cotributo dei rodotti di fissioe. Doo 700 ai questo diviee iferiore al cotributo degli attiidi, fra i quali domia il lutoio. 12

13 L imatto ambietale: gestioe del combustibile scaricato e delle scorie radioattive Il combustibile estratto viee rimosso dal reattore e stoccato temoraeamete i vasche d'acqua dove viee "raffreddato" i attesa del trattameto fiale. Attualmete esistoo el modo due vie er la gestioe del combustibile scaricato: USA, Svezia e Caada: coservazioe rotetta del combustibile el suo isieme; Fracia e Giaoe: si seararao chimicamete il Plutoio e l'uraio dal resto (ritrattameto) e si utilizzao come materiale er la fabbricazioe di uovo combustibile. I questo caso gli altri attiidi (chiamati attiidi miori) e i rodotti di fissioe radioattivi a luga vita, doo vetrificazioe, vegoo madati a u deosito temoraeo i attesa di ua sistemazioe defiitiva. L'isieme delle scorie radioattive viee divisa i categorie a secoda del grado di radioattività. Per la sistemazioe defiitiva delle scorie ad alto livello, la tedeza attuale è quella di ricercare dei siti rofodi, geologicamete stabili, come miiere dismesse di sale, rocce argillose o altro. Alcui Paesi hao idetificato e stao rearado siti er il deosito defiitivo. 13

14 Tutto questo è accettabile? 14

15 I reattori veloci Nei reattori veloci si uò geerare, attraverso la coversioe dell' 238 U i 239 Pu, ua quatità di materiale fissile sueriore a quello fissioato ( surgeeratori ). Questo è dovuto a due fattori: la cattura di eutroi ell' 238 U, co coseguete roduzioe di 239 Pu, aumeta i asseza di moderatore (eutroi veloci) il umero di eutroi rodotti ella fissioe del 239 Pu è sesibilmete iù elevato co eutroi veloci. Metre ei reattori termici ad acqua leggera si utilizza u combustibile leggermete arricchito i 235 U (3-4%), i quelli veloci la ercetuale il combustibile deve essere arricchito i arteza a ercetuali iù elevate (15-20%). Il reattore è ifatti rivo di moderatore, tuttavia la reseza del fluido di raffreddameto (gas o metalli liquidi) richiede ua maggiore roduzioe di eutroi, risetto ai reattori termici; da qui la ecessità di aumetare l arricchimeto. I reattori veloci resetao maggiori roblemi dal uto di vista della sicurezza dell'imiato e del cotrollo del materiale fissile resete. I liea di riciio, si uò sfruttare l uraio fio al comleto esaurimeto dell' 238 U, metre ei reattori termici il limite è osto dall esaurimeto del solo 235 U. 15

16 I reattori veloci Attualmete iù dei 2/3 delle cetrali elettroucleari esisteti hao fattori di carico sueriori al 75% (el 90 la media era del 39%). La situazioe è molto diversa er le cetrali co reattori veloci. Le le ricerche soo iiziate egli ai 50 ma ell'ultimo eriodo quasi tutti i Paesi hao soseso il rogramma di sviluo. I Fracia, i collaborazioe co Italia e Germaia, imiato rototio di taglia commerciale da 1200 MWe, deomiato Suerheix. Il reattore utilizza u combustibile costituito da ossidi misti di uraio e lutoio, co arricchimeto medio ari al 15% i 239 Pu equivalete ed e' raffreddato al sodio La cetrale è etrata i servizio el 1987 ma ha oerato solo er eriodi di temo limitati, a causa di icideti miori che hao richiesto u temo lugo er la rimessa i servizio. Il suo utilizzo è stato soseso er timori i ordie alla sicurezza. 16

17 Schema di ua cetrale co reattore veloce 17