Il ruolo della Chimica Nucleare e della Radiochimica nello sviluppo dell energia nucleare

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1 Workshop SIRR Energia e radiazioni: quali prospettive dalla ricerca? Napoli, 9 novembre 2009 Il ruolo della Chimica Nucleare e della Radiochimica nello sviluppo dell energia nucleare E. Rizzio a, M.Bonardi b, F. Groppi b, E.Sabbioni c a: eni S.p.A. Div. E&P RADI (Unità di Radioprotezione), S. Donato Milanese (MI) b: Università di Milano e INFN Sezione di Milano c: CeSI, Fondazione Università G.d Annunzio, Chieti 1

2 Chimica Nucleare e Radiochimica Svolgono un ruolo fondamentale in tutte le fasi del ciclo di sviluppo e del processo di produzione sostenibile dell energia nucleare oltre che nello sviluppo di nuove soluzioni tecnologiche 2

3 Fasi del ciclo di sviluppo e del processo di produzione: 1. Analisi dell impatto ambientale e sanitario prima dell insediamento dell impianto nucleare 2. Produzione del combustibile fissile 3. Funzionamento dell impianto nucleare 4. Stoccaggio e gestione dei rifiuti radioattivi 5. smantellamento dell impianto nucleare 3

4 Fase 1 Valutazione dell impatto ambientale (VIA)/sanitario prima dell insediamento dell impianto nucleare (valori basali di riferimento): Sviluppo di modelli ambientali basati su dati sperimentali: Contenuto di elementi in tracce Misura di radionuclidi naturali e/o artificiali in suolo, aria, acqua e biomarcatori Misura di elementi in tracce/radionuclidi naturali in fluidi biologici (sangue, urine), indicatori di esposizione (capelli) e tessuti autoptici della popolazione generale 4

5 5

6 Prompt γ ray β Particle Radioactive nucleus Target Nucleus Incident neutron Product Nucleus Compound Nucleus Delayed γ ray 6

7 Analisi per Radioattivazione Neutronica nello sviluppo dell energia nucleare Carattere multielementare Elevata sensibilità per molti elementi Elevata accuratezza e precisione Minimo effetto matrice ed interferenze Non necessità di correzioni in bianco Ideale per analisi multielementari di matrici ambientali e biologiche! 7

8 Il carattere multielementare della NAA: esempio di analisi di sangue umano E. Sabbioni et al, Sci Total Environ. 120 (1992)

9 Elemental concentration ranges in urban air particulate matter Winter Previous samplings (Winters ) Element Milan Cologno M.se Ispra Milan Cologno M. Ispra mean mean mean median median median Ag 0.91± ± ± As 2.3± ± ± Au 0.15± ± ± Ba 103±20 72± ± Br 250±65 266±45 11± Cd 3.4± ± ± Ce 3.2± ± ± Cl 2852± ± ± Co 2.5± ± ± Cr 38.6± ± ± Cs 0.22± ± ± Cu 185±30 174± ± Fe 5800± ± ± Hf 0.88± ± ± Hg 1.9± ± ± K 1217± ± ± I 12.8± ± ± La 1.4± ± ± Mg 2793± ± ± Mn 98±25 109±25 14± Mo 9.8± ± ± Ni 25.1± ± ± Pb 475± ±253 98± Rb 5.2± ± ± Sb 68.3± ±12 4.5± Se 1.8± ± ± Sc 0.40± ± ± Sm 0.21± ± ± Th 0.50± ± ± Ti 147±67 190±39 19± V 13.9± ± ± Zn 392± ± ± W 2.3± ± M.Gallorini, P.A.Borroni, M.Bonardi, A.Rolla.J. Radioanal. Nucl. Chem., Vol 235, n.1, pp ,(1998) Gallorini, E.Rizzio FEB Fresenius Envir. Bull., 7, pp.7-19, (1998) 9

10 Misure radiometriche in campo 10

11 Preparazione e analisi dei campioni c o u n t s Energy (kev) 11

12 Fase 2 Produzione di combustibile fissile Estrazione dell uranio dal minerale Processo di arricchimento dell uranio Produzione delle barre di combustibile 12

13 Ricerca uranifera 13

14 Estrazione e trattamento del minerale uranifero 14

15 Composizione isotopica dell uranio naturale Fissionabile: Bombardato con neutroni veloci fertile fissile Fissile 15

16 Estrazione dell uranio dal minerale (Pecblenda) + HNO 3 UO 2 (NO 3 ) 2 + ( MeNO 3 ) NH 3 (H 2 O) (H 2 ) 2UO 2 (NO 3 ) 2 (NH 4 ) 2 U 2 O UO 7 2 C 2 Cl 4 F 2 UO 2 UF 4 ClF 3 UF 4 UF 6 16

17 Arricchimento dell uranio (UF 6 ) Diffusione 17

18 Batterie di centrifughe utilizzate per l arricchimento dell uranio 18

19 Dal pellet al vessel 19

20 Fase 3 Funzionamento dell impianto nucleare Controlli e verifiche di possibili fughe di elementi radioattivi dall impianto verso l esterno Controlli di possibili contaminazioni ambientali 20

21 Controlli routinari indoor e outdoor Reattore TRIGA MARKII Università di Pavia 21

22 Controlli ambientali 22

23 Fase 4 Stoccaggio e gestione dei rifiuti radioattivi Stoccaggio ad interim Transmutation and Partitioning (trattamento delle barre di combustibile esausto per la separazione e concentrazione di materiale fissile recuperabile) 23

24 Composizione del combustibile irraggiato 24

25 Conservazione ad interim 25

26 Riciclo del plutonio: Mixed OXside Esempio: in un reattore PWR il combustibile è costituito da uranio arricchito al 4 %, al termine del suo utilizzo contiene circa 1% di plutonio di cui il 65% è fissile ( 239 Pu e 241 Pu) 8% Pu + 92% 238 U = Uranio arricchito al 4% 26

27 Riprocessamento (1) 27

28 Riprocessamento (2) 28

29 Separazione di U, Pu e prodotti di fissione (P F ) 29

30 Outline of the purification of 239 Np from neutron irradiated 238 UO 2 Edel et al, J. Trace Microprobe Techniques,11(1993)

31 Fase 5 Smantellamento dell impianto nucleare Smaltimento in sicurezza dei componenti dell impianto Controllo della radioattività sulle componenti ambientali esterne Supporto ai controlli radioprotezionistici 31

32 Produzione di of radiotraccianti ad elevata radioattività specifica al ciclotrone del CCR Ispra 32

33 Esempi di radioisotopi ad elevata radioattività specifica Prodotti al ciclotrone Prodotti al reattore nucleare 107-Ag(I) 74-As(III,V,org) 199-Au(III) 7-Be(II) 206-Bi(III) 109-Cd(II) 144-Ce(IV) 58-Co(II) 51-Cr(III,VI) 64-Cu(II) 137-Cs(I) 67-Ga(III) 69-Ge(IV) 197-Hg(0,II) 140-La(III) 57-Ni(II) 99-Mo(VI) 203-Pb(II) 103-Pd(II) 191-Pt(IV) 101-Rh(III) 125-Sb(III,V) 75-Se(IV,VI) 124-Te(VI) 44-Ti(IV) 201,202-Tl(I,III,org) 48-V(III,IV,V) 187-W(VI) 33

34 Radiotraccianti ad elevata radioattività specifica Indispensabili per la standardizzazione e lo sviluppo delle separazioni radiochimiche nell analisi per radioattivazione radiochimica (RSNAA) (es. precisa determinazione delle rese durante l isolamento dei radionuclidi indotti) 34

35 L insostituibile ruolo della Chimica Nucleare e della Radiochimica nello sviluppo sostenibile dell energia nucleare Fasi del ciclo di sviluppo e del processo di produzione: 1. Analisi dell impatto ambientale e sanitario prima dell insediamento dell impianto nucleare 2. Produzione del combustibile fissile 3. Funzionamento dell impianto nucleare 4. Stoccaggio e gestione dei rifiuti radioattivi 5. Smantellamento dell impianto nucleare Analisi per radioattivazione neutronica (NAA) Strumentale (INAA) Radiochimica (RSNAA) Radiotraccianti ad elevata radioattività specifica Tecniche radioprotezionistiche (spettrometria beta/gamma) 35

36 Grazie per l attenzione! 36