Energia Nucleare Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Attilio Citterio

Impianti Nucleari di Potenza nel Mondo

Attilio Citterio

Energia Nucleare: Fusione e Fissione

Fusione

• Quando i nuclei di due atomi leggeri si avvicinano, la repulsione elettrostatica (dovuta ai protoni carichi positivamente) aumenta. Se si fornisce abbastanza energia di attivazione da superare le forze repulsive, i due nuclei instabili fondono assieme in un nucleo stabile più grande, rilasciando l’eccesso di energia di legame nel processo.

• Esempi sono le reazioni nel Sole e nelle bombe termonucleari (all’idrogeno).

Fissione

• In natura, alcuni nuclei sono instabili rispetto alla decomposizione in frammenti di nuclei più piccoli (radioattività naturale), altri nuclei si sono dimostrati instabili dopo sintesi (radioattività artificiale).

• Esempi sono la decomposizione radioattiva del Radio e dell’Uranio (naturali) e del Plutonio (artificiale) e nelle bombe nucleari (U-235).

Attilio Citterio

4 Stabilità dei Nuclei

Fusione

Fissione

1.0

10

40 80 120 160 200 240

Ener

gia

di le

gam

e pe

r nuc

leon

e M

eV .

mol

-1

Numero di massa

2.0

3.0 4.0 5.0

6.0

7.0

8.0 9.0

20 16 12 8 4

Cambio di scala

2010 Ne

16 8 O

12 6 C

42 He

Nuclei più stabili

Attilio Citterio

Reazioni Nucleari: Fusione vs. Fissione

• Fusione:

(∆E = 3×1011 BTU·kg-1 deuterio = 3.3×1014 J·kg-1 di deuterio)

• Fissione: (∆E = 8×1010 BTU·kg-1 U-235 = 8.3×1013 J·kg-1 U-235)

• Carbone (da notare!) (∆E = 3.3×104 BTU·kg-1 carbone = 3.5×107 J·kg-1 carbone)

2 3 4 11 1 2 0H H He 17.6 MeV/nucleon+ → + +

235 1 144 89 1 -1192 0 56 36 0U Ba Kr + 3 202 MeV/nucleo = 3.24 10 J/nucleo+ → + + ×n n

2 2C O CO 15000 BTU/lb di carbone+ → +

Attilio Citterio

Reazioni di Fusione

•

•

2 3 4 1 61 1 2 0H H He 17.6 MeV (331 MJ/g) a 45 10 °Cn+ → + + ×

2 2 3 1 61 1 2 0H H He 3.3 MeV (79 MJ/g) a 400 10 °Cn+ → + + ×

Energia

Neutrone

Nucleo di Elio-4

Nucleo di Elio-3

Neutrone

Energia

Nucleo di Deuterio (idrogeno-2)

Nucleo di Deuterio (idrogeno-2)

Nucleo di Deuterio (idrogeno-2)

Nucleo di Trizio (idrogeno-3)

Neutrone Protone

Attilio Citterio

Innesco e Sfide

• Il processo si attiva se temperatura e densità delle particelle del plasma salgono a valori abbastanza alti e per abbastanza tempo, in modo che la velocità di produzione di energia superi quella usata per sostenerlo.

Sfide • Innesco

Bisogna raggiungere temperature molto alte per superare le forze repulsive dei nuclei carichi positivamente.

• Confinamento Bisogna raggiungere pressioni molto alte per aumentare la

probabilità di collisioni e per tempi abbastanza lunghi per produrre energia superiore a

quella richiesta per scaldare e comprimere (reazione sostenuta) • Nessun contenitore solido • Confinamento magnetico • Confinamento inerziale (laser)

Attilio Citterio

Confusione fredda1

• Nel marzo 1989 due professori dell’Università di Utah (Pon & Fleishman) annunciarono che avevano effettuato lo fusione in un recipiente (fusione fredda).

• Nessuno ha mai potuto verificare i loro risultati.

1 Per dettagli sulla notizia, si veda “The Utah Fusion Circus”, the New York Times. Editorial, April 30, 1989.

Attilio Citterio

Armi Nucleari

Reazioni controllate Reazioni incontrollate (a catena)

Massa critica (circa una palla da baseball)

Bombe US Manhattan Project, Chicago, 1942

Little Boy, Hiroshima (13 kilotons TNT), 1945

Fat man, Nagasaki (22 kilotons TNT), 1945

TNT tri-nitro-toluene=4.3×109 joules La bomba che è stata usata nel

World Trade Center in New York era di circa 1 ton di TNT

Attilio Citterio

Bomba Atomica e Processi Nucleari a Catena

Si ottiene quando si producono più neutroni di quelli decomposti o non intercettati. Si innesca una reazione a catena.

La massa critica del materiale fissile per auto-sostenere il processo è di 5-15 Kg per il Plutonio. Altri materiali fissili usati come combustibili negli impianti nucleari sono l’U-235 e l’U-233.

Attilio Citterio

Bomba all’Idrogeno

• Isotopi dell’idrogeno e deuterio sono fusi per produrre elio

• Nessun limite alla potenza esplosiva Se ne è testata una con un potere esplosivo di 68,000,000 ton di

TNT

• Le conseguenze sono orribilmente non chiare Inverno Nucleare, Fame mondiale

Attilio Citterio

Conseguenze di una Guerra Nucleare…

• Effetti di Shock • Effetti Termici • Effetti di Radiazioni

1-Megatone (Distanza dell’esplosione dal Punto d’impatto)

• 1.61 Km (1 miglio) Sovra-pressione: 43 psi Venti: 1700 mph Molti uomini uccisi

• 3.22 km Sovra-pressione: : 17 psi Venti: : 400 mph uomini destinati a morire; emorragie ai polmoni; rottura vene; macchinari molto danneggiati.

• 8 km Sovra—pressione: 4psi Venti: s: 130 mph Ossa fratturate; Tutte le piante abbattuta, Costruzioni abbattute

• 32 km Sovra-pressione: sotto 1 psi Venti: : sotto 35 mph Molte finestre spezzate,

Attilio Citterio

Radioattività Naturale ed Artificiale

• Principi • Tipologie di decadimento • Stabilità nucleare • Cinetica di decadimento • Serie Radioattive

Attilio Citterio

14 Cosa Provoca il Decadimento Atomico

Alcuni atomi sono meno stabili di altri (vedi nucleogenesi) e, dato il tempo intercorso, quelli a vita media < 108 anni hanno ormai formato nuclei stabili).

Un isotopo radioattivo decade formando altri nuclei fino a raggiungerne uno più stabile.

Decade (decadimenti naturali) eliminando: - massa (particelle alfa) - carica (particelle beta) - energia (raggi gamma)

Esistono altri tipi di decadimenti ma non si verificano in natura sulla terra.

Attilio Citterio

15 Radioattività

Il processo per cui degli atomi instabili emettono particelle ad alta energia (o raggi) spontaneamente dai loro nuclei. Osservata per la prima volta da Becquerel nel 1896.

Elementi radioattivi

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Ga Ge As Se Br Kr Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

Rb Sr In Sn Sb Te I Xe Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd

Cs Ba Tl Pb Bi Po At Rn La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg

Fr Ra Ho Er Tm Yb Lu

Ac Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy

Es Fm Md No Lr Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Elementi artificiali

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16 Radioattività

Principali tipi di radioattività: • emissioni alfa • emissioni beta • emissioni gamma • emissione di positroni • cattura elettronica (assorbimento e- interno da parte di nuclei)

+

- α, γ β −

β +

Sorgente radioattiva

Campo elettrico

( )42 He α( )0 1e β − −

( )00 γ γ

( )0 1e β + +

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17

Particelle α non penetranti ma dannose (v >0,1 c)

Z, A

Z-2, A-4

Z, A

Z ± 1, A

Particelle βˉ (Elettroni) o particelle β+ (Positroni) moderatamente penetranti (v < 0,9 c)

(Z, A)* γ Radiazioni γ (Fotoni) molto penetranti (v = c)

Z, A

Confronto tra Decadimenti Radioattivi

Nuclide genitore

Nuclide figlio

Attilio Citterio

Decadimento Nucleare

Perché i nuclidi decadono… – Hanno bisogno di un rapporto stabile tra neutroni e protoni

18

3 3 01 2 1−→ +H He e

22 22 011 10 1+→ +Na Ne e

Protoni (Z)

Nitr

oni (

A-Z)

0 20 40 60 80 100 120 0

20

40

60

80

100

120

β α

cattura eˉ o

emissione e+

Nuclei stabili

106 0 10647 1 46++ →Ag e Pd

235 231 492 90 2→ +U Th He

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19

N

Z (P)

Fascia dei Nuclei stabili

N/P = 1:1 (A/Z = 2)

100 50 0

50

100

Andamento della Stabilità Nucleare

20280 (N/P = Hg 1.53)

11048 (N/P = Cd 1.29)

63 (N/P = Li 1.29)

Attilio Citterio

20 Andamento della Stabilità Nucleare (2)

145Gd Instabile 146Gd 1-10 giorni 149Gd 10-100 giorni 153Gd 100 giorni – 10anni 148Gd 10-10,000 anni 150Gd >10,000 anni 152Gd Naturale radioattivo 158Gd Stabile

p → 1 2

n ↓ H He 3 4 0 1H 2He Li Be 1 2D 3He 4Li 5Be 2 3T 4He 5Li 6Be 3 4H 5He 6Li 7Be 4 5H 6He 7Li 8Be 5 6H 7He 8Li 9Be 6 7H 8He 9Li 10Be

7 9He 10Li 11Be 8 10He 11Li 12Be

Attilio Citterio

21 Andamento della Stabilità Nucleare (3)

Z = 60

A = 150

Z = 70

A = 140

Stabile

Emiss. α

Emiss. β+

Emiss. β−

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Andamento della Stabilità Nucleare (2)

22

http://www.phy.ornl.gov/hribf/science/abc/

Oro

Bario

Nichel

Ossigeno

Decadimento radioattivo dei nuclei (perdita di energia) verso

la valle degli isotopi stabili

Erbio

Piombo

Stagno

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23 Radioattività Naturale ed Artificiale

Radioattività Naturale Isotopi esistenti sulla terra a seguito della modalità di formazione

del nostro pianeta. Uranio

Prodotti dai raggi cosmici provenienti dal sole. Carbonio-14 Radioattività Artificiale

Ottenuti in reazioni nucleari per fissione o fusione di nuclei. Plutonio

Prodotti usando ciclotroni, acceleratori lineari, ecc..

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24 Esempi di Tempi di Dimezzamento

Isotopo Tempo di dimez. Usi principali

Carbonio-14 5730 anni Datazione di oggetti

Cobalto-60 5.271 anni Trattamento del cancro

Ferro-59 44.496 giorni Tracciante, vita media globuli rossi

Idrogeno-3 12.26 anni Tracciante biochimico

Iodio-131 8.040 giorni Tracciante, funzionalità tiroide

Potassio-40 1.25·109 anni Datazione delle rocce

Sodio-24 14.659 ore Tracciante, sistema cardiovascolare

Uranio-238 4.51·109 anni Datazione delle rocce

Uranio-235 700·106 anni

Plutonio-239 24,000 anni

Attilio Citterio

25 Cinetica di Decadimento e t1/2

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

ln N N o

= - k t

Tempo (anni)

N0

1/2 N0

t1/2

N

t1/2 = tempo di dimezzamento o di semi trasformazione.

Legge cinetica di decadimento esponenziale

Attilio Citterio

Impianto Nucleare (estrazione di energia mediante turbina a vapore)

STRUTTURA DI CONTENIMENTO

Barre di Controllo

Pompa

Acqua

Acqua di raffreddamento

Torri di raffreddamento

Linea del vapore

Pompa

Generatore

Linea alta tensione

Turbina

Condensatore

Generatore vapore

Attilio Citterio

Come Funziona un Reattore Nucleare

• L’235U si scinde assorbendo un neutrone e producendo 2 - 3 neutroni, che iniziano in media un'ulteriore fissione producendo una reazione a catena controllata

• Si usa l’acqua normale come moderatore per rallentare i neutroni in quanto neutroni lenti impiegano più tempo ad attraversare i nuclei di U e hanno più tempo per essere assorbiti

• I protoni nell’idrogeno dell’acqua hanno la stessa massa del neutrone e li intercettano con effetto palla da biliardo

• Gli extra neutroni sono catturati dai protoni per formare deuteroni • 235U è arricchito dal suo valore naturale dello 0.7% a circa il 3% per

innescare la reazione, ed è contenuto in barre immerse nell’acqua • Delle barre di controllo di Boro sono inserite per assorbire I neutroni

quando è il momento di fermare il reattore • L’acqua riscaldata viene fatta bollire o la si invia in uno scambiatore di

calore per produrre vapore. Il vapore quindi attiva le turbine.

Attilio Citterio

Fissione Nucleare da Neutroni Lenti e Acqua come Moderatore

NUCLEI MODERATORE

MODERATORE MODERATORE

NEUTRONE LENTO

(TERMICO)

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE LENTO

NEUTRONE LENTO

NEUTRONE LENTO

NEUTRONE LENTO NUCLEO Di URANIO-235

FISSIONE CONTINUA DELL’URANIO-235

92

143

92

143 92

143

92

143

92

143

92

143

92

143

Attilio Citterio

Interno di un Reattore Nucleare

• Camicia per il vapore

• Barre di combustibile

• Barre di Controllo

Attilio Citterio

Produzione di Plutonio (Pu) in Reattori Nucleari

• Il 239Pu si produce nei reattori nucleari per assorbimento di un neutrone sul nucleo di 238U, seguito da due decadimenti beta

• Il 239Pu si fissiona anch’esso assorbendo un neutrone termico, e in media produce 1/3 dell’energia in un ciclo combustibile.

• Il 239Pu è relativamente stabile, con una vita media di 24 mila anni. • Si usa in armi nucleari • Si può coltivare per reattori nucleari

n 23892 U

23992 U

23993 Np

23994 Pu

1/ 2 23.5mint =

1/ 2 2.35 dayst =

41/ 2 2.44 10 yrst = ×

Conversione di 238U in 239Pu

β e‾

β e‾

Attilio Citterio

Problemi Nucleari e Soluzioni

Three Mile Island 1979 50% del nucleo fuse, le valvole d’arresto senza indicatore

rilasciarono acqua, ma il recipiente di contenimento tenne Aggiunti più sensori, migliorata la comunicazione con gli esperti a

Washington, non spegnere mai il raffreddamento d’emergenza. In US si sono avuti 30 anni di conduzione sicura dopo l’incidente

Chernobyl 1986 La stupidità umana chiuse il sistema di raffreddamento Una modesta progettazione del raffreddamento ad acqua del

reattore consentì ad una sacca instabile d’acqua di esplodere La grafite prese fuoco La tipologia d’impianto non è usata in altri paesi

Fukushima 2011 Dopa un tremendo tsunami l’impianto fu severamente

danneggiato Due reattori esplosero Estesa contaminazione

Attilio Citterio

Reattore Veloce a Metallo Liquido

• Usa i neutroni veloci dalla fissione dell’235U sull’intorno di 238U per produrre 239Pu

• In 10-20 anni, si produce abbastanza Pu da alimentare un altro reattore

• Non serve alcun moderatore

• Non si usa acqua, si deve usare sodio liquido come refrigerante

• U deve essere arricchito al 15%-30% per produrre energia con i neutroni veloci mentre genera il Pu

• Si ottiene però un grado di arricchimento da arma nucleare

• Il Super-Phoenix in Francia ha operato per 20 anni

Attilio Citterio

Soluzioni Proposte per Impianti Nucleari?

Richard Garwin , MIT e industrie del settore propongono: Se in 50 anni si è utilizzata il doppio di energia, la metà deriva da impianti nucleari Servirebbero 4,000 reattori nucleari, usando circa un milione di tonnellate di Uranio all’anno Impiegando le miniere della crosta terreste, se ne avrebbe per almeno 300 anni Reattori autofertilizzanti formando Plutonio potrebbero estendere il rifornimento a 200,000 anni Fonte non inquinante, che non produce CO2 Richiede ingegneri nucleari e siti meglio gestiti Studio del riprossessamento del combustibile, smaltimento scorie, e progettazione più sicura. I reattori nucleari devono operare giorno e notte, ma l’uso di energia è inferiore di notte, si potrebbe utilizzarli per caricare delle auto elettriche. Finché non si disporrà dell’economia dell’idrogeno, si possono solo impiegare per il 40% di generazione usata alla notte, dall’attuale 20%.

Attilio Citterio

Reattori a Fusione

La fusione è più facile per gli atomi di Deuterio (D) + Trizio(T): D(p,n) + T(p,nn) → 4He(pp,nn) + n in un plasma ad alta temperatura. Il trizio è ripristinato dalla copertura di Li attorno al reattore n + 6Li → 4He + T Reattori a Fusione International ITER nel 2012 per ricerche per un decennio al costo di 5

miliardi di $ Stallo corrente sui siti in Francia o Giappone Seguito da DEMO per un impianto funzionante, richiesti altri 10 anni. Progettazione e termine dell’impianto commerciale non prima 2050. Le disponibilità di Litio dovrebbero bastare per poche centinaia di

anni in US. Rimarrebbe comunque il problema dello smaltimento dei rifiuti

radioattivi.