fisica degli eventi rari e l'incidente di fukushima
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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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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 210Pb con 1/2 =20.3 anni)
Spettroscopia gamma => rivelatore al germanio Radioattivita’ => naturale e/o androgena- Rivelatori di alta sensibilita’ per rivelare contaminazioni minime
Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima
2
Bequerel, Pierre e Marie CurieScoperta della radioattivita’
3
477.6keV:7Be
661.6keV:137Cs
1460.8keV:40KRadionuclide cosmogenico
Radionuclide di origine antropica(Chernobyl)
Radionuclide fossile
Famiglia 238U
352kev
609.4keV
1120.4keV1764keV
Famiglia 232Th
911keV
583keV
238.6keV
2614keV
477.6keV:7Be
661.6keV:137Cs
1460.8keV:40KRadionuclide cosmogenico
Radionuclide di origine antropica(Chernobyl)
Radionuclide fossile
Famiglia 238U
352kev
609.4keV
1120.4keV 1764keV
Famiglia 232Th
911keV
583keV
238.6keV
3
2614keV
22111326
440
Gli spettri in natura
4
Il piombo romano
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Energia di legame dei nuclei Eb = Wb /A => Fissione e fusione
volte
6
Con neutroni termici (~0.025 eV) o velociReazione a catena piu’ comunentermico+ 235U => X + Y + 2.47 nveloci
= > rallentati con moderatore (grafite H2O , D2O ecc.)
X e Y sono ricchi di neutroni e decadono
6
Nucleo Energia di legame
Energia di attivazione
s (barn)
232Th 4.8 6.7 < 10-6233U * 6.8 5.85 531.8235U 6.5 5.9 579238U 4.8 5.8 2.7 x 10-6239Pu 6.5 6.3 742
La fissione nucleare
* n + 232Th => 233Th -b => 233Pa-b=> 233U
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Energia dei neutroniReazione a catena
Purtroppo prime bombe al 239Pu (Alamagordo, Nagagashi) e all’ 235U (Hiroshima)
8
89Se => 89Br => 89Kr => 89Rb => 89Sr => 50.5 giorni in 89Y90Br => 90Kr => 90Rb => 90Sr => 29.1 anni in 90Y =>2.67 g in 90Zr131 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 Ba137 Te => 137 I => 137 Xe => 137 Cs => 30.17 a in 137 Ba
8
Le scorie
99
Reattori con neutroni termici
A grafite, acqua leggera e pesanteper produzione di isotopi radioattivi,di ricerca , di analisi, di potenza
Il primo reattore (200 watt)
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Fattore k
AL1
1 AF m
LAmxF
L A P k
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Tipo Combustibile Moderatore Refrigerante EsempiPWR U arr o U+Pu Acqua Acqua T, Fukushima,Three mil IslBWR U o U+Pu Acqua Acqua CaorsoA gas moderato aGrafite NUGCR
U naturale Grafite CO2
PHWR U naturale D2O D2OBreeder FBR U nat e Pu no Sodio oPbVVER (PWR) U arr, 2% Grafite Acqua Trino Vercellese
1212
Il reattore LENA di Pavia
1313
1414
I reattori piu’ comuni con 235U: Caorso. Mio turbinoso passato!=>oscillazioni del neutrinoA grafite =>ChernobylAd acqua leggera => bollente (BWR) Fukushima => a pressione (PWR) Three Mile IslandAd 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 noccioloEmissione molto limitata di radiazione Lavoratori 30-40 mSv33 Sv x uomo su 2 milioni di abitanti Altre conseguenze
I reattori di potenza’
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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
1616
Arricchimento Metodi: calotron,diffusione, centrifughe, ecc. Varie percentuali di 235U: Uranio naturale => 0.7%Uranio per reattori di potenza=>3-5%Piccoli reattori => ~20 %Bombe => ~90 %
Effetti della radiazioneSievert (Sv) => joule/kgxQ
Esposizione media => alcuni mSv/annoDose popolazione => < 1 mSv/anno professionisti < 20 mSvb/annoDose mortale (50% in 30 giorni) => 2.5-4.5 SvMorte addizionle per tumore => 25 Sv/milione
Dosi “spesso non considerate” Radioterapia e radiodiagnostica (1/5 , 1/3 , 1/20)210Pb e 210Po dei fumatori -> ~1/3 in piu’
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RBMK acqua bollente inizialmente progettati per scopo militareGrafite funzionante come moderatore ( 0 12 m e h = 0 7 m)Potenza termica => 3200 Mwatt => elettrica 1000 Mwat
L’ EVENTO CHERNOBYL
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Cosa e’ successo
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1.00 del 25.4.1986 Si riduce la potenza per pertarla da 3200 a 700-800 Mwatt13.05 potenza a 1600 Mwatt . Si disinserisce uno dei turboalternatori14.00 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’ esperimento23.00 si inizia la riduzione di potenza23.10 potenza previstoa per l’esperimento 700-1000 Mwatt Il reattore crolla a 30 Mwatt1.00 del 26.4.86 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 controllo1.22 ' 30 '' Il computer segnala la necessita’ di spegnere Gli operatori non obbediscono1.23 ' 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. 1.23 ' 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
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Sarcofago
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2020
21
Pomeriggio 30 aprile 1986
21
22
26.6.1986
22
23
2-3 maggio 1986
23
2424
2525
2626
27
Misura al Gran Sasso
27
2828
2929
Misure oggi
3030
A (Larix) in the Minoprio park
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The corresponding 137Cs activity as a function of the year
Larice Minoprio
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Valore medio campione integrale di 5 anelli
Atti
vità
(Bq/
Kg)
31
32
Rozites Caperata
32
33
Perdita del 137Cs da una fonderia Spagnola 1998)
33
Starting date of measurement
m3 per hour Contamination ( Bq/m3)
15.5.98 504 ±5 30 ± 4
15.6.98 9 ±1 1.0 ± .2
4.7.98 11 ±1 1.3 ± .2
20.7.98 13 ±1.5 1.6 ± .3
3.8.98 11.4 ± 15 .6 ± .1
27.10.98 15 ± 2 .5 ± .1
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137Cs in mushrooms 134Cs(Bq/Kg)
Cantharellus cibarius
36,6 0,08 85,59 0,08
Boletus edulis
484,22 1,19 784,36 1,09
Trichloma terreum
448,55 1,24 294,91 1,01
Rozites Caperata 13133,11 33,62 1098,78 29,69
CAMPI ONI137Cs (Bq/Kg)
40K (Bq/Kg)
TF
34
35
Misure sul vino in Francia
35
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Activity of 137Cs in Bordeaux wine
36
37
L’ incidente spagnolo del giugno 1998
37
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Fukushima Alle 14,46 ora locale, 6,46 ora italiana, dell’ 11 marzo 2011 Terremoto magnitudine 8.9 55 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
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15 aprile 2011
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Marzo 15-18 Nessuna attivita’ salvo 137Cs (~0.5/m3 ) Chernobyl=> Marzo 24-28 131I, 134Cs and 137C=>Gennaio – Marzo 28 (5 filtri)
Misure a Milano-Bicocca
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Prima misura
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KEK,Milano,Seattle Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 131I Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2
15-16.3 32-20 x 106 24.3 3 17-18.3 3200018.3 0.5x 106 25.3 110
20.3 23x 106 26.3 150
22.3 9.6x 106 29.3 400
23.3 1.9x 106 30.3 14024-25.3 .7x 106 31.3 4
1.4 .1x 106 1.4 332.4 233.4 194.4 4
5.4 29
8.4 4
11.4 6
13.4
45
Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 134Cs Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2
15-16.3 .67 x 106 26.3 3
18.3 0.001x 106 28.3 8020.3 7.3x 106 31.3 222.3 .12x 106 1.4 12
23.3 .1x 106 2.4 111.4 .2x 106 3.4 20
. 5.4 26.4 117.4 88.4 4
5.4 29
8.4 2
10.4 1
11.4 4
46
Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 137Cs Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2
15-16.3 .7 x 106 26.3 8
20.3 7x 106 28.3 9222.3 .1x 106 31.3 728.3 .2x 106 1.4 1330.3 .1x 106 2.4 10
3.4 38
. 6.4 117.4 1011.4 412.4 3
13.4 4
8.4 2
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Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte
Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2
134Cs 15-16.3 .67 x 106 26.3 3
18.3 0.001x 106 28.3 8020.3 7.3x 106 31.3 222.3 .12x 106 1.4 12
23.3 .1x 106 2.4 111.4 .2x 106 3.4 20
. 5.4 26.4 117.4 88.4 4
5.4 29
8.4 2
10.4 1
11.4 4
12.4 1
Stato attuale
→ Summary of Reactor Status: Unit 1, 11 May 2011→ Summary of Reactor Status: Unit 2, 11 May 2011 → Summary of Reactor Status: Unit 3, 11 May 2011
Overall, the situation at the Fukushima Daiichi nuclear power plant remains very serious.
Emergency at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant
=>Reduce radiation levels in the reactor building by installing a filtered air circulation system (completed), remove rubble, decontaminate and install shielding; =>Recalibrate existing reactor pressure vessel water level and pressure instruments and install additional reactor pressure vessel water level gauges to improve monitoring of conditions inside the reactor pressure vessel; =>Install primary and secondary closed-loop cooling systems; Flood the containment to provide a water supply for the primary system. Fresh water is being injected as necessary into the spent fuel pools of Units 1 - 4.
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Cosa fare?
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Europa149 reattori => 134 TW => 30% potenza elettrica26 entro 200 km dai confini
Parlarne di meno => saperne di piu’
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I reattori di potenza oggi
La potenza elettronucleare installata prima di Chernobyl (1986) => 249.001 MweIl 08.02.2008 => 370.120 Mwe ( 48.6% di aumento!)
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Un reattore tipico
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nvel+ 238U => 239U + =>239U- =>239Np=>239Np –=>239 Pu =>fissile =750 b 23.47m 2.355d 24000a
Producono nuovi materiali fissili durante il funzionamentoNiente moderatore Reattivita’ iniziale Con una miscela di 235U arricchito e 338U Fluidi termovettori con scarsa moderazione (Sodio, piombo fuso, piombo-bismuto,gas)=> In caso di sodio liquido circuito primario e secondario gas : elio, CO2
Nocciolo parte interna fissile PuO2 e fertile UO2 esterna fertile UO2
Reattori con neutroni veloci
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Advanced Cardu Reactor (ACR)
Evoluzione dei reattori
Advanced Candu Reactor (ACR)
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Reattori di terza generazioneProtezione 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 noccioloImpianto ambientale minimo-Minore zona di evacuazione)Gia approvati ed ordinabiliCinque esemplari : Advanced Boiling Water Reactor (Giappone,Corea)Generazione III+ ordinabili < 2015
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Reattori di quarta generazione
57
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IRIS con partecipazione italianaPWRIntegratopotenza 335 Mwatt
5959
A vita media breve
Prodotti di fissione nel combustibile esaurito a bassa vita media 131I , 140Ba nei primi mesi, 141Ce,96Zr,96Nb e 89Sr nei primi anni, poi 144Ce, 144Pr, 106Ru, 106Rh e 147Pm. , 141Ce poi 137Cs, e 89Sr . La diffusione e’ diversa. 134Cs da attivazione neutronica del 133Cs (100% a.i.)
A vita media intermedia
Attinidi (Z 89-103) 239Pu, 240Pu, 241Am, 243Am, 245Cm, 246Cm => fissionabili
A vita media lunga
Pool and dry waste
Estrazione chimica separata di Plutonio ed Uranio
Scorie
6060
Prodotti di fissione a vita media breve
Prop:Unit:
½ a Yield % Q *KeV Decad.
155Eu 4.76 .0803 252 βγ85Kr 10.76 .2180 687 βγ
113mCd 14.1 .0008 316 β90Sr 28.9 4.505 2826 β
137Cs 30.23 6.337 1176 βγ121mSn 43.9 .00005 390 βγ151Sm 90 .5314 77 β
6161
Actinides Half-life Fission products
244Cm 241Pu f 250Cf 243Cmf 10–30 y 137Cs 90Sr 85Kr
232U f 238Pu
f is forfissile
69–90 y 151Sm nc➔
4n
249Cf f 242Amf 141–351
No fission producthas half-life 102
to 2×105 years
241Am 251Cf f 431–898
240Pu 229Th 246Cm 243Am 5–7 ky
4n
245Cmf 250Cm 239Pu f 8–24 ky
233U f 230Th 231Pa 32–160
4n+1
234U
4n+3
211–290 99Tc 126Sn 79Se
248Cm 242Pu 340–373 Long-lived fission products
237Np
4n+2
1–2 my 93Zr 135Cs nc➔
236U4n+1
247Cmf 6–23 my 107Pd 129I
244Pu 80 my >7% >5% >1
6262
Prodotti di fissione a vita lunga
Prop:Unit:
t½
MaYield
%Q *KeV
βγ*
99Tc 0.211 6.1385 294 β
126Sn 0.230 0.1084 4050 βγ
79Se 0.327 0.0447 151 β
93Zr 1.53 5.4575 91 βγ
135Cs 2.3 6.9110 269 β
107Pd 6.5 1.2499 33 β
129I 15.7 0.8410 194 βγ
6363
A basso livelloMateriale 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
Molto velenoso. Si accumula nel midolloAllotropi (e.g. carbone e grafite)Nel 1963 “limited test ban treaty”, ma proseguito in Cina e Francia 239Pu e’ fissile 240Pu => elevata fissione spontanea con molti neutroni . => predetonazioneScorie => 239Pu , 239Pu , 239Pu ed altri transuraniciMOX (Mixed OXide)Accumulo => 20 tonnelate per anno dai reattoriImmagazzinato da 500 a 1000 tonnelate
Eliminazione o riduzione delle scorie
. Plutonio
Sette isotopi da 200 000 a 16 Milioni di anni
64
Isotopi del Plutonio
Isotopo Decadimento (a) Isotopo finale238Pu autofissione 87.7 234U+nuclidi
239Pu 24100 235U
240Pu autofissione 8560 236U + nuclidi
241Pu 14.4 241Am. 237U
242Pu autofissione 357000 238U+ nuclidi
244Pu autofissione 8 x 10 7 238U + SFSF