Fissione e fusione :Fissione e fusione :le centrali nuclearile centrali nucleari

Alessia FavroAlessia Favro

Nadia MontersinoNadia Montersino

Scuola di Interateneo Specializzazzione, S.I.S. Scuola di Interateneo Specializzazzione, S.I.S.

Torino - 2005Torino - 2005

Corso di fisica nucleareCorso di fisica nucleare

22

Destinatari: V anno liceo scientifico,indirizzo PNI.Destinatari: V anno liceo scientifico,indirizzo PNI.

Prerequisiti: cinematica, termodinamica e Prerequisiti: cinematica, termodinamica e elettromagnetismo. Fisica nucleare: struttura elettromagnetismo. Fisica nucleare: struttura dell’atomo, nucleoni, numero di massa e numero dell’atomo, nucleoni, numero di massa e numero atomico, forze nucleari, energia di legame e atomico, forze nucleari, energia di legame e radioattività.radioattività.

Obiettivi: fissione e fusione, funzionamento di Obiettivi: fissione e fusione, funzionamento di una centrale nucleare e reattori.una centrale nucleare e reattori.

Unità Unità didatticadidattica

33

SommarioSommario

Parte 1 - Centrali a FissioneParte 1 - Centrali a Fissione Fissione Nucleare: il processo fondamentale.Fissione Nucleare: il processo fondamentale. Funzionamento di una centrale a fissione Funzionamento di una centrale a fissione

nucleare.nucleare. Tipi di centrali a fissione: PWR, BWR, Tipi di centrali a fissione: PWR, BWR,

Autofertilizzanti.Autofertilizzanti.

• Parte 2 - Centrali a FusioneParte 2 - Centrali a Fusione• Fusione Nucleare: il processo fondamentale.Fusione Nucleare: il processo fondamentale.• Reattori a fusione: confinamento magnetico e Reattori a fusione: confinamento magnetico e

confinamento inerziale.confinamento inerziale.

44

La Fissione Nucleare La Fissione Nucleare (1/4)(1/4)

La fissione del nucleo di La fissione del nucleo di 235235U da parte di U da parte di neutroni termici:neutroni termici:

In un caso specifico:In un caso specifico:

I due prodotti di fissione decadono in atomi I due prodotti di fissione decadono in atomi stabili.stabili.

235U n X Y bn

235 140 94 2U n Xe Sr n

55

La Fissione NucleareLa Fissione Nucleare (2/4)(2/4)

66

La Fissione NucleareLa Fissione Nucleare (3/4)(3/4)

L’energia prodotta L’energia prodotta dalla reazione di dalla reazione di fissione:fissione:

AQ= 2(8.5 MeV) - (7.6MeV)A

2200 MeV

77

La Fissione Nucleare La Fissione Nucleare (4/4)(4/4)

88

Nella progettazione di reattori a Nella progettazione di reattori a fissione si incontrano i seguenti fissione si incontrano i seguenti problemi:problemi:

Il problema delle fughe di neutroni.Il problema delle fughe di neutroni.

Il problema dell’energia dei neutroni.Il problema dell’energia dei neutroni.

Il problema della cattura dei neutroni.Il problema della cattura dei neutroni.

Funzionamento di una centrale a Funzionamento di una centrale a

fissionefissione (1/4)(1/4)

99

Funzionamento di una centrale a Funzionamento di una centrale a

fissione fissione (2/4)(2/4) Parti fondamentali Parti fondamentali

di un reattore:di un reattore:

1.1. Contenitore del reattore.Contenitore del reattore.

2.2. Schermo biologico.Schermo biologico.

3.3. Combustibile nucleare. Combustibile nucleare.

4.4. Moderatore.Moderatore.

5.5. Mezzo refrigerante.Mezzo refrigerante.

6.6. Riflettore di neutroni.Riflettore di neutroni.

7.7. Barre di controllo.Barre di controllo.8.8. Barra di sicurezza. Barra di sicurezza. 

1010

Funzionamento di una centrale a Funzionamento di una centrale a

fissione fissione (3/4)(3/4) Le differenti situazioni Le differenti situazioni

di funzionamento:di funzionamento:

nella prima la barra nera nella prima la barra nera serve per bloccare serve per bloccare completamente la completamente la reazione;reazione;

nella seconda la barra nella seconda la barra nera si alza e la reazione nera si alza e la reazione aumenta di potenza; aumenta di potenza;

nella terza la barra nera è nella terza la barra nera è completamente sollevata completamente sollevata ed il reattore funziona ed il reattore funziona alla massima potenza. alla massima potenza.

1111

Funzionamento di una centrale a Funzionamento di una centrale a

fissione fissione (4/4)(4/4) Il nocciolo è Il nocciolo è

attraversato da attraversato da fluido refrigerante fluido refrigerante che preleva il calore che preleva il calore prodotto dal prodotto dal nocciolo e lo cede nocciolo e lo cede ad un insieme di ad un insieme di tubi che tubi che contengono acqua e contengono acqua e lo trasforma in lo trasforma in vapore e va ad vapore e va ad azionare il gruppo azionare il gruppo turbina turbina alimentatorealimentatore

1212

Tipi di centrali a fissione: PWRTipi di centrali a fissione: PWR PWR: pressurized water reactorPWR: pressurized water reactor

1313

Tipi di centrali a fissione: BWRTipi di centrali a fissione: BWR BWR: Boiling Water ReactorBWR: Boiling Water Reactor

1414

Autofertilizzanti o BreedersAutofertilizzanti o Breeders

è fissile, può essere recuperato e utilizzato è fissile, può essere recuperato e utilizzato come combustibile.come combustibile.

Tipi di centrali a fissione: Tipi di centrali a fissione:

Autofertilizzanti Autofertilizzanti (1/2)(1/2)

1 238 2390

239 239

239 239

n U U

U Np

Np Pu

239Pu

1515

Tipi di centrali a fissione: Tipi di centrali a fissione:

Autofertilizzanti Autofertilizzanti (2/2)(2/2)

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Fusione nucleareFusione nucleare

Consiste nell’unione di due nuclei leggeri in un Consiste nell’unione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante, la cui massa è però minore nucleo più pesante, la cui massa è però minore della somma delle masse dei nuclei di partenza. della somma delle masse dei nuclei di partenza.

Si verifica liberazione di energia secondo il Si verifica liberazione di energia secondo il principio di equivalenza massa-energia.principio di equivalenza massa-energia.

1717

Esempio di reazioneEsempio di reazione

Deuterio + Trizio = Elio4 + neutrone + 17,6 MeV di Deuterio + Trizio = Elio4 + neutrone + 17,6 MeV di energiaenergia

cioècioè

22H + H + 33H → H → 44He + n + 17,6 MeVHe + n + 17,6 MeV

1818

Confronto tra fissione e fusione Confronto tra fissione e fusione

Fissione:   200 MeV / 235 nucleoni Fissione:   200 MeV / 235 nucleoni ~ ~ 1 MeV / nucleone1 MeV / nucleone

Fusione:   17,6 MeV / 5 nucleoni = 3,5 MeV / nucleoneFusione:   17,6 MeV / 5 nucleoni = 3,5 MeV / nucleone

Per ogni unità di massa l’energia liberata dalla reazione di Per ogni unità di massa l’energia liberata dalla reazione di fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fusione è circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla

fissione.fissione.

Inoltre la produzione di energia dalla fusione promette bene Inoltre la produzione di energia dalla fusione promette bene grazie all’abbondanza relativa del combustibile e all’assenza grazie all’abbondanza relativa del combustibile e all’assenza di alcuni dei pericoli insiti nei reattori a fissione.di alcuni dei pericoli insiti nei reattori a fissione.

Il problema è che le reazioni di fusione sono difficili da Il problema è che le reazioni di fusione sono difficili da ottenere. ottenere.

1919

Temperatura di fuzioneTemperatura di fuzione

A causa della repulsione coulombiana sono necessarie A causa della repulsione coulombiana sono necessarie energie cinetiche molto alte, dell’ordine di 1 MeV, per far energie cinetiche molto alte, dell’ordine di 1 MeV, per far avvicinare i nuclei quanto basta per fare diventare efficaci le avvicinare i nuclei quanto basta per fare diventare efficaci le forze nucleari attrattive, provocando la fusione.forze nucleari attrattive, provocando la fusione.

EEcmcm= (3/2) k T= (3/2) k T

k T = 10 keV k T = 10 keV T dell’ordine 10T dell’ordine 1088 KK

2020

Il plasmaIl plasma

Il plasma dalla miscela di deuterio e trizio si ottiene per Il plasma dalla miscela di deuterio e trizio si ottiene per riscaldamento o per il passaggio di una corrente elettrica.riscaldamento o per il passaggio di una corrente elettrica.

In questo modo si fornisce l’energia necessaria per ionizzare In questo modo si fornisce l’energia necessaria per ionizzare gli atomi, cioè per strappare loro degli elettroni.gli atomi, cioè per strappare loro degli elettroni.

Consiste in una miscela di ioni positive e cariche negative Consiste in una miscela di ioni positive e cariche negative libere, complessivamente neutra. libere, complessivamente neutra.

Il plasma, costituisce il 99% della materia di cui è composto Il plasma, costituisce il 99% della materia di cui è composto l'Universo ed è detto anche: "quarto stato della materia" .l'Universo ed è detto anche: "quarto stato della materia" .

Possiamo trovare questo stato della materia anche in natura: Possiamo trovare questo stato della materia anche in natura: nel Sole, nel vento solare, nelle stelle, nei fulmini e nelle nel Sole, nel vento solare, nelle stelle, nei fulmini e nelle aurore boreali. aurore boreali.

2121

Nel Sole, che ha una temperatura interna di Nel Sole, che ha una temperatura interna di 14 milioni di gradi, la reazione di fusione di 14 milioni di gradi, la reazione di fusione di nuclei di idrogeno (reazione protone-protone) nuclei di idrogeno (reazione protone-protone) è responsabile di gran parte dell'energia che è responsabile di gran parte dell'energia che giunge fino a noi sotto forma di calore e di giunge fino a noi sotto forma di calore e di luce.luce.

Nel soleNel sole

2222

Condizioni per ottenere una fusione Condizioni per ottenere una fusione nuclearenucleare

E’ necessario riscaldare un plasma di E’ necessario riscaldare un plasma di deuterio-trizio a temperature molto alte deuterio-trizio a temperature molto alte (100 milioni di gradi).(100 milioni di gradi).

E’ necessario mantenerlo confinato in uno E’ necessario mantenerlo confinato in uno spazio limitato.spazio limitato.

E’ necessario confinare il plasma per un E’ necessario confinare il plasma per un tempo sufficiente affinché avvenga la tempo sufficiente affinché avvenga la reazione e l'energia liberata possa reazione e l'energia liberata possa compensare sia le perdite, sia l'energia compensare sia le perdite, sia l'energia usata per produrla. usata per produrla.

2323

L’energia necessaria per riscaldare il plasma è L’energia necessaria per riscaldare il plasma è direttamente proporzionale alla densità numerica direttamente proporzionale alla densità numerica dei suoi ioni dei suoi ioni nn;;

La frequenza degli urti è direttamente proporzionale La frequenza degli urti è direttamente proporzionale a a nn2 (2 (quadrato della densità numerica);quadrato della densità numerica);

Sia Sia ττ è il tempo di confinamento allora l’energia è il tempo di confinamento allora l’energia prodotta è direttamente proporzionale a prodotta è direttamente proporzionale a nn22ττ;;

Affinché l’energia prodotta sia maggiore dell’energia Affinché l’energia prodotta sia maggiore dell’energia fornita, deve essere: fornita, deve essere:

C1 C1 nn22ττ > C2 > C2 n.n.

2424

Nel 1957 in fisico britannico J. D.Lawson valutò queste costanti, Nel 1957 in fisico britannico J. D.Lawson valutò queste costanti, ottenendo:ottenendo:

n n ττ > 10 > 102020 s s [particelle]/m [particelle]/m33

Nel caso della reazione deuterio-trizio deve verificarsi per i nuclei:Nel caso della reazione deuterio-trizio deve verificarsi per i nuclei:

• nn ττ > 2 > 2 10 102020 s s m m-3-3 alla temperatura di 280 MK; alla temperatura di 280 MK;• nn ττ > 10 > 102121 s s m m-3-3 alla temperatura di 70 MK; alla temperatura di 70 MK;• nn ττ > 3 > 3 10 102020 s s m m-3-3 alla temperatura di 100 MK. alla temperatura di 100 MK.

Criterio di LawsonCriterio di Lawson

2525

Reattore a confinamento magneticoReattore a confinamento magnetico

In linea di principio il plasma può essere confinato mediante un campo In linea di principio il plasma può essere confinato mediante un campo magnetico.magnetico.

In assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in tutte In assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in tutte le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si raffredderebbe inibendo la reazione di fusione.raffredderebbe inibendo la reazione di fusione.

In un campo magnetico invece le particelle sono costrette a seguire In un campo magnetico invece le particelle sono costrette a seguire traiettorie a spirale intorno alle linee di forza del campo mantenendosi traiettorie a spirale intorno alle linee di forza del campo mantenendosi lontano dalle pareti del recipiente.lontano dalle pareti del recipiente.

L’intrappolamento delle particelle deve avvenire lungo tre dimensioni L’intrappolamento delle particelle deve avvenire lungo tre dimensioni spaziali e quindi la geometria del campo magnetico da applicare è spaziali e quindi la geometria del campo magnetico da applicare è complessa.complessa.

Sono state studiate, a questo proposito, diverse configurazioni Sono state studiate, a questo proposito, diverse configurazioni magnetiche, una, per esempio, è la configurazioni a simmetria toroidale.magnetiche, una, per esempio, è la configurazioni a simmetria toroidale.

2626

TOKAMAKTOKAMAK

2727

Sono di due tipi:Sono di due tipi:

Campi magnetici del TokamakCampi magnetici del Tokamak (1/3)(1/3)

2828

Campi magnetici del TokamakCampi magnetici del Tokamak (2/3)(2/3)

2929

Le bobine toroidali, che circondano la camera del plasma, Le bobine toroidali, che circondano la camera del plasma, percorse da corrente per impulsi di 3 s, separati da tempi di percorse da corrente per impulsi di 3 s, separati da tempi di attesa di 5 minuti, gli impulsi raggiungono picchi di 73.000 attesa di 5 minuti, gli impulsi raggiungono picchi di 73.000 A, che generano un campo magnetico per induzione di 5,2T. A, che generano un campo magnetico per induzione di 5,2T.

Le bobine per il campo poloidale, perpendicolari alle bobine Le bobine per il campo poloidale, perpendicolari alle bobine del campo toroidale, sono percorsi da una corrente del campo toroidale, sono percorsi da una corrente oscillante che genera una corrente che attraversa il plasma oscillante che genera una corrente che attraversa il plasma confinato, riscaldandolo, inoltre quest’ultimo è necessario confinato, riscaldandolo, inoltre quest’ultimo è necessario per evitare la deriva delle particelle del plasma verso le per evitare la deriva delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente. pareti del recipiente.

Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi magnetici ausiliari che controllano la posizione del campi magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella “ciambella”.plasma nella “ciambella”.

Campi magnetici del TokamakCampi magnetici del Tokamak (3/3)(3/3)

3030

Riscaldamento del plasmaRiscaldamento del plasma riscaldamento ohmico,riscaldamento ohmico, agendo sui campi agendo sui campi

magnetici, rapidamente variabili, si crea magnetici, rapidamente variabili, si crea un campo elettrico il quale origina una un campo elettrico il quale origina una corrente nel plasma che lo riscalda (4);corrente nel plasma che lo riscalda (4);

riscaldamento per assorbimento di onde riscaldamento per assorbimento di onde elettromagnetiche elettromagnetiche che vengono iniettate che vengono iniettate mediante guide d'onda o antenne che mediante guide d'onda o antenne che trasferiscono al plasma energia trasferiscono al plasma energia elettromagnetica (1);elettromagnetica (1);

riscaldamento per iniezione di atomi riscaldamento per iniezione di atomi neutri di elevata energia cineticaneutri di elevata energia cinetica che che attraversano il campo magnetico, attraversano il campo magnetico, vengono ionizzati e trasferiscono per vengono ionizzati e trasferiscono per collisione la loro energia al plasma (2);collisione la loro energia al plasma (2);

riscaldamento per compressione riscaldamento per compressione adiabatica del plasmaadiabatica del plasma, ottenuta , ottenuta spostando il plasma verso regioni a spostando il plasma verso regioni a campo magnetico più forte, con campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento (3).conseguente riscaldamento (3).

3131

Centrale nucleareCentrale nucleare

3232

Principali componenti:Principali componenti:

un sistema di acceleratori che producono i pacchetti di un sistema di acceleratori che producono i pacchetti di ioni;ioni;

capsule di deuterio-trizio in cui avvengono le reazionicapsule di deuterio-trizio in cui avvengono le reazioni

la camera di fusione che assorbe i neutroni;la camera di fusione che assorbe i neutroni;

le turbine che producono elettricità.le turbine che producono elettricità.

Reattore a confinamento inerziale Reattore a confinamento inerziale (1/2)(1/2)

3333

Due “pacchetti” di ioni pesanti vengono accelerati a 10 GeV di Due “pacchetti” di ioni pesanti vengono accelerati a 10 GeV di energia, ciascuno dei pacchetti è costituito da 10energia, ciascuno dei pacchetti è costituito da 1055 ioni e ioni e trasporta un’energia di circa 2 MJ in un tempo di 3-5trasporta un’energia di circa 2 MJ in un tempo di 3-51010-9-9 s. s.

Successivamente inviati a due convertitori, gli ioni, frenati dalle Successivamente inviati a due convertitori, gli ioni, frenati dalle interazioni con gli atomi, circa 1/7 della loro energia si interazioni con gli atomi, circa 1/7 della loro energia si trasforma in raggi X. trasforma in raggi X.

L’involucro della capsula con il ghiaccio di deuterio-trizio è L’involucro della capsula con il ghiaccio di deuterio-trizio è colpito da un flusso di raggi X da ogni direzionecolpito da un flusso di raggi X da ogni direzione

Sotto il bombardamento moltissimi ioni spingono verso Sotto il bombardamento moltissimi ioni spingono verso l’interno della capsula comprimendo la miscela deuterio-trizio l’interno della capsula comprimendo la miscela deuterio-trizio da un diametro di 1 mm fino a meno di 0,1 mm.da un diametro di 1 mm fino a meno di 0,1 mm.

Il processo è così veloce che gli atomi, per il principio di inerzia, Il processo è così veloce che gli atomi, per il principio di inerzia, continuano a muoversi uno contro l’altro, è come se non continuano a muoversi uno contro l’altro, è come se non avessero il tempo di sentire la forza di repulsione colombiana.avessero il tempo di sentire la forza di repulsione colombiana.

Reattore a confinamento inerziale Reattore a confinamento inerziale (2/2)(2/2)

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Altre reazioni Altre reazioni (1/2)(1/2)

Esse richiedono temperature più elevate per il plasma, e quindi più Esse richiedono temperature più elevate per il plasma, e quindi più difficili da realizzare, ma sono sicuramente importanti ai fini del difficili da realizzare, ma sono sicuramente importanti ai fini del reattore a fusione del futuro, perchè evitano o limitano fortemente il reattore a fusione del futuro, perchè evitano o limitano fortemente il flusso di neutroni. Sono i neutroni infatti che rendono radiattivi i flusso di neutroni. Sono i neutroni infatti che rendono radiattivi i materiali che compongono il reattore.materiali che compongono il reattore.

3535

Nella figura “probabilità Nella figura “probabilità di reazione” significa che di reazione” significa che il suo valore (per il suo valore (per ciascuna delle reazioni di ciascuna delle reazioni di fusione indicate) fusione indicate) moltiplicato per le densità moltiplicato per le densità dei nuclei interagenti dà il dei nuclei interagenti dà il numero di reazioni di numero di reazioni di fusione per unità di fusione per unità di tempo e unità di volume.tempo e unità di volume.

Altre reazioniAltre reazioni (2/2)(2/2)

3636

1.1. U. Amaldi, U. Amaldi, “Fisica Moderna”,“Fisica Moderna”, Zanichelli. Zanichelli.

2.2. P.Caldirola, G.Casati, F.Tealdi, P.Caldirola, G.Casati, F.Tealdi, “Nuovo “Nuovo corso di Fisica”,corso di Fisica”, Ghisetti e Corvi. Ghisetti e Corvi.

3.3. P.Violino, O.Robutti, P.Violino, O.Robutti, “La fisica e i suoi “La fisica e i suoi modelli”,modelli”, Zanichelli. Zanichelli.

4.4. A.Caforio, A.Ferilli, A.Caforio, A.Ferilli, “Nuova Physica “Nuova Physica 2000”,2000”, Le Monnier. Le Monnier.

5.5. Resnick, Halliday, Krame, Resnick, Halliday, Krame, “Fisica 2”,“Fisica 2”, Ambrosiana.Ambrosiana.

6.6. P. Typler, “Corso di Fisica”, Zanichelli.P. Typler, “Corso di Fisica”, Zanichelli.

BibliografiaBibliografia

3737

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http://www.poweron.ch/it/stromprod/content---1--1035.htmlhttp://www.poweron.ch/it/stromprod/content---1--1035.html

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http://www.fusione.enea.it/http://www.fusione.enea.it/

http://www.fusione.enea.it/index.html#activities/links.htmlhttp://www.fusione.enea.it/index.html#activities/links.html

http://www.cidehom.com/dictionnaire.phphttp://www.cidehom.com/dictionnaire.php