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

a: eni S.p.A. Div. E&P – RADI (Unità di Radioprotezione), S. Donato Milanese (MI)b: Università di Milano e INFN Sezione di Milanoc: CeSI, Fondazione Università “G.d’Annunzio”, Chieti

Workshop SIRR Energia e radiazioni: quali prospettive

dalla ricerca?

Napoli, 9 novembre 2009

E. Rizzioa, M.Bonardib, F. Groppib, E.Sabbionic

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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

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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

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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

Fase 1

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Incidentneutron

Target Nucleus

CompoundNucleus

Prompt γ ray

Radioactivenucleus

Delayed γ ray

ProductNucleus

β Particle

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Analisi per Radioattivazione Neutronica nello sviluppo dell’energia nucleare

Carattere multielementareElevata sensibilità per molti elementiElevata accuratezza e precisioneMinimo effetto matrice ed interferenzeNon necessità di correzioni in “bianco”

Ideale per analisi multielementari di matrici ambientali e biologiche !

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Il carattere multielementaredella NAA: esempio di analisi di sangue umano E. Sabbioni et al, Sci Total Environ. 120 (1992) 39-62

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Winter 1998-99 Previous samplings (Winters 1994-97)

Element Milan Cologno M.se Ispra Milan Cologno M. Ispra mean mean mean median median median

Ag 0.91±0.6 1.3±1.0 0.48±0.28 1.0 0.08 0.7 As 2.3±0.7 2.1±0.5 0.99±0.42 4.6 2.7 1.9 Au 0.15±0.1 0.15±0.09 0.05±0.04 0.13 0.09 0.08 Ba 103±20 72±34 19.9±0.42 112 65 21 Br 250±65 266±45 11±3.5 342 112 54 Cd 3.4±2.1 4.2±2.2 0.51±0.16 7.6 11 1.8 Ce 3.2±1.3 3.8±0.6 0.40±0.15 2.1 2.8 0.7 Cl 2852±1363 4774±650 350±185 1150 1600 480 Co 2.5±0.8 3.4±1.8 0.75±0.35 4.3 2.1 1.1 Cr 38.6±9.0 36.8±12.5 6.5±3.5 65 51 17 Cs 0.22±0.08 0.23±0.18 0.24±0.20 0.14 0.3 0.2 Cu 185±30 174±80 10.5±3.7 65 73 19 Fe 5800±2500 3800±1900 511±201 2700 2200 790 Hf 0.88±0.55 0.57±0.13 0.04±0.03 0.34 0.15 0.09 Hg 1.9±0.8 1.5±0.8 0.1±0.05 1.7 1.1 - K 1217±463 1780±506 413±160 934 1100 530 I 12.8±2.5 7.3±2.2 2.5±1.1 15 9.3 -

La 1.4±0.4 1.6±0.4 0.31±0.15 1.5 1.3 0.7 Mg 2793±905 1853±723 275±173 3100 2060 311 Mn 98±25 109±25 14±5 78 95 34 Mo 9.8±2.1 10.3±1.3 0.4±0.2 7.9 6.5 - Ni 25.1±12.8 28.3±6.7 12.2±3.8 38 46 20 Pb 475±115 795±253 98±40 861 924 235 Rb 5.2±2.3 3.2±2.5 0.76±0.5 3.9 4.1 - Sb 68.3±25.5 50.1±12 4.5±1.4 57 38 5.9 Se 1.8±0.7 1.5±0.8 0.037±0.014 0.8 0.6 0.9 Sc 0.40±0.14 0.44±0.17 1.1±0.3 1.0 0.5 0.7 Sm 0.21±0.04 0.2±0.06 0.034±0.01 0.1 0.18 0.08 Th 0.50±0.25 0.4±0.25 0.05±0.03 0.09 0.2 0.08 Ti 147±67 190±39 19±8 76 93 66 V 13.9±6.1 12.5±4.0 3.5±1.2 34 15 9.1 Zn 392±132 362±103 119±33 139 210 98 W 2.3±1.2 1.8 0.2±0.1 1.1 1.3 0.3

Elemental concentration ranges in urban air particulate matter

M.Gallorini, P.A.Borroni, M.Bonardi, A.Rolla.J. Radioanal. Nucl. Chem., Vol 235, n.1, pp.241-247,(1998)Gallorini, E.Rizzio FEB Fresenius Envir. Bull., 7, pp.7-19, (1998)

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Misure radiometriche in campo

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Energy(keV)

counts

Preparazione e analisi dei campioni

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Fase 2

Produzione di combustibile fissile

• Estrazione dell’uranio dal minerale• Processo di arricchimento dell’uranio• Produzione delle barre di combustibile

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Ricerca uranifera

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Estrazione e trattamento del minerale uranifero

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Composizione isotopica dell’uranio naturale

FissileFissionabile:

Bombardato con neutroni veloci → “fertile” → fissile

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Estrazione dell’uranio dal minerale

(Pecblenda) + HNO3 → UO2(NO3)2 + ( MeNO3)

2UO2(NO3)2 (NH4)2U2O7 UO2NH3 (H2O) (H2)

UO2 UF4

C2Cl4F2

UF4 UF6

ClF3

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Diffusione

Arricchimento dell’uranio (UF6)

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Batterie di centrifughe utilizzate per l’arricchimento dell’uranio

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Dal pellet al vessel

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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

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Controlli routinari indoor e outdoor

Reattore TRIGA MARKII – Università di Pavia

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Controlli ambientali

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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)

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Composizione del combustibile irraggiato

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Conservazione “ad interim”

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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 (239Pu e 241Pu)

8% Pu + 92% 238U = Uranio arricchito al 4%

Riciclo del plutonio: Mixed OXside

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Riprocessamento (1)

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Riprocessamento (2)

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Separazione di U, Pu e prodotti di fissione (PF)

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Outline of the purification of 239Np from neutron irradiated 238UO2

Edel et al, J. Trace Microprobe Techniques,11(1993) 179-192

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Fase 5

Smantellamento dell’impianto nucleare

• Smaltimento in sicurezza dei componenti dell’impianto

• Controllo della radioattività sulle componenti ambientali esterne

• Supporto ai controlli radioprotezionistici

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

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107-Ag(I) 140-La(III)

74-As(III,V,org) 57-Ni(II)

199-Au(III) 99-Mo(VI)

7-Be(II) 203-Pb(II)

206-Bi(III) 103-Pd(II)

109-Cd(II) 191-Pt(IV)

144-Ce(IV) 101-Rh(III)

58-Co(II) 125-Sb(III,V)

51-Cr(III,VI) 75-Se(IV,VI)

64-Cu(II) 124-Te(VI)

137-Cs(I) 44-Ti(IV)

67-Ga(III) 201,202-Tl(I,III,org)

69-Ge(IV) 48-V(III,IV,V)

197-Hg(0,II) 187-W(VI)

Prodotti al ciclotroneProdotti al reattore nucleare

Esempi di radioisotopi ad elevata radioattività specifica

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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)

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Strumentale (INAA)Radiochimica (RSNAA)

Fasi del ciclo di sviluppo e del processo diproduzione:

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

L’insostituibile ruolo della Chimica Nucleare e della Radiochimicanello sviluppo sostenibile dell’energia nucleare

Analisi per radioattivazioneneutronica (NAA)

Radiotraccianti ad elevata radioattività specifica

Tecniche radioprotezionistiche(spettrometria beta/gamma)

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Grazie per Grazie per ll’’attenzione!attenzione!