proff.daniele cialdella e roberto flaiban, dipartimento di fisica, l.s. primo levi un resoconto sul...

Proff.Daniele Cialdella e Roberto Flaiban, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

UN RESOCONTO SUL NUCLEARE

1. La fissione e l'equivalenza massa-energia ( E=mc2 )

2. Il funzionamento di un reattore e il 2° Principio della Termodinamica

3. Il disastro di Fukushima: ragioni fisico-ingegneristiche

4. I numeri dell'uranio e degli impianti nel mondo

PARTE 1

La fissione e l'equivalenza massa-energia ( E=mc2 )

Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE


ALTRI PRODOTTI:Cs 137 , I 131

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Fission_chain_reaction.svg

LA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARELA REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE

FASE 1Attraverso il primo neutrone proiettile

s’innesca la reazione

FASE 3U 236 è fortementeinstabile e comincia

a deformarsi

FASE 4Si sono generati i prodottidella reazione, i 3 nuovineutroni proiettili ed E

FASE 2U 235 assorbe il neutrone

diventando U 236

92Kr36+141Ba56+3n+E+235U92+n


L’ENERGIA OTTENUTA

Equivalenza massa – energia(Einstein)

Velocità della luce Prodotti della reazione

LA FISSIONE DI 1 NUCLEO DI U 235 PRODUCE E=211 MeV.

L’OSSIDAZIONE DI 1 ATOMO DI C PRODUCE E=4eV.

1eV=1.6x10-19J

200 MeV in energia termica sfruttabile+

11MeV sotto forma di neutrini prodotti

50.000.000 di volte più piccola


I MODERATORI


A Chernobyl, dopo la potentissima esplosionedell’idrogeno accumulato,ci fu l’incendio causato

dalla grafite che fungeva da moderatore e chedisperse i prodotti radioattivi nell’alta

atmosfera per “effetto camino”

Per rallentare i neutroni e termalizzarli,cioè rallentarli fino a K<1 eV

aumentando così la probabilità di fissionare il combustibile,è necessario utilizzare un moderatore.

PRINCIPALMENTE NEI REATTORI COMUNI:

H2O e C(grafite)

Senza moderatore non c’è fissione

N.B.SE NON C’E’ H2O, SI SPEGNE LA REAZIONE

MA IL CALORE CONTINUA AD ESSERE PRODOTTO(Arrestata la reazione nucleare, rimangono nel nocciolo del reattore i prodotti radioattivi della fissione nucleare,

che, decadendo, continuano a generare calore.)

t = tempo trascorso dall’interruzione della reazione;Q = quantità di calore prodotto con il reattore acceso a regime;

Q(t) = quantità di calore che continua a prodursi a reattore spento

Q()=0.062 Q (6.2%)

Q(1h)=0.013 Q (1.3%)

Q(24h)=0.0049 Q (0.49%)

Entro 1h: T=1000°C; poco dopo, intorno ai 1200°C, la lega che costituisce le incamiciature delle barre di ossido di uranio inizia a reagire esotermicamente con l’acqua liberando H2. Tale processo crea una fortissima esplosione.


Eliminare il moderatore in una reazione già in atto,significa spegnerla?

1. Perché proprio i neutroni per l’innesco della reazione?

2. Tutti i neutroni prodotti vengono assorbiti da nuclei di U 235?

3. Non è eccessivo il calore prodotto quando il reattore è acceso?

4. Quali conseguenze chimiche potrebbero verificarsi?

5. La fissione nucleare la fa solo l’uranio?


1. Perché proprio i neutroni per l’innesco?-Perché sono neutri e dunque reagiscono col nucleo di una sostanza più facilmente.

(In precedenza i coniugi Curie avevano scoperto la radioattività indotta da particelle cariche positivamente – i risultati furono meno evidenti.)

-Perché sono leggeri e possono perciò essere catturati dal nucleo con maggiore facilità.

2. Tutti i neutroni prodotti vengono assorbiti da nuclei di U 235?

-Non tutti.

(Per ogni nuclide colpito si liberano come detto o 2 o 3 neutroni. In media i neutroni che sono in grado di fare fissione sono circa 2.)

-Il loro numero dipende dalla sostanza moderatrice.

(Aumenta, quanto più la sostanza moderatrice sia in grado di rallentare i‘proiettili’.)

-Il loro numero dipende da eventuali sostanze assorbenti.

(Diminuisce con la loro presenza. Si inseriscono se si vuole controllare la reazione…Lo vedremo più avanti.)


K>1 : il numero di neutroni aumenta

K<1 : il numero di neutroni diminuisce

K=1 : il numero di neutroni resta stabile (massa critica).

FATTORE DI MOLTIPLICAZIONE EFFETTIVO

N.B.Se per i reattori nucleari il valore di K non deve superare mai il valore di 1se non di una quantità bassissima,come quando si aumenta la potenza del reattore (K = 1,005), per le armi nucleari si deve avere che il valore di Kdeve essere il più alto possibile (K=1,2).

3. Non è eccessivo il calore prodotto?-Sarebbe eccessivo se non ci fossero sostanze assorbenti.

(la temperatura assumerebbe valori talmente elevati, oltre i 1300°C, da rendere inefficace qualsiasi involucro di combustibile nucleare.)

-La quantità di calore che si vuole produrre dipende dalle applicazioni.


4.Quali conseguenze chimiche si verificano o potrebbero verificarsi?

-Nella reazione ordinaria di fissione dell’uranio si producono Bario e Kripto. (Il Bario e il Kripto sono rispettivamente un metallo ed un gas fortemente tossici che decadono dopo alcune decadi.)

-Si potrebbe formare H2 a causa di un incontrollato aumento di temperatura,

(A temperature dell’ordine dei 1200°C l’acqua si dissocia e, la quantità di H2 prodotta, altamente infiammabile, potrebbe generare un’altissima pressione che causerebbe l’esplosione di qualsiasi ricoprimento.)

-Alcuni neutroni, anche se lenti, potrebbero essere catturati da nuclei di U 238 e formare Pu 239.

(Il Plutonio decade in 24000 anni. Le particelle che emette non penetrano nella pelle, ma possono danneggiare seriamente gli organi interni se inalate o ingerite. Particolarmente a rischio sono lo scheletro, sulla cui superficie il plutonio è assorbito, il fegato in cui viene raccolto e concentrato e i polmoni dove particelle finissime di plutonio, dell'ordine dei g, causano il cancro.)

UNA MISCELA NATURALE DI URANIO HA LA SEGUENTE COMPOSIZIONE: 99.3% U 238, 0.7% U 235

UNA MISCELA DI URANIO DA COMBUSTIBILE (URANIO ARRICCHITO) PUO’ AVERE LA SEGUENTE COMPOSIZIONE:nei reattori 95% U 238, 5% U 235; nelle bombe nucleari 10% U 238, 90% U 235


FERMI E I RAGAZZI DI VIA PANISPERNA

OTTENNERO LA VERIFICA SPERIMENTALEDELLA RADIOATTIVITA’ DI TANTISSIMI

NUCLIDI CON NUMERO DI MASSAA>100

IL 20/10/1934, ATTRAVERSO LA FISSIONE

DI ATOMI DI Ag IN PARAFFINA, SCOPRIRONOL’IMPRESSIONANTE AMPLIFICAZIONE

DELLA RADIOATTIVITA’

INTERPRETARONO ERRONEAMENTE LA FISSIONEDELL’URANIO PEHSANDO SI FORMASSERO

NUCLIDI TRANSURANICI (Z>92)COME PRODOTTI DELLA REAZIONE

5. La fissione nucleare la fa solo l’uranio?


PARTE 2

Il funzionamento di un reattore e

il 2° Principio della Termodinamica


PRINCIPALI TIPOLOGIE DI LWR(Light Water Reactor)

CENTRALE PWR (Pressurized Water Reactor)

NOCCIOLOd=5m, h=15m;

spessore contenitore acciaio: da 15cm a 30cm;carica combustibile: 90T (durata: 1 anno);

H2O NEL PRIMARIOP=150Kg/cm2, T=280°C

CENTRALE BWR (Boiling Water Reactor)

NOCCIOLOd=6m, h=20m;

spessore contenitore acciaio: 15cm;carica combustibile: 165T (durata: 20 mesi);

H2O NEL PRIMARIOP=70Kg/cm2, T=280°C


Indaghiamo sulle caratteristiche delle

diverse componenti…

IL NOCCIOLO E LE BARRE IL RUOLO DELL’ACQUA IL SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO


1.Contenitore del reattore1.Contenitore del reattore

2.Schermo biologico (calce struzzo o altro)2.Schermo biologico (calce struzzo o altro)

3.Barre di combustibile nucleare (U3.Barre di combustibile nucleare (U235235, U, U233233, Pu, Pu239239))

4.Moderatore (H4.Moderatore (H22O, Be o C)O, Be o C)

5.Refrigerante (H5.Refrigerante (H22O)O)

6.Riflettori di neutroni (Be, C)6.Riflettori di neutroni (Be, C)

7.Barre di controllo (Cd, B e altri)7.Barre di controllo (Cd, B e altri)

8.Barra di sicurezza (assorbitore di neutroni)8.Barra di sicurezza (assorbitore di neutroni)

- REGOLANO L’INTENSITÀ DELLA REAZIONE;

- DEVONO RESISTERE ALLE ALTE TEMPERATURE;

- SONO DISPOSTE SU STRUTTURE MOBILI.


PRESENZA DI URANIO


Sfruttabile per altri 50 anni

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a4/KarteUrangewinnung.png

H2O

“MODERA”LA REAZIONE

favorendo la fissione nucleare

REFRIGERAIL NOCCIOLO

permettendo il controllo della temperaturae con essa l’incolumità

delle barre di combustibile

VEICOLA L’ENERGIA

attraverso il suo passaggio di stato,permette la trasformazione di energia nucleare in energia meccanica


LO SCAMBIATORE DI CALORE

Componente in cui si realizza lo scambio di energia termica tra 2 fluidi

a temperature differenti

Necessario per generare il vaporeche azionerà le turbine


Doppia fonte di vapore,necessaria alle turbine

MAGGIORRENDIMENTO


PWR

condensatore torre di raffreddamento

Contrariamente a ciò che s’immagina,

non è l’unico sistema…

BWRtorre di

raffreddamento

condensatore

Pompe alimentate da generatori Diesel


PERCHE’ PARLIAMO DI

SECONDO PRINCIPIODELLA TERMODINAMICA?

CALORECALORE LAVOROLAVORO

SI RISCALDA H2OFINO A 280°C

CALOREPRODOTTO

PASSAGGIODI STATO SI GENERA VAPORE

(NELLO SCAMBIATOREE/O DIMINUENDO LA PRESSIONE)

AVVIENE LA FISSIONE

1 23

SI GENERAENERGIA MECCANICA

NELLA TURBINA

4 NELL’ALTERNATORE SI PRODUCE

CORRENTE ALTERNATA

5

NEL TRASFORMATORE SI PRODUCE CORRENTETRASPORTABILE

6


• Potenza generata dalla reazione nucleare: dai 1000 ai 3000 MW (l’equivalente di 13000/40000 automobili di media cilindrata o di 33000/100000 caldaie per uso domestico con P=30KW)

• Rendimento: circa il 30% (la conversione in energia elettrica prodotta va dai 300 ai 900 MW)

• Spese energetiche: (riguardanti il funzionamento delle pompe ad iniezione per la fornitura di H2O refrigerante, del condensatore, del pressurizzatore etc) N.B. La pompa del primario in un PWR di media potenza inietta 35 KT di H2O per h


Piscina contenente la riserva delle barre di combustibile ancora da utilizzare e l’insieme di quelle gia utilizzate

NoccioloCatena di sostituzionee rimpiazzo del combustibile

IL SISTEMA MECCANICO DI CARICO – SCARICODEL NOCCIOLO


IMMAGINI DI ALCUNE COMPONENTI(per rendersi conto dell’imponenza)

NOCCIOLO STATORE

ROTORE


(costo medio per KWh)

Idroelettrica0,07 €

Fotovoltaico0,57 €

Eolico0,07 €

Gas e Biogas0,04 €

Carbone0,02 €

Nucleare0,015 €

Visto l’enorme vantaggio economico,perché tanto scetticismo nei confronti del nucleare

in Italia?Prof.Daniele Cialdella, Dipartimento di Fisica, L.S. Primo Levi

LE RISPOSTE DEGLI SCETTICI(ME COMPRESO!)

1. I tempi e i costi della costruzione sono rispettivamente lunghi e alti (tra i 5 e i 7 anni; intorno ai 5.000.000.000 €)

2. Difficoltà nel raggiungimento di una perfetta conformità agli standard e alle norme di sicurezza impiantistica

3. Per lo smaltimento dei rifiuti radioattivi le soluzioni sono ancora inefficienti

4. Le operazioni di smantellamento e di successiva bonifica del territorio

sono, sia pur possibili, estremamente delicate (la durata media di funzionamento di una centrale nucleare è intorno

ai 30 anni)

5. Attualmente l’Italia acquista il nucleare (solo il 4% del suo intero approvvigionamento energetico) dalla Francia e dalla Svizzera che tra

l’altro, avendo una sovrapproduzione, hanno stabilito un costo assai

conveniente.


Siamo sicuri che

in Italiagli scettici

abbiano realmente torto?


- http://digilander.libero.it/ilnucleare/index.htm

- http://www.forumnucleare.it/index.php/homepage/cose-il-forum-nucleare-italiano

- http://knightstrife.altervista.org/Pagine/Fissione_nucleare.htm

- http://www.archivionucleare.com/index.php/page/1/

- www.dida-net.it/.../nucleare

- http://www.mokor.net/M1PgsArt/EnergiaNucleare01.html

- www.fisicamente.net/DIDATTICA/index-495.htm

- www.ips.it/scuola/concorso_99/.../fissione.html

- www.argomentolibri.it/index.php?option=com...

- www.rcvr.org/scuole/negrar/.../Fermi/fissione.htm

- http://www.openfisica.com/fisica_ipertesto/nucleare/index.php

BIBLIOGRAFIA

proff.daniele cialdella e roberto flaiban, dipartimento di fisica, l.s. primo levi un resoconto sul...

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