Visita al reattore nucleare di Pavia

Relazioni degli studenti

Classe 4A

Anno scolastico 2014/15

Samuele Anelli

Paolo Bramini

Giorgia Cantoni

Alice Cigognini

Nicola Citi

Ines Jihel

Nicole Milani

Luca Rizzo

Francesco Vergnaghi

Samuele Anelli 4A Il reattore nucleare di Pavia

Il reattore nucleare di

Pavia si accese per la

prima volta il 15

novembre 1965. Esso è

alto due metri e alto sei;

è l'unico reattore attivo in

Italia ed è utilizzato

solamente in ambito di

ricerca. La reazione che

tiene “acceso” il reattore

è la fissione nucleare

dell’uranio 235 (235U).

Esso di per sé è stabile,

ma se viene

“bombardato” con

neutroni termici, si

trasforma nell’isotopo

236 che è molto instabile

e si decompone liberando

energia. La sorgente di tali neutroni è costituita da radio e berillio. Essa libera i primi neutroni, che

danno il via alla “cascata” della fissione. Infatti, ad ogni fissione si liberano mediamente 2,7 neutroni,

i quali alimentano la reazione a catena.

Questi neutroni liberati hanno però un'energia troppo alta che non permette loro di essere catturati

dall'uranio. Per sottrarre loro l’eccesso di energia sono necessari mediamente 18,2 urti, prima di

poter reagire con l'uranio. Lo zirconio idrogenato, sotto forma di idruro solido, fornisce gli idrogeni

necessari per rallentare i neutroni tramite urti; all'aumentare della temperatura, i neutroni fanno

sempre più fatica a diminuire la loro energia, con il che il reattore potrebbe fermarsi. All'interno del

reattore sono contenute le uniche tre parti mobili del sistema: le barre di controllo che, essendo a

base di boro, hanno la capacità di assorbire i neutroni e di arrestare all'istante la reazione.

Essendo un reattore utilizzato a scopo di ricerca, non è nato per produrre energia. E’ utilizzato

principalmente per “attivare” sostanze, a scopi analitici. Il campione viene inserito nel reattore

all’altezza del nocciolo e “irraggiato”. Gli elementi in esso contenuto diventano isotopi instabili che

cercano di tornare alle condizioni iniziali di stabilità, tramite emissioni di raggi alfa, beta e gamma.

Tramite l'analisi delle radiazioni gamma emesse, è possibile riconoscere elementi diversi poiché

ognuno ha la propria emissione. Due esempi sono l'analisi effettuata su un campione di Grana

Padano, per poterne certificare l’origine geografica e il dosaggio di arsenico nei capelli di Napoleone

per valutare l’eventuale avvelenamento.

Il reattore di Pavia è stato anche utilizzato in campo medico. Dopo quindici anni di studi, un fisico e

un medico sono riusciti a curare la metastasi al fegato di un paziente. Ciò è avvenuto il 19/12/2001.

Il paziente era un barista napoletano al quale fu espiantato il fegato, per essere irraggiato nel reattore

con un metodo che ricorda “il cavallo di Troia”. Il fegato era stato trattato con glucosio borato. Le

cellule tumorali, golose di zuccheri, ne assorbono in quantità molto maggiore rispetto ai tessuti sani,

noncuranti del boro che ha il compito di assorbire in grande quantità i neutroni. Il fegato, così borato,

venne inserito nel reattore per un tempo di circa 11 minuti, tempo sufficiente per portare la

temperatura delle cellule tumorali a 44 gradi mentre quella dei tessuti sani a 38 gradi. Le cellule

tumorali si scaldarono di più per la maggiore quantità di boro che catturando neutroni, diventa

radioattivo ed emette radiazioni. In questo modo le cellule tumorali morirono, mentre i tessuti sani

se la cavarono con una certa febbre. Il trattamento del fegato e il rapido reimpianto permisero al

paziente di continuare a vivere. Questa sperimentazione però è stata sospesa… non si sa bene per

quale motivo, forse perché era sostitutiva delle costose chemioterapie?

Paolo Bramini 4° Il nocciolo della questione

Il reattore nucleare dell’Università di Pavia sprigiona una potenza massima di 250 KW e un flusso massimo di circa 2x1013 neutroni cm-2s-1. Utilizza un particolare tipo di combustibile costituito da una lega metallica di 235U, all'interno della quale è presente anche idrogeno, sotto forma di idruro di zirconio. Nel nocciolo del reattore sono collocate 83 barre di elementi di combustile aventi massa 180 g (ciascuna composta per l’80% da 238U e per il restante 20% da 235U).

Il nocciolo del reattore è posizionato a circa 60 cm dal fondo di un contenitore cilindrico avente dimensioni 2 m di diametro e 6 m di altezza, riempito con acqua demineralizzata. Le uniche parti in movimento all'interno del reattore sono le barre di controllo, fatte di grafite borata. Esse vengono alzate nel momento dell’accensione e abbassate per lo spegnimento. Se il reattore nucleare fosse utilizzato per produrre energia elettrica, esso comporterebbe un grande risparmio, se confrontato con i combustibili fossili tradizionali. 1g di 235U produce infatti lo stesso calore di 2T di petrolio e 4,2T di carbone. Il reattore nucleare di Pavia è utilizzato solo per scopi di ricerca. In particolare è impiegato per l'analisi di materiali e campioni ambientali per la

determinazione di elementi in tracce mediante il attivazione neutronica. Questo metodo si basa sul fatto che quando un elemento, interagendo con un neutrone, diventa radioattivo, esso dà un decadimento gamma assolutamente caratteristico. Questa tecnica, per esempio, è stata usata in campo alimentare per verificare l'autenticità di un campione di grana padano. Il reattore è stato anche utilizzato per l'analisi di reperti antichi, per lo studio di materiali impiegabili per la costruzione di un nuovo motore spaziale e per la realizzazione di un sistema mobile per l’individuazione di esplosivi nascosti (più precisamente le mine antiuomo).

Cantoni Giorgia 4A

LA FISSIONE NUCLEARE

La fissione nucleare consiste nella rottura del nucleo di un atomo pesante in due nuclei più leggeri, con produzione di quantità enormi di energia.

Questa reazione interessa elementi con n° atomico (Z) superiore a 82, in particolare quelli con n° di massa (A) di circa 230. Tipico esempio di nucleo fissile è l’isotopo 235U. La fissione è innescata bombardando il nucleo con neutroni termici cioè “lenti”. La reazione produce altri neutroni, in media 2,7 per ogni nucleo fissionato, i quali possono urtare altri nuclei e provocare una ulteriore fissione con liberazione di energia e altri neutroni. Si parla infatti di reazione “a catena”. Queste reazioni, però, devono essere controllate. Bisogna ridurre la velocità e l’energia dei

neutroni emessi, affinché possano essere catturati da altri nuclei di uranio. Inoltre, nel nocciolo ci sono tre barre di controllo costituite da grafite borata (sono le uniche parti mobili dell’impianto) che, essendo “golose” di neutroni, ne controllano il numero in circolazione.

Quando le barre di controllo sono “abbassate”, cioè inserite tra le barre di uranio, assorbono tanti neutroni e la reazione a catena è in “stand-by”, mentre se sono alzate la reazione parte di nuovo.

I prodotti della fissione sono nuclei più leggeri ma radioattivi e instabili, noti come “scorie radioattive”.

Alice Cigognini 4A

La visita al reattore nucleare di Pavia Il reattore nucleare è stato acceso per la prima volta il 15 novembre del 1965. E’ un reattore con scopo

di ricerca, infatti non è acceso 24 ore su 24 ma solo a richiesta. Un reattore nucleare di ricerca è

utilizzato per qualsiasi analisi chimica, spaziando per i settori ambientale, alimentare, biomedico.

Questo reattore è alto 6m e ha un diametro di circa 2m. È rivestito di calcestruzzo e all'interno c'è un

cilindro di alluminio riempito di acqua che ospita il nocciolo con le barre di combustibile.

Nelle barre è presente, come combustibile, uranio arricchito nell’isotopo 235U. Si dice “arricchito”

perché è presente in maggiore quantità rispetto al rapporto isotopico naturale. Solo l’isotopo 235U è

fissile ed è arricchito al 20% (massimo consentito in Europa). L'235U in realtà, è stabile, mentre l' 236U

non lo è. Sparando un neutrone contro l'235U, lo si trasforma in 236U che riesce a fissionarsi.

Il neutrone che innesca la fissione è emesso da una “sorgente” a base di Radio-Berillio. Il neutrone,

per poter essere catturato dal nucleo, deve essere termico, ovvero deve avere una bassa energia (0,025

elettronVolt). Però quando i neutroni vengono liberati hanno una energia di 220.000.000 eV. Quindi i

neutroni devono essere rallentati; l’energia viene loro sottratta mediante urti contro atomi di idrogeno,

gli unici ad avere massa paragonabile a quella dei neutroni. Un problema è che non si può utilizzare

l'H2 gassoso, perché comporterebbe una pericolosa crescita di pressione all’interno delle barre. Viene

allora utilizzato un cristallo di idruro di zirconio che è solido. L'H riesce a rallentare i neutroni.

Un'ulteriore azione moderatrice è svolta dall'idrogeno presente nell’acqua presente nel reattore.

Come dicevamo, l'energia liberata da ogni fissione è pari a circa 200.000.000 eV. L'energia prodotta

dalla fissione di 1g di U è uguale a quella sviluppata dalla combustione di 2T di petrolio e 4,2 T di

carbone.

Dal punto di vista delle scorie, si ha un riciclo del 97,3% degli elementi, e tutto ciò che non può essere

riciclato viene conservato in appositi depositi.

Da 1 nucleo di 236U si formano due elementi sempre diversi ed escono in media 2,7 neutroni che

vanno ad attaccare altri 235U, dopo opportuna “moderazione”.

A temperatura ambiente, il numero di urti necessari per un’efficace moderazione è pari a 18,2; se

questo numero aumenta, il reattore si spegne automaticamente. Anche un aumento di temperatura fa

spegnere il reattore. Così pure se il nocciolo rimanesse scoperto di acqua, si spegnerebbe. Tutto ciò

rende il reattore “intrinsecamente sicuro”.

Le barre di controllo sono l'unica parte in movimento della struttura. Si muovono in verticale. Sono

costituite da grafite borata. Quando sono abbassate, i neutroni vengono mangiati dal boro e quindi la

fissione è in fase di stallo. Quando si alzano, i neutroni sono liberi e quindi continuano a fissionare.

Per un reattore, la fase “critica” indica che la potenza è mantenuta costante nel tempo.

235U

236U

stabile instabile

+ n=2,7(in media)

n

235U 236U

n

Nicola Citi 4A Il reattore nucleare di Pavia è attivo da 49 anni ed è uno dei quattro reattori italiani realizzati a scopo di ricerca. Sviluppa una potenza di appena 250 KW, circa 10mila volte inferiore rispetto al reattore di una centrale nucleare. E' abbastanza diverso. E' un reattore a piscina, dotato di un sistema automatico di raffreddamento, quindi molto sicuro. Il nocciolo è posizionato a circa 60cm dal fondo di un contenitore di alluminio di forma cilindrica di due metri di diametro per sei di altezza. All' interno del nocciolo ci sono posizionati 90 elementi (tra barre di combustibile, barre di controllo, sorgente) disposti a cerchio. Tre barre accendono e spengono il reattore. Questo reattore è lo strumento di irraggiamento più utilizzato nel nostro Paese per l'attività di ricerca. Per esempio, è stato utilizzato una volta per la cura di un tumore ma poi, forse per interessi economici, non è stato più utilizzato in campo sanitario. Serve anche per altri scopi, ad esempio a tracciare una mappa della sicurezza e della qualità di un prodotto alimentare. Può inoltre essere utilizzato per datare materiali ed ossa e determinarne la provenienza.

Ines Jihel 4°

VISITA AL REATTORE NUCLEARE A PAVIA

Il giorno 9 ottobre 2014 le classi 3A e 4A

dell’indirizzo chimico si sono recate a

Pavia per visitare il reattore nucleare in

funzione dal 1965; esso viene utilizzato

nelle ricerche in campo scientifico. Il

reattore è costituito da un cilindro saldato

in calcestruzzo avente 2 metri di

diametro e 6 metri di altezza.

All’interno vi sono le componenti senza

le quali la struttura non funzionerebbe: gli elementi combustibili, la sorgente di neutroni, le barre di

controllo e l’acqua. Le barre di controllo vanno trattate accuratamente poiché si possono corrodere

facilmente. Contengono U (uranio) arricchito al 20% in isotopo 235U, che è l’isotopo “fissile”. La fissione

nucleare è una reazione in cui il nucleo di un elemento pesante viene scisso in due frammenti di minore

dimensione, quasi sempre radioattivi, emanando una grande quantità di energia e neutroni. E’ innescata

da neutroni. La sorgente di neutroni è una barra contenente Radio e Berillio.

Come elemento pesante viene usato l’Uranio 235. Durante la reazione esso viene colpito da un

neutrone, generando l’isotopo 236U che, essendo instabile, si spacca, liberando un’energia pari a

200'000'000 eV. Il neutrone, però, per poter essere catturato dal nucleo dell’Uranio, deve diminuire la

sua velocità passando da un’energia di 200'000'000 eV a 0,025 eV. I neutroni devono cioè ritornare al

loro stato iniziale, smaltendo l’energia che hanno accumulato durante la reazione. Lo smaltimento di

energia avviene mediante urti contro gli atomi di idrogeno, innanzitutto quelli presenti sotto forma di

idruro di zirconio nelle barre stesse e in secondo luogo contro quelli dell’acqua in cui le barre sono

immerse.

Il reattore viene mantenuto sotto controllo dalle barre di controllo costituite da grafite borata, le quali

hanno il compito di “catturare” i neutroni e terminare la reazione a catena quando occorre spegnere il

reattore.

Qualora si venissero a creare situazioni in cui si dovesse perdere il controllo della struttura, il reattore si

spegnerebbe automaticamente, proprio perché verrebbe a mancare il sistema di rallentamento dei

neutroni, condizione necessaria a mantenere viva la reazione.

Le scorie che il reattore produce vengono riciclate per il 97,3%; il restante viene depositato in luoghi

geologicamente stabili.

Ines Jihel

Nicole Milani 4A Come avviene la fissione nucleare ?

Si ha la fissione nucleare quando un nucleo pesante si scinde in due nuclei più piccoli. Questa

trasformazione può avvenire spontaneamente o può essere stimolata bombardando con neutroni

un nucleo pesante. Quando un neutrone colpisce, per esempio, un nucleo di 235U, esso si scinde in

due nuclei liberando energia e 2,7 neutroni, in media. L’energia emessa da 1 g di 235U corrisponde

circa a 8×107 KJ. I neutroni emessi possono poi urtare altri nuclei e provocarne la fissione con la

liberazione di altra energia e altri neutroni. Se la quantità di elemento radioattivo supera una certa

massa, detta “massa critica”, i neutroni sono in numero sufficiente a mantenere la reazione a catena.

Invece la fissione simultanea di tutti i nuclei fissili potrebbe sfociare in una esplosione nucleare. Nei

reattori nucleari la reazione a catena deve essere controllata. A questo fine è necessario ridurre il

numero e la velocità dei neutroni nella massa di uranio in modo che la liberazione di energia termica

sia graduale. Per diminuire il numero di neutroni si ricorre alle barre di controllo di boro grafitato,

che assorbono un gran numero di neutroni controllando o bloccando la reazione a catena.

IL REATTORE NUCLEARE DI PAVIA in pillole!

- L.E.N.A. (Laboratorio Energia Nucleare Applicata).

- 50 anni di funzionamento del reattore (1965).

- Reattore: cilindro metallico di altezza 6 m e diametro di 2 m; struttura di calcestruzzo (che

impedisce alle radiazioni di uscire).

- Il sodio e il sudore potrebbero corrodere gli elementi combustibili, quindi non bisogna toccare

le barre di combustibile con le mani.

- Miscela di combustibile: 238U = 80% , 235U = 20%

- 235U = stabile , 236U = molto instabile

- Ogni fissione produce E = 200.000.000 eV.

- 1 g di combustibile genera un 97,3% di scorie, che vengono riciclate per altre barre; solo il

2,7% diventa davvero scarto.

- L’ idrogeno permette di rallentare i neutroni.

- L’idruro di zirconio è legato all’uranio nelle barre di combustibile.

- L’acqua riempie il reattore.

- 18,2 urti a temperatura ambiente, per moderare i neutroni; se la temperatura sale, anche gli

urti necessari aumentano.

- Le uniche parti in movimento del reattore sono le barre di controllo in verticale, costituite da

grafite borata.

- Reattore si dice critico quando mantiene la potenza costante del tempo.

- Quando il nocciolo è scoperto dall’acqua il reattore non può funzionare.

Luca Rizzo 4A

IL REATTORE NUCLEARE DI PAVIA

Scopo: fissione dell’uranio 235 per produrre radiazioni gamma da usare nell’analisi per attivazione.

Reazione: per la fissione nucleare bisogna avere a disposizione l’elemento fissionabile, uranio 235.

Ogni barra pesa 180 g ed è formata da 238U = 80% , 235U = 20%. Per far avviare la reazione bisogna

trasformare l’uranio 235 stabile in uranio 236 instabile “sparandogli” contro un neutrone.

La sorgente a base di radio e berillio emette un neutrone

che viaggia “lento” per farsi attrarre dall’uranio che si

scinde in due prodotti più piccoli ma instabili, liberando

anche energia e calore. Da questa prima reazione escono

2,7 neutroni che viaggiano ad altissima velocità. Ma per

continuare la reazione a catena dovrebbero viaggiare alla

velocità iniziale. Quindi si scontrano con l’idrogeno di

pari massa per rallentare. Esso si aggiunge nelle barre di

combustibile come idruro di zirconio. Se i neutroni non

fossero rallentati, dopo un po’ il reattore si spegnerebbe

automaticamente perché nessun neutrone sarebbe più

catturato. Per tenere sotto controllo la reazione di

fissione nucleare si “gioca” con le barre di controllo

formate da grafite borata. Il boro è un elemento avido di

neutroni.

Conclusione: Esperienza stupenda!

Francesco Vergnaghi 4A

Il reattore nucleare dell’università di Pavia venne acceso per la prima volta il 15 novembre del 1965. Ora

il suo funzionamento non è più a tempo pieno, ma funziona solo su richiesta. E’ il sistema più banale e

semplice che possa esistere, ma allo stesso tempo è anche il più sicuro. Quello di Pavia ha un’altezza di

6m, ha una forma cilindrica ed ha un

diametro di circa 2m. E’ riempito

completamente d’acqua ed è stato

costruito con il calcestruzzo, che ha

una funzione protettiva in quanto non

disperde troppe radiazioni (gamma)

nell’aria, mentre sul fondo è formato

d’alluminio. L’elemento usato per la

combustione è l’Uranio 235 perché è

fissile. Il massimo arricchimento

consentito in Europa è del 20%. La

fissione nucleare, nelle centrali, è

impiegata per risparmiare sul

combustibile, perché usare 1g di

uranio equivale a bruciare 2

Tonnellate di petrolio o 4,2 T di carbone. Il problema delle centrali nucleari sono le scorie radioattive;

il loro quantitativo è però modesto, se si pensa che il 97,3% viene riutilizzato.

Dato che da ogni fissione vengono liberati in media 2,7 neutroni aventi energia pari a 200 000 000 eV,

e dato che l’energia utile è invece di soli 0,025 eV, è necessario un sistema che rallenti i neutroni. Si è

pensato di utilizzare la teoria degli urti, impiegando idrogeno, ma non allo stato gassoso perché potrebbe

espandersi e fessurare le barre. Agli elementi combustibili è aggiunto quindi idruro di zirconio allo stato

solido. Le uniche parti in movimento sono le barre di controllo e hanno un’unica direzione, quella verticale.

Quando sono abbassate, il reattore è in stand-by, mentre se vengono alzate la catena di fissione è in

azione e mantiene costante la sua potenza nel tempo.