Energia Nucleare.

Energia Nucleare.

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/it/education/course-topics/

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Impianti Nucleari di Potenza nel Mondo.

Energia Nucleare: Fusione e Fissione.

Fusione

• Quando i nuclei di due atomi leggeri si avvicinano, la repulsione

elettrostatica (dovuta ai protoni carichi positivamente) aumenta. Se si fornisce abbastanza energia di attivazione da superare le forze

repulsive, i due nuclei instabili fondono assieme in un nucleo stabile più grande, rilasciando l’eccesso di energia di legame nel processo.

• Esempi sono le reazioni nel Sole e nelle bombe termonucleari (all’idrogeno).

Fissione

• In natura, alcuni nuclei sono instabili rispetto alla decomposizione in frammenti di nuclei più piccoli (radioattività naturale), altri nuclei si sono dimostrati instabili dopo sintesi (radioattività artificiale).

• Esempi sono la decomposizione radioattiva del Radio e dell’Uranio

4

Stabilità dei Nuclei.

Fusione

Fissione

1.0 10

40 80 120 160 200 240

Energia di legame per nucleone MeV . mol-1

Numero di massa

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

20 16 12 8 4

Cambio di scala

1020Ne

16 8O

12 6C

4 2He

Nuclei più stabili

Reazioni Nucleari: Fusione vs. Fissione.

• Fusione:

(DE = 3.3×10¹⁴ J·kg^-1 di deuterio)

• Fissione:

(DE = 8.3×10¹³ J·kg^-1 U-235)

• Carbone (da notare!)

(DE = 3.5×10⁷ J·kg^-1 carbone)

2 3 4 1

1 H 1H  2He 0n 17.6 MeV/nucleo

235 1 144 89 1 -11

92 U 0n  56 Ba  36Kr + 3 0n 202 MeV/nucleo = 3.24 10 J/nucleo

2 2

C  O  CO 15000 BTU/lb di carbone

Reazioni di Fusione.

•

•

2 2 3 1 6

1 H  1H  2He 0n  3.3 MeV (79 MJ/g) a 400 10 °C

Energia Neutrone

Nucleo di Elio-4

Nucleo di Elio-3 Neutrone

Energia Nucleo di

Deuterio (idrogeno-2)

Nucleo di Deuterio (idrogeno-2) Nucleo di Deuterio (idrogeno-2)

Nucleo di Trizio (idrogeno-3)

Neutrone Protone

Innesco e Sfide

• Il processo si attiva se temperatura e densità delle particelle del plasma salgono a valori abbastanza alti e per abbastanza tempo, in modo che la velocità di produzione di energia superi quella usata per sostenerlo.

Sfide

• Innesco

 Bisogna raggiungere temperature molto alte per superare le forze repulsive dei nuclei carichi positivamente.

• Confinamento

 Bisogna raggiungere pressioni molto alte per aumentare la probabilità di collisioni

 e per tempi abbastanza lunghi per produrre energia superiore a quella richiesta per scaldare e comprimere (reazione sostenuta)

• Nessun contenitore solido

• Confinamento magnetico

• Confinamento inerziale (laser)

Confusione fredda.¹

• Nel marzo 1989 due professori dell’Università di Utah (Pon &

Fleishman) annunciarono che avevano effettuato lo fusione in un recipiente (fusione fredda).

• Nessuno ha mai potuto verificare i loro risultati.

1 Per dettagli sulla notizia, si veda “The Utah Fusion Circus”, the New York Times. Editorial, April 30, 1989.

Armi Nucleari.

Reazioni controllate

Reazioni incontrollate (a catena)

 Massa critica (circa una palla da baseball)

Bombe US

 Manhattan Project, Chicago, 1942

 Little Boy, Hiroshima (13 kilotons TNT), 1945

 Fat man, Nagasaki (22 kilotons TNT), 1945

TNT

 tri-nitro-toluene = 4.3×10⁹ joules

 La bomba che è stata usata nel

World Trade Center in New York era di circa 1 ton di TNT

Bomba Atomica e Processi Nucleari a Catena.

Si ottiene quando si producono più neutroni di quelli decomposti o non intercettati. Si innesca una reazione a catena.

La massa critica del materiale fissile per auto-sostenere il processo è di 5-15 Kg per il Plutonio. Altri materiali fissili usati come combustibili negli impianti nucleari sono l’U-235 e l’U-233.

Bomba all’Idrogeno.

• Isotopi dell’idrogeno e deuterio sono fusi per produrre elio

• Nessun limite alla potenza esplosiva

 Se ne è testata una con un potere esplosivo di 68,000,000 ton di TNT

• Le conseguenze sono orribilmente non chiare

 Inverno Nucleare, Fame mondiale

Conseguenze di una Guerra Nucleare…

• Effetti di Shock

• Effetti Termici

• Effetti di Radiazioni

1-Megatone (Distanza dell’esplosione dal Punto d’impatto)

• 1.61 Km (1 miglio)

 Sovra-pressione: 43 psi

 Venti: 1700 mph

 Molti uomini uccisi

• 3.22 km

 Sovra-pressione: : 17 psi

 Venti: : 400 mph

 uomini destinati a morire; emorragie ai polmoni; rottura vene; macchinari molto danneggiati.

• 8 km

 Sovra—pressione: 4psi

 Venti: s: 130 mph

 Ossa fratturate; Tutte le piante abbattuta, Costruzioni abbattute

• 32 km

 Sovra-pressione: sotto 1 psi

 Venti: : sotto 35 mph

 Molte finestre spezzate,

Radioattività Naturale ed Artificiale.

• Principi

• Tipologie di decadimento

• Stabilità nucleare

• Cinetica di decadimento

• Serie Radioattive

14

Cosa Provoca il Decadimento Atomico.

Alcuni atomi sono meno stabili di altri (vedi nucleogenesi) e, dato il tempo intercorso, quelli a vita media < 10

anni hanno ormai formato nuclei stabili).

Un isotopo radioattivo decade formando altri nuclei fino a raggiungerne uno più stabile.

Decade (decadimenti naturali) eliminando:

- massa (particelle alfa) - carica (particelle beta) - energia (raggi gamma)

Esistono altri tipi di decadimenti ma non si verificano in

natura sulla terra.

15

Radioattività.

Il processo per cui degli atomi instabili emettono particelle ad alta energia (o raggi) spontaneamente dai loro nuclei.

Osservata per la prima volta da Becquerel nel 1896.

Elementi radioattivi

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra

Ho Er Tm Yb Lu Ac Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy

Es Fm Md No Lr

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Elementi

artificiali

16

Radioattività.

Principali tipi di radioattività:

• emissioni alfa

• emissioni beta

• emissioni gamma

• emissione di positroni

• cattura elettronica

+ -

a, g b^

b^

Sorgente radioattiva

Campo elettrico

 

^He

a  

b

 

g g  

b

17

Particelle a

non penetranti ma dannose (v >0,1 c)

Z, A

Z-2, A-4

Z, A

Z ± 1, A

Particelle bˉ (Elettroni) o particelle b⁺ (Positroni)

moderatamente penetranti (v < 0,9 c)

g Radiazioni g (Fotoni) Z, A

Confronto tra Decadimenti Radioattivi.

Nuclide genitore

Nuclide figlio

Decadimento Nucleare.



Perché i nuclidi decadono…

– Hanno bisogno di un rapporto stabile tra neutroni e protoni

18

3 3 0

1

H 

He 

e

22 22 0

11

Na 

Ne 

e

Protoni (Z)

Nitroni (A-Z)

0 20 40 60 80 100 120 0

20 40 60 80 100 120

β a

cattura eˉ emissione eo ⁺

Nuclei stabili

106 0 106

47

Ag 

e 

Pd

235 231 4

92

U 

Th 

He

19

N Fascia dei

Nuclei stabili

N/P = 1:1 (A/Z = 2)

50 100

Andamento della Stabilità Nucleare.

202

80

Hg (N/P = 1.53)

110

48

Cd (N/P = 1.29)

6

Li (N/P = 1.29)

20

Andamento della Stabilità Nucleare (2).

145Gd Instabile

146Gd 1-10 giorni

149Gd 10-100 giorni

153Gd 100 giorni – 10anni

148Gd 10-10,000 anni

150Gd >10,000 anni

152Gd Naturale radioattivo

158Gd Stabile

p → ^{1 2}

n ↓ H He 3 4

0 ¹H ²He Li Be

1 ²D ³He ⁴Li ⁵Be

2 ³T ⁴He ⁵Li ⁶Be

3 ⁴H ⁵He ⁶Li ⁷Be

4 ⁵H ⁶He ⁷Li ⁸Be

5 ⁶H ⁷He ⁸Li ⁹Be

6 ⁷H ⁸He ⁹Li ¹⁰Be 7 ⁹He ¹⁰Li ¹¹Be 8 ¹⁰He ¹¹Li ¹²Be

21

Andamento della Stabilità Nucleare (3).

A = 150

Z = 70

A = 140

Stabile Emiss. a Emiss. b⁺ Emiss. b^

Andamento della Stabilità Nucleare (4).

22

http://www.phy.ornl.gov/hribf/science/abc/

Oro

Bario

Nichel Ossigeno

Decadimento radioattivo dei nuclei (perdita di energia) verso

la valle degli isotopi stabili

Erbio Piombo

Stagno

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Radioattività Naturale ed Artificiale.

Radioattività Naturale

 Isotopi esistenti sulla terra a seguito della modalità di formazione del nostro pianeta. Uranio

 Prodotti dai raggi cosmici provenienti dal sole. Carbonio-14

Radioattività Artificiale

 Ottenuti in reazioni nucleari per fissione o fusione di nuclei.

Plutonio

 Prodotti usando ciclotroni, acceleratori lineari, ecc..

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Esempi di Tempi di Dimezzamento.

Isotopo Tempo di dimez. Usi principali

Carbonio-14 5730 anni Datazione di oggetti Cobalto-60 5.271 anni Trattamento del cancro

Ferro-59 44.496 giorni Tracciante, vita media globuli rossi Idrogeno-3 12.26 anni Tracciante biochimico

Iodio-131 8.040 giorni Tracciante, funzionalità tiroide Potassio-40 1.25·10⁹ anni Datazione delle rocce

Sodio-24 14.659 ore Tracciante, sistema cardiovascolare Uranio-238 4.51·10⁹ anni Datazione delle rocce

Uranio-235 700·10⁶ anni Plutonio-239 24,000 anni

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Cinetica di Decadimento e t_1/2.

0 20 40 60 80 100 120

ln N

No = - k t

Tempo (anni) N₀

1/2 N₀

t_1/2 N

t_1/2 = tempo di dimezzamento o di semi trasformazione.

Legge cinetica di

decadimento esponenziale

Impianto Nucleare (estrazione di energia mediante turbina a vapore).

STRUTTURA DI CONTENIMENTO

Barre di Controllo

Pompa

Acqua

Acqua di raffreddamento

Torri di

raffreddamento Linea del vapore

Pompa

Generatore Linea alta tensione

Turbina

Condensatore

Generatore vapore

Come Funziona un Reattore Nucleare.

• L’²³⁵U si scinde assorbendo un neutrone e producendo 2 - 3 neutroni, che iniziano in media un'ulteriore fissione producendo una reazione a catena controllata

• Si usa l’acqua normale come moderatore per rallentare i neutroni in quanto neutroni lenti impiegano più tempo ad attraversare i nuclei di U e hanno più tempo per essere assorbiti

• I protoni nell’idrogeno dell’acqua hanno la stessa massa del neutrone e li intercettano con effetto palla da biliardo

• Gli extra neutroni sono catturati dai protoni per formare deuteroni

• ²³⁵U è arricchito dal suo valore naturale dello 0.7% a circa il 3% per innescare la reazione, ed è contenuto in barre immerse nell’acqua

• Delle barre di controllo di Boro sono inserite per assorbire I neutroni quando è il momento di fermare il reattore

• L’acqua riscaldata viene fatta bollire o la si invia in uno scambiatore di calore per produrre vapore. Il vapore quindi attiva le turbine.

Fissione Nucleare da Neutroni Lenti e Acqua come Moderatore.

NUCLEI

MODERATORE

MODERATORE MODERATORE

NEUTRONE LENTO (TERMICO)

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE VELOCE NEUTRONE

VELOCE

NEUTRONE VELOCE

NEUTRONE LENTO

NEUTRONE LENTO

NEUTRONE LENTO

NEUTRONE LENTO NUCLEO Di

URANIO-235

FISSIONE CONTINUA

DELL’URANIO-235

92 143

92 143

92 143 92 143 92 143 92 143

92 143

Interno di un Reattore Nucleare.

• Camicia per il vapore 

• Barre di combustibile 

• Barre di Controllo 

Produzione di Plutonio (Pu) in Reattori Nucleari.

• Il ²³⁹Pu si produce nei reattori nucleari per assorbimento di un neutrone sul nucleo di ²³⁸U, seguito da due decadimenti beta

• Il ²³⁹Pu si fissiona anch’esso assorbendo un neutrone termico, e in media produce 1/3 dell’energia in un ciclo combustibile.

• Il ²³⁹Pu è relativamente stabile, con una vita media di 24 mila anni.

• Si usa in armi nucleari

• Si può coltivare per reattori nucleari

n ₂₃₈

92U

239 92U

239 93Np

239 94Pu

1/ 2 23.5 min

t 

1/ 2 2.35 days

t 

4 1/ 2 2.44 10 yrs

t  

Conversione di ²³⁸U in ²³⁹Pu

b e‾

b e‾

Problemi Nucleari e Soluzioni.

Three Mile Island 1979

 50% del nucleo fuse, le valvole d’arresto senza indicatore rilasciarono acqua, ma il recipiente di contenimento tenne

 Aggiunti più sensori, migliorata la comunicazione con gli esperti a Washington, non spegnere mai il raffreddamento d’emergenza.

 In US si sono avuti 30 anni di conduzione sicura dopo l’incidente

Chernobyl 1986

 La stupidità umana chiuse il sistema di raffreddamento

 Una modesta progettazione del raffreddamento ad acqua del reattore consentì ad una sacca instabile d’acqua di esplodere

 La grafite prese fuoco

 La tipologia d’impianto non è usata in altri paesi

Fukushima 2011

 Dopa un tremendo tsunami l’impianto fu severamente danneggiato

 Due reattori esplosero

Reattore Veloce a Metallo Liquido.

• Usa i neutroni veloci dalla fissione dell’²³⁵U sull’intorno di ²³⁸U per produrre ²³⁹Pu

• In 10-20 anni, si produce abbastanza Pu da alimentare un altro reattore

• Non serve alcun moderatore

• Non si usa acqua, si deve usare sodio liquido come refrigerante

• U deve essere arricchito al 15%-30% per produrre energia con i neutroni veloci mentre genera il Pu

• Si ottiene però un grado di arricchimento da arma nucleare

• Il Super-Phoenix in Francia ha operato per 20 anni

Soluzioni Proposte per Impianti Nucleari?

Richard Garwin , MIT e industrie del settore propongono:

Se in 50 anni si è utilizzata il doppio di energia, la metà deriverà da impianti nucleari

Servirebbero 4,000 reattori nucleari, usando circa un milione di tonnellate di Uranio all’anno

Impiegando le miniere della crosta terreste, se ne avrebbe per almeno 300 anni

Reattori autofertilizzanti formando Plutonio potrebbero estendere il rifornimento a 200,000 anni

Fonte che non produce CO₂ inquinante? scorie nucleari?, incidenti?

Richiede ingegneri nucleari e siti meglio gestiti

Studio del riprossessamento del combustibile, smaltimento scorie, smaltimento impianto a fine vita, e progettazione più sicura.

I reattori nucleari devono operare giorno e notte, ma l’uso di energia è inferiore di notte, si potrebbe utilizzarli per caricare delle auto elettriche.

Reattori a Fusione.

 La fusione è più facile per gli atomi di Deuterio (D) + Trizio(T):

D(p,n) + T(p,nn) → ⁴He(pp,nn) + n in un plasma ad alta temperatura.

 Il trizio è ripristinato dalla copertura di Li attorno al reattore n + ⁶Li → ⁴He + T

 Reattori a Fusione

 International ITER nel 2012 per ricerche per un decennio al costo di 5 miliardi di $

 Stallo corrente sui siti in Francia o Giappone

 Seguito da DEMO per un impianto funzionante, richiesti altri 10 anni.

 Progettazione e termine dell’impianto commerciale non prima 2050.

 Le disponibilità di Litio dovrebbero bastare per poche centinaia di anni in US.

 Rimarrebbe comunque il problema dello smaltimento dei rifiuti radioattivi.