Centrali Nucleari

LE CENTRALI NUCLEARI

L'energia nucleare

Dalle scoperte di Marie Curie al modello atomico e i decadimenti

‘I fisici hanno conosciuto il peccato e questa è una conoscenza che non potranno perdere.’

- Robert Oppenheimer

Argomenti del capitolo

Sintesi degli argomenti trattati nel primo capitolo

Un pò di storia

L'atomo

Decadimento

Timeline dei più importanti avvenimenti riguardo all'energia nucleare.

Breve introduzione all'atomo e alle sue caratteristiche.

I processi di decadimento alfa e beta.

Un pò di storia

1900

1928-33

1945

1896

1932

1898

1911

1905

1942

1955

Attorno al nucleo ruotano particelle cariche negativamente: gli elettroni

Cos'è l'atomo

Il nucleo è una regione carica positivamente al centro dell'atomo. E'composto da protoni, di carica positiva, e da neutroni, privi di carica. Le particelle sono tenute assieme dalla forza andronica

L'atomo (dal greco atomos, indivisibile) è la più piccola parte di un elemento che ne conserva le stesse proprietà chimiche.

Numero atomico e numero di massa

Il numero di massa è la somma del numero di protoni e di neutroni

Il numero atomico è il numero di protoni presenti nell'atomo

Simbolicamente, un elemento è rappresentabile come:

Atomi con stesso numero atomico ma differente numero di massa (quindi con più o meno neutroni) sono isotopi

Prozio

Deuterio

Trizio

La legge di decadimento radioattivo

Il decadimento radioattivo è un processo statistico che segue una legge di decadimento esponenziale.

N(t) = N0e-kτ = N0e-t/τ

Andamento della legge di decadimento

L'intervallo di tempo in cui il numero di particelle diventa la metà di quello iniziale è detto tempo di dimezzamento T1/2

Quando e come decade un atomo?

Gli atomi decadono se sono instabili, quindi se il nucleo è composto da troppi elettroni o troppi protoni. Mediante i processi di decadimento alfa e beta, il nucleo si trasforma e diventa energeticamente stabile.

Decadimento alfa

Durante un decadimento alfa, il nucleo instabile si trasforma in uno più leggero liberando una particella alfa (nucleo di elio).

A-4

He

238

234

Th

He

Z-2

92

90

Decadimento beta

Il decadimento beta prevede il decadimento di un neutrone (β-) o di un protone (β+) con il conseguente rilascio di una particella β (elettrone o positrone) e di un neutrino ν o un antineutrino ¯ν.

un neutrone decade in protone, elettrone (particella β-) e antineutrino

β-

e-

-ν

Z+1

β+

e+

un protone decade in neutrone, positrone (particella β-) e neutrino

Z-1

Domande

Domande

Pefforza!

Il periodo pre-centrali

Fermi, tra reazioni a catena e progetto Manhattan

‘– Il navigatore italiano è appena sbarcato nel nuovo mondo. – I nativi erano amichevoli? – Tutti sono sbarcati salvi e felici.’

- George Weil e Franklin Delano Roosevelt

La grande scoperta

Nel 1934, Enrico Fermi e il resto del gruppo di Via Panisperna (Roma) scoprono che, bombardando vari elementi con dei neutroni, la radioattività degli atomi colpiti aumenta per un tempo variabile. Utilizzando un pezzo di paraffina per filtrare i neutroni però, si resero conto che la radioattività degli elementi bombardati aumentava a dismisura.

Cosa comprese Fermi

Le intuizioni che gli valsero il Nobel

Rallenta-neutroni

Neutroni lenti

Lunghezza d'onda

I materiali rallentano i neutroni in modo più o meno efficace, in base al loro quantitativo di idrogeno nella struttura.

I neutroni con lunghezza d'onda circa uguale alle dimensioni del nucleo provocano vibrazioni tali da distruggerlo.

I neutroni lenti interagiscono più di quelli veloci.

Da Stoccolma agli USA

Per sfuggire alle leggi razziali (sua moglie era di origini ebraiche), Fermi partì per Chicago. Negli USA costruisce la prima pila atomica e partecipa al progetto Manhattan per la costruzione della prima bomba atomica.

Fissione Nucleare

La fissione nucleare è una reazione nucleare nella quale un nucleo molto pesante si scinde in più nuclei. La massa totale dei prodotti di reazione è inferiore a quella del nucleo iniziale: si è liberata energia verso l'ambiente.

Allungamento

Assorbimento del neutrone

Fissione

Nucleo in uno stato eccitato in cui i nucleoni sono a distanze superiori a quelle a cui agisce la forza andronica.

La forza elettrostatica repulsiva è maggiore della forza andronica. il nucleo oscilla e si allunga irreversibilmente.

Separazione definitiva del nucleo e rilascio di neutroni.

Le centrali nucleari

Dalla prima struttura nell'Idaho alle centrali di nuova generazione

‘Il problema oggi non è l'energia nucleare, ma il cuore dell'uomo.’

- Albert Einstein

Cosa sono le centrali nucleari?

Le centrali nucleari sono insiemi di uno o più reattori che sfruttano l'energia liberata dalle reazioni nucleari per generare energia elettrica.

Reattori nucleari

Da cosa sono composti i sistemi in cui avviene la fissione nucleare.

Nocciolo

Pressure vessel

Sistema costituito da barre di combustibile, barre di controllo, dal moderatore e dal fluido termovettore

Contenitore, in acciaio ferritico, volto a racchiudere il nocciolo.

3. Moderatori e barre di controllo

1. Bombardamento

Il materiale fissile viene bombardato da neutroni rallentati, in modo da far avvenire il processo di fissione nucleare e liberare energia.

I moderatori e le barre di controllo fanno in modo che i neutroni rallentino per aumentare l'efficacia della reazione e vengano eliminati quelli in eccesso

2.Fluido refrigerante

4. Massa critica

Il reattore raggiunge la massa critica quando il numero di fissioni resta costante nel tempo.

Il fluido termovettore raccoglie il calore generato e lo trasporta, direttamente o indirettamente ad un utilizzatore per la produzione di energia elettrica.

Tipologie di reattori (II generazione)

L'acqua funge da moderatore e viene riscaldata nel nocciolo fino a bollire ed evaporare. Il vapore arriva alla turbina e permette la generazione di energia elettrica

BWR

Reattori che non necessitano di moderazione. Il combustibile utilizzato è plutonio altamente arricchito (20%). Il vantaggio dei reattori FBR è che sono più efficienti rispetto ad altri tipi in quanto possono produrre più fissile di quanto ne consumano.

FBR

Si tratta di un reattore a tubi verticali che scorrono all’interno di fori nei blocchi di grafite che fa da moderatore, in cui si trova il combustibile (ossido di uranio). Il fluido termovettore è l'anidride carbonica che raggiunge i 620 gradi e, toccando i tubi in cui scorre l'acqua, provoca la formazione di vapore acqueo che alimenta le turbine.

GCR

Utilizza l'acqua sia come moderatore sia come fluido refrigerante. In questo caso, se l'acqua non è pesante (D2O) è necessario arricchire il combustibile (in genere U-235). L’acqua raggiunge nel nocciolo la temperatura di circa 330 °C, ed è mantenuta sotto pressione a circa 150 volte la pressione atmosferica per evitare che entri in ebollizione.

PWR

Tipologie di reattori (III generazione)

L'acqua funge da moderatore e viene riscaldata nel nocciolo fino a bollire ed evaporare. Il vapore arriva alla turbina e permette la generazione di energia elettrica

BWR -> ABWR e ESBWR

Reattori che non necessitano di moderazione. Il combustibile utilizzato è plutonio altamente arricchito (20%). Il vantaggio dei reattori FBR è che sono più efficienti rispetto ad altri tipi in quanto possono produrre più fissile di quanto ne consumano.

FBR

Si tratta di un reattore a tubi verticali che scorrono all’interno di fori nei blocchi di grafite che fa da moderatore, in cui si trova il combustibile (ossido di uranio). Il fluido termovettore è l'anidride carbonica che raggiunge i 620 gradi e, toccando i tubi in cui scorre l'acqua, provoca la formazione di vapore acqueo che alimenta le turbine.

GCR -> GT-MHR

Utilizza l'acqua sia come moderatore sia come fluido refrigerante. In questo caso, se l'acqua non è pesante (D2O) è necessario arricchire il combustibile (in genere U-235). L’acqua raggiunge nel nocciolo la temperatura di circa 330 °C, ed è mantenuta sotto pressione a circa 150 volte la pressione atmosferica per evitare che entri in ebollizione.

PWR -> EPR

Perché le centrali nucleari oggi non sono pericolose come sembrano?

Qualcuno potrebbe dire:

Il NuClEaRe E' pErIcOlOsO!1!1!

Eh Si VaBbE' mA ČeRnObYl'???

FuKuShImA!1!1!

Mio nonno ha toccato le scorie e ora ha 8 teste

I modi per far comprendere che sbagliano sono due

Ma nella presentazione si fa riferimento solo a quello più civile.

Discussione pacata: cosa è successo davvero a Černobyl'?

Le ragioni dietro l'esplosione del reattore 4 sono molteplici, e tutte legate ad errori umani di un personale impreparato alla gestione di una centrale.

Premessa: che tipo di centrale era la Vladimir Lenin?

La Vladimir Lenin era una centrale RBMK (acronimo russo per "reattore di alta potenza a canali, facente parte della famiglia dei BWR) moderato a grafite e raffreddato ad acqua, ma soprattutto non pensato esclusivamente per scopi civili, dovendo anche produrre plutonio per fini militari.

Il reattore aveva un rendimento basso (circa il 30%), ma era estremamente flessibile in quanto a combustibile. Potevano infatti essere alimentati sia con uranio naturale, sia con uranio arricchito, e persino con combustibile MOX (Mixed Oxide Fuel).

Cosa portò all'incidente

Disabilitato il sistema di riduzione di emergenza della potenza

Il tetto dell'edificio di contenimento del reattore fu lasciato aperto

Personale impreparato

Disabilitato il sistema di raffreddamento di emergenza del nocciolo

Errore nell'inserimento delle barre di controllo

La manutenzione fu eseguita col reattore acceso

Aggiunta troppa acqua nel sistema

Si effettua il test nonostante l'instabilità del reattore

Accumulo di xeno-135

Disattivato il sistema di spegnimento di emergenza

Rimosse 205 barre di controllo su 211

Aumento repentino delle fissioni

10

11

12

Aumento dell'attività dopo il reinserimento delle barre di controllo

13

Cos'è stato fatto per evitare un altro incidente

Sistemi di emergenza passivi non disinseribili

Ispezioni internazionali prima dell'entrata in funzione dell'impianto

SCRAM, sistema di arresto di emergenza che non può essere disinserito

Introdotta la IAEA, agenzia che certifica gli operatori della centrale

Il problema delle scorie

Una delle maggiori critiche verso l'energia nucleare riguarda i materiali di scarto: le scorie radioattive.

I rifiuti radioattivi (provenienti sia dal settore nucleare che da quello medico/industriale) si dividono in: Scorie a vita molto breve; Scorie ad attività molto bassa (VLLW, Very Low Level Waste); Scorie a bassa attività (LLW, Low Level Waste); Scorie ad attività intermedia (ILW, Intermediate Level Waste); Scorie ad alta attività (HLW, High Level Waste);

La gestione delle scorie

Il principio fondamentale su cui si basa la gestione dei rifiuti radioattivi è la loro raccolta e il successivo isolamento dall’ambiente per un tempo sufficiente a far decadere la radioattività a livelli non più pericolosi

La gestione dei rifiuti radioattivi avviene essenzialmente in 5 fasi: Caratterizzazione, in modo da determinare le caratteristiche chimiche, fisiche e radiologiche del rifiuto; Trattamento, essenziale per ridurre il volume del rifiuto e prepararlo alla successiva fase; Condizionamento, con cui il rifiuto radioattivo, è reso idoneo al trasporto, allo stoccaggio temporaneo e al conferimento al Deposito Nazionale; Stoccaggio, con lo scopo di attendere che il suo contenuto radiologico decada a livelli più bassi così da indirizzarlo alla soluzione di smaltimento più adeguata; Smaltimento, per cui il rifiuto viene conferito ad un deposito definitivo per il suo smaltimento;

FINE

Le mie fonti

Libro di testo

Wikipedia

Materiale pdf (link)

Le mie fonti

Libro di testo e materiale fornito

Esperimentanda.com (link)

Wikipedia

Le mie fonti

Libro di testo e materiale fornito su Google Classroom

"L'avvocato dell'atomo" di Luca Romano

Museoenergia.ithttps://museoenergia.it/museo.php?stanza=80

Wikipedia

am.pictet https://am.pictet/it/blog/articoli/sviluppo-sostenibile/energia-nucleare-pro-e-contro#:~:text=Le%20centrali%20nucleari%20producono%20energia,da%20un%20neutrone%2C%20si%20dividono.