Principi fisici di conversione avanzata (Energetica L.S.)

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Principi fisici di conversione avanzata
(Energetica L.S.)

• G.Mazzitelli
• ENEA
• Sesta Lezione

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Sesta Lezione

• Fissione
• Reattori a Fissione
• Reattori a Fusione

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Fissione

• La fissione nucleare è il processo per cui un
  nucleo che cattura un neutrone diventa instabile
  e si scinde in due nuclei più leggeri
• Esempio
• Rb Rubidio
• Cs - Cesio

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Fissione

• Nel nucleo si bilanciano due forze quella
  nucleare che lo tiene unito e la repulsione
  elettrostatica che tende a separare i protoni.

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Fissione

• Poiché i nuclei più leggeri hanno circa 1 MeV di
  energia di legame in più di quelli più pesanti in
  ogni reazione di fissione si ha una energia di
  conversione pari a 200 MeV.
• Per la reazione di fissione (1) Q181MeV

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Fissione

• I prodotti della fissione non sono determinati
  univocamente ma la loro distribuzione è
  simmetrica intorno al centro (A1 A2). Per ogni
  frammento pesante vi dovrà essere un
  corrispondente frammento leggero.
• La probabilità che i frammenti di fissione siano
  quasi uguali o gli stessi è 600 volte inferiore
  al massimo che si ha per A1 95 e A2 140

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Fissione
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Fissione

• I due neutroni prodotti nella reazione di
  fissione (1) sono emessi allistante della
  reazione (10-16 s) e sono definiti veloci
  (prompt) ed hanno energie di pochi MeV
• Il numero medio di neutroni emessi ? è
  caratteristico del particolare processo di
  fissione per la fissione indotta da neutroni
  termici sperimentalmente si ha

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Fissione
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Fissione

• Oltre ai neutroni veloci abbiamo quelli ritardati
  ovverosia quei neutroni (1) emessi in seguito a
  decadimenti beta dei frammenti della reazione di
  fissione.
• I tempi di ritardo rispetto alle reazione di
  fissione sono abbastanza corti, tipicamente
  dellordine dei secondi

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Fissione

• I prodotti di fissione della reazione (1) sono
  instabili e decadono secondo la seguente
  sequenza

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Ripartizione dellenergia di fissione
Energia cinetica dei framenti di fissione 170 MeV
Energia cinetica dei neutroni 5 MeV
Gamma pronti 7 MeV
Decadimento gamma dei prodotti di fissione 6 MeV
Decadimento beta dei prodotti di fissioneelettroni 8 MeV
Neutrini 12 MeV
Totale 208 MeV
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Energia dalla fissione

• La fissione di un atomo di 235U produce
• 200 MeV1.6x10-13joule 3.2 x 10-11 joule
• Per produrre 1 Watt avremo bisogno
• 3.1x1010 fissioni al secondo
• Un g di 235U contiene 6x1023/2352.6x1021 atomi
  che completamente bruciato produce 8.3x1010 joule
  pari a 2.3x104 Kwh.
• Quindi per avere una potenza continua di 1 MW al
  giorno bisogna consumare circa 1 g di 235U

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Reazione a catena

• La reazione di fissione si presta molto bene ad
  un funzionamento a catena i neutroni prodotti in
  una fissione possono essere assorbiti da altri
  nuclidi fissili e provocare nuove fissioni e cosi
  via.
• Una reazione si dice critica quando si
  autosostiene, cioè quando il numero di neutroni
  si mantiene costante nel tempo.

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Reazione a catena

• In un sistema critico il numero di neutroni
  prodotti al secondo P deve essere uguale a quello
  per persi al secondo o perché assorbiti A o
  perche sfuggono al sistema F
• P A F
• Se il rapporto P/(AF) Keff1 il sistema si
  definisce critico o se maggiore di 1 (i neutroni
  aumentano nel tempo) è sovracritico, se minore di
  1 ( i neutroni diminuiscono nel tempo ) è
  sottocritico.
• Keff si chiama fattore di moltiplicazione
  effettiva

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Reazione a catena
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Reazione a catena

• Se consideriamo un cm3 di sistema , il numero di
  neutroni assorbito nellunità di tempo e per cm3
  è

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Reazione a catena

• Mentre il numero di neutroni prodotti è

Pertanto , in un sistema omogeneo e almeno in
prima approssimazione
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Reazione a catena

• Se per semplicità assumiamo che tutti i neutroni
  abbiano la stessa energia e se non vi sono nel
  sistema altri elementi che assorbano o producano
  neutroni, il rapporto tra produzione ed
  assorbimento è il numero di neutroni prodotti per
  neutrone assorbito nelluranio, che si indica con
  ?
• ? nel nostro caso dipenderà dal contenuto
  relativo di Uranio - 235U 0.715 e 238U
  99,280

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Reazione a catena
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Reazione a catena
Abbiamo

• Esaminiamo due casi
• neutroni termici
• neutroni veloci da 1 MeV

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Reazione a catena
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Reazione a catena
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Reazione a catena
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Reazione a catena

• Per i reattori che funzionano con neutroni
  termici è sufficiente un arricchimento
  delluranio tra il 3 e il 6
• Per i reattori veloci si hanno arricchimenti
  sempre superiori al 20-25 mentre per le bombe si
  arriva al 90

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Reattore a fissione

• Parecchi problemi tecnologici devono essere
  risolti prima che un reattore nucleare diventi un
  utile generatore di elettricità
• - Arricchimento
• - Moderatore
• - Perdita dei neutroni

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Reattore a fissione- Arricchimento

• Poiché 235U e 238U sono chimicamente identici,
  il solo mezzo per arricchire luranio naturale è
  di sfruttare la piccola differenza di massa.
  Questa è una operazione generalmente complessa
  che richiede grandi quantità di uranio. Un
  esempio è la diffusione gassosa attraverso
  materiali porosi che è più agevole per 235U che è
  meno massivo.
• Oltre a 235U un altro materiale facilmente
  fissile è il 239Pu che non esiste in natura ma
  che può prodotto dalla cattura di un neutrone da
  parte del non fissionabile 238U nel modo seguente

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Reattore a fissione- Moderatore

• I neutroni prodotti da una reazione di fissione
  hanno energie di pochi MeV che hanno poche
  possibilita di indurre unaltra reazione di
  fissione perché la sezione durto decresce
  rapidamente al crescere dellenergia del
  neutrone. E necessario quindi rallentarli
  (moderarli). Quindi il materiale fissionabile è
  circondato da un moderatore e i neutroni perdono
  energia nelle collisioni con gli atomi del
  moderatore. Il migliore moderatore è quel atomo
  che la stessa massa del neutrone ovverosia
  lidrogeno o meglio ancora lacqua pesante D2O
  che non ha virtualmente sezione durto di
  assorbimento neutronico.Anche il carbone è un
  materiale molto adatto come moderatore perché è
  solido,stabile, abbondante ed ha una
  relativamente piccola sezione durta di cattura
  neutronica. Fu il materiale usato da Enrico Fermi
  per costruire nel 1942 la prima pila atomica.

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Reattore a fissione- Perdita di Neutroni

• I neutroni possono essere persi e quindi non
  permettere al sistema di essere critico. Vi sono
  vari canali di perdita
• - Fuga attraverso la superfice
• - Assorbimento nel moderatore
• - Assorbimento da 238U

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Reattore a fissione Schema di Principio
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Reattore a fissione

• Il funzionamento di un reattore a fissione in
  modo controllato è possibile per la presenza dei
  neutroni ritardati. Il controllo del sistema è
  effettuato mediante linserimento tra gli
  elementi di combustibile di barre (per es. di
  Cadmio) che hanno una elevata sezione durto di
  cattura neutronica. Se le barre sono
  completamente inserite il sistema è sottocritico.
  Muovendo le barre si aumenta il numero di
  neutroni e il sistema raggiunge la criticità.
  Aggiustando la posizione delle barre si può
  mantenere costante il numero di reazioni di
  fissione al secondo e il livello di potenza.
  Poiché le barre si muovono meccanicamente i loro
  tempi di risposta sono dello stesso ordine di
  grandezza dei neutroni ritardati. Pertanto un
  reattore è progettato in modo tale da risultare
  sottocritico per i neutroni veloci e critico per
  neutroni veloci più ritardati

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Reattore a fissione

• Vi sono altri tecnologici problemi associati con
  un reattore a fissione tra cui il più importante
  è quello delle scorie radioattive. Queste scorie
  attualmente devono essere immagazzinate in
  opportuni siti che ne garantiscono la
  conservazione e lisolamente rispetto
  allambiente circostante.
• Inoltre, dopo lincidente di Chernobyl, molti
  dubbi nella popolazione sono sorti sulleffettiva
  sicurezza delle centrali nucleari a fissione

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Centrale ad acqua in pressione
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Centrale ad acqua bollente

• Lo svantaggio di questo sistema è che lacqua
  può diventare radioattiva ed una rottura del
  circuito vicini alla turbina sarebbe molto
  pericolosa perché si avrebbe la perdita di
  materiale radioattivo

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Centrale CANDU ad acqua pesante
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Sicurezza Reattore
Concetto di difesa in profondità
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(No Transcript)
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Top 10 Nuclear Generating Countries 2007,
Billion kWh
Source International Atomic Energy Agency, U.S.
is from Energy Information Administration Updated
9/08
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(No Transcript)
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Evoluzione dei reattori nucleari
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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EPR in costruzione
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)