L’ENERGIA NUCLEARE ATTUALITÀ E PROSPETTIVE

G. Giorgio Bombi – Dipartimento di Scienze Chimiche “Little Boy” – Hiroshima, 6 agosto 1945

IL FENOMENO DELLA RADIOATTIVITÀ

“Fat Man” – Nagasaki, 9 agosto 1945

Combinando fra di loro i quark si producono gli adroni: Le particelle elementari 3 quark formano un barione (protone o neutrone) 2 quark (1 quark + 1 antiquark) formano un mesone Fermioni (particelle con spin semiintero): 24 particelle in totale: 6 quark quark up: carica 2/3 6 leptoni (elettrone, muone, tauone, neutrini: elettronico, muonico, tauonico) quark down: carica -1/3 altrettante antiparticelle protone neutrone Bosoni (particelle con spin intero): 6 (o 7?) particelle in totale: (up up down) (up down down) gluone: mediatore della forza forte (spin 1) Fortunatamente, per i nostri scopi sarà sufficiente prendere in bosoni elettrodeboli (spin 1) considerazione solo 7 particelle: - fotone (mediatore della forza elettromagnetica) - bosoni deboli: W +, W - e Z0 (mediatori della forza debole) protoni neutroni bosone di Higgs (spin 0) elettroni (e antielettroni) gravitone (mediatore della gravità) (spin 2) (?) neutrini (e antineutrini) elettronici fotoni

1 Un particolare nuclide può essere rappresentato indicando il IL CONCETTO DI NUCLIDE simbolo dell’elemento corrispondente, il numero di massa e il numero atomico (quest’ultima indicazione è in realtà pleonastica!). Per nuclide si intende una specie atomica caratterizzata dalla Ad esempio, l’elemento carbonio ha due isotopi stabili: il costituzione del suo nucleo, cioè dal numero di protoni (Z) e dal carbonio-12 il cui nucleo contiene 6 protoni e 6 neutroni e il numero di neutroni (N). I protoni e i neutroni vengono chiamati carbonio-13 il cui nucleo contiene 7 neutroni. collettivamente nucleoni. I simboli corrispondenti sono 12C (o semplicemente 12 C) e 13C La somma del numero di protoni e del numero di neutroni, A = Z + N, 6 6 prende il nome di numero di massa. (o semplicemente 13 C). Le proprietà chimiche di un atomo dipendono (praticamente) solo dal Esiste in natura anche un isotopo radioattivo del carbonio, il numero degli elettroni, ovviamente eguale al numero dei protoni del carbonio-14, il cui nucleo contiene 8 neutroni. 14 14 suo nucleo. Il simbolo corrispondente è 6 C (o semplicemente C). Un elemento chimico è quindi caratterizzato dal valore di Z (numero Per curiosità: sono noti altri 12 isotopi del carbonio, fra 8C e 11C atomico). L’insieme dei nuclidi con lo stesso valore di Z e con valori e fra 15C e 22C. Tutti questi nuclidi sono radioattivi con emivita diversi di N (o di A) costituiscono gli isotopi dell’elemento in molto breve (20.3 min nel caso del più stabile, 11C) e quindi non questione. sono presenti in natura.

I componenti di un nucleo sono tenuti assieme dalla “forza nucleare forte”, caratterizzata da un raggio d’azione Unità di massa atomica estremamente ridotto (circa 2 fm) . La forza nucleare agisce (quasi) allo stesso modo su neutroni e protoni. Su scala atomica o molecolare le masse vengono espresse utilizzando la “unità unificata di massa atomica” (simbolo u); Con l’eccezione tale unità viene comunemente chiamata dalton (simbolo Da). dell’idrogeno-1 e dell’elio-3, Il dalton è definito come 1/12 della massa di un atomo di tutti i nuclidi stabili carbonio-12. Sperimentalmente si trova

contengono un numero di -27 neutroni almeno eguale al 1 Da = 1.660 538 921 × 10 kg numero dei protoni. Questo Massa del protone: 1.007 276 466 812 Da perchè solo in queste condizioni la forza nucleare Massa del neutrone: 1.008 664 916 00 Da è in grado di contrastare la Massa dell’elettrone: 5.485 799 094 6 × 10-4 Da repulsione coulombiana fra i protoni Il valore numerico della massa di un atomo espressa in dalton è sempre molto prossimo al numero di massa dell’atomo stesso. Dipendenza dalla distanza della forza nucleare forte (1 fm = 10-15 m = 10-6 nm)

Il difetto di massa Alcuni esempi Nella (ipotetica) formazione di un nucleo a partire dai nucleoni Nella tabella seguente Σ rappresenta la somma delle masse dei componenti si ha liberazione dell’energia di legame fra i nucleoni nucleoni, M la massa effettiva del nucleo e Δ la differenza stessi (azione della forza nucleare forte). Questa liberazione di percentuale fra i due valori. energia si traduce in una diminuzione di massa in base alla relazione di Einstein: E = mc 2 Di conseguenza, la massa di un dato nucleo è sempre inferiore alla somma delle masse dei nucleoni che lo costituiscono.

Ricordiamo che l’energia messa in gioco nei processi nucleari (e anche nei processi chimici) si misura spesso in elettronvolt. 1 eV = 1.602 176 565 x 10-19 J ~ 1.6022 x 10-19 J Se riferita a una mole questa energia corrisponde a 1.6022 x 10-19 x 6.0221 x 1023 J = 96.485 kJ A conti fatti, 1 Da corrisponde a 931.494 061 MeV.

2 Andamento dell’energia di legame media per nucleone in funzione del numero di massa

Il massimo della curva che rappresenta il difetto medio di massa, e anche (in base alla relazione di Einstein) l’energia media di legame fra i nucleoni, si trova nella regione attorno ad A = 60. È quindi (teoricamente) possibile ricavare energia sia combinando fra di loro nuclei leggeri (fusione) sia frammentando nuclei pesanti (fissione).

I nuclidi più stabili (con energia di legame È noto in particolare che l’energia delle stelle proviene media per nucleone maggiore) sono 62Ni, dalla fusione di idrogeno in elio. 58Fe, 56Fe e 60Ni

Classificazione dei nuclidi conosciuti La “carta dei nuclidi” Rappresenta, nel piano Z – N, i Sono attualmente noti circa 3300 nuclidi. nuclidi attualmente noti. È importante osservare che al Nuclidi presenti in natura: crescere della massa il numero 288 nuclidi primordiali di cui dei neutroni nei nuclidi stabili (quelli indicati in nero) aumenta 254 non radioattivi (90 “assolutamente stabili”) più rapidamente del numero dei protoni. Ricordiamo che 34 radioattivi (alcuni presenti in quantità all’interno del nucleo agiscono estremamente piccola, la maggior parte con una forza attrattiva (la “forza radioattività trascurabile) nucleare forte”), che agisce nello stesso modo su protoni e 51 nuclidi radioattivi non primordiali (provenienti dal neutroni, e una forza repulsiva decadimento di nuclidi primordiali o prodotti da altri (elettrostatica) che agisce sui meccanismi) protoni. Se il numero dei protoni è elevato la stabilità del nucleo Nuclidi sintetici: si raggiunge solo in presenza di circa 3000, di cui 563 con emivita > 1 h un numero maggiore di neutroni.

Tipi di decadimento radioattivo La regione iniziale. della carta dei nuclidi. Esistono numerose modalità di decadimento radioattivo. Nel presente Sono rappresentati tutti i contesto ci interessano i decadimenti alfa e beta. nuclidi stabili e due nuclidi Nel decadimento alfa, caratteristico dei nuclidi più pesanti, si ha emissione radioattivi particolarmente di un nucleo di elio-4 (particella alfa). “interessanti”, il trizio (idrogeno-3) e il carbonio-14. Esempi: 238 234 4 92UTh→+ 90 2He Tali nuclidi sono presenti in natura in quanto vengono 232Th→+ 228 Ra 4He prodotti nell’alta atmosfera 90 88 2 ad opera della radiazione cosmica (“nuclidi Le particelle alfa emesse hanno tipicamente energie di 5 MeV (velocità cosmogenici”). 15 000 km/s). Non sono rappresentati un Nel decadimento beta si ha emissione di un elettrone e di un antineutrino. gran numero di nuclidi 234 234 − radioattivi sintetici, tutti Esempi: 90Th→++ 91 Pa e νe con vita breve o brevissima. 137 137 - 55Cs→++ 56 Ba e νe

3 Rappresentazione dei decadimenti alfa, beta+ e beta- Esiste anche il decadimento beta+, che comporta l’emissione di un sulla carta dei nuclidi positrone (antielettrone) e di un neutrino

22 22 + Esempio: 11Na→ 10 Ne + e + νe

I nuclei prodotti dai decadimenti alfa e beta si trovano (normalmente) β+ in uno stato eccitato; la diseccitazione avviene mediante l’emissione di raggi γ (fotoni di energia elevata). Esistono altri tipi di decadimento, meno comuni; fra questi vi sono il β− doppio decadimento beta, l’emissione di protoni o di neutroni e la fissione spontanea. α

La “carta dei nuclidi” con I tre tipi di radiazione, α, β e γ, l’indicazione dei tipi di sono caratterizzati da una decadimento radioattivo. capacità di penetrazione molto - il decadimento beta- (o diversa. semplicemente beta) è carat- teristico dei nuclidi che si - i raggi α vengono completa- trovano nella parte alta del mente arrestati da un foglio di grafico (con un numero di carta o da pochi centimetri neutroni in eccesso rispetto ai d’aria nuclidi stabili) - i raggi β vengono arrestati, a - il decadimento beta+ è carat- seconda della loro energia, da teristico dei nuclidi che si un modesto spessore di metallo trovano nella parte bassa (con un numero di neutroni in - i raggi γ vengono attenuati difetto) gradualmente, secondo la legge - il decadimento alfa è carat- di Beer; per ottenere un teristico di nuclidi pesanti assorbimento significativo sono - la fissione spontanea si necessari spessori rilevanti di verifica sono per alcuni nuclidi materiali di densità elevata. molto pesanti.

Decadimento radioattivo Unità di misura della radioattività 100 ddNNt=−λ ⋅ ⋅ La radioattività di un dato materiale si misura in becquerel 80 (Bq). 1 Bq corrisponde a 1 disintegrazione al secondo −λt Nt()=⋅ N0 e 60 Una vecchia unità, spesso ancora utilizzata, è il curie (Ci), corrispondente alla radioattività di 1 g di 226Ra 40 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq

20 Ad esempio la radioattività dell’uranio-238 è 12.44 kBq / g = 3.36 x 10-7 Ci / g 0 t circa 3 milioni di volte inferiore a quella del radio. ln (2) tempo di dimezzamento (emivita): t = 1/2 λ dopo 10 tempi di dimezzamento la quantità iniziale si riduce allo 0.1% circa

4 Nuclidi radioattivi primordiali tempo di dimezzamento La vita dell’Universo è stimata in circa 14 miliardi di anni (per l’esattezza, 13.798 ± 0.037) mentre la vita del Sistema miliardi di anni in rapporto alla vita del Sistema Solare Solare è di circa 4.6 miliardi di anni (per l’esattezza, 4.568). 128Te 2.2 x 1015 I nuclidi radioattivi con tempo di dimezzamento molto 136Xe 2.4 x 1012 inferiore alla vita del sistema solare anche se erano 76Ge 1.8 x 1012 inizialmente presenti sono decaduti completamente. (...) D’altro canto i nuclidi con tempo di dimezzamento lunghissimo 187Re 41.22 9.02 presentano una radioattività molto modesta, in pratica molto 34 176Lu 37.64 8.24 difficile da evidenziare. (Ricordiamo che dei 254 nuclidi “non 232Th 14.06 3.08 radioattivi” solo 90 sono “assolutamente stabili”.) 238U 4.471 0.98 40K 1.25 0.27 Fra i nuclidi radioattivi primordiali i più significativi per 232 238 235U 0.704 0.15 l’abbondanza e per il grado di radioattività sono Th, U, 40 235 146Sm 0.103 0.023 K e U. L’energia liberata nel decadimento di questi nuclidi 244Pu 0.080 0.018 è la fonte di circa metà del flusso geotermico.

nel 2011 136Xe non era classificato come radioattivo

Decadimento radioattivo del potassio-40 (abbondanza 0.0117%)

β+ 11%

β- 89%

Flusso geotermico medio: 92 mW m-2 Flusso globale: 44.2 TW Per confronto il flusso di energia solare in arrivo alla superficie della Terra è 121 000 TW

Le tre serie di decadimento radioattivo Serie di decadimenti

C N

E

B

D

t La serie 4n + 1 (serie del nettunio) ha come capostipite il 237Np che ha un Una volta raggiunto lo stato stazionario ciascuno dei prodotti di decadimento 6 tempo di dimezzamento di 2.14 x 10 anni e quindi non è presente in natura è presente in quantità proporzionale alla propria emivita

5 Lo spettro gamma di un minerale di uranio Nuclidi cosmogenici - Trizio (idrogeno-3) Nello spettro sono visibile le righe gamma emesse dai prodotti di decadimento dell’uranio. Si forma nell’atmosfera per reazione dell’azoto-14 con neutroni veloci (energia superiore a 4 MeV) I minerali di uranio nei quali la catena di decadimenti – che comprende 14 stadi - ha raggiunto lo stato stazionario sono 13 volte più radioattivi 14N + n→ 12 C + 3 H dell’uranio puro. 761 Decadimento:

33 − 12H →+ He + e νe

Tempo di dimezzamento: 12.32 anni Data la brevità del tempo di dimezzamento il trizio è presente in natura in tracce molto piccole. Ad esempio, nell’acqua degli oceani il rapporto 3H / 1H è di 1 / 5.41 × 1016. Quantità non trascurabili di trizio vengono prodotte dalla reazione

23 11H + n→ H

che si verifica (con bassa probabilità) nei reattori nucleari ad acqua pesante.

Gli esperimenti nucleari nell’atmosfera hanno portato alla Nuclidi cosmogenici - Carbonio-14 formazione di una quantità notevole di 14C. La figura rappresenta l’eccesso di concentrazione di 14C rispetto ai valori normali Si forma nell’atmosfera per reazione dell’azoto-14 con neutroni termici

14 14 76N + n→ C + p

Decadimento

14 14 − 67C→+ N + e νe

Tempo di dimezzamento: 5730 ± 40 anni

-12 Concentrazione nell’atmosfera (come CO2): 10 del C totale eccesso (per mille) Quantità totale: 230 x 106 Ci = 8.5 x 1018 Bq.

Ricordiamo che il carbonio-14 trova impiego nella datazione di materiali di origine organica (fino a circa 60 000 anni). Questo metodo di datazione è stato ideato nel 1947 da Willard Frank Libby (premio Nobel 1960). 1963: trattato per l’abolizione degli esperimenti nucleari in atmosfera

L’energia delle stelle proviene dalla fusione di quattro atomi di idrogeno per dare un atomo di elio

LA FUSIONE NUCLEARE

6 La reazione a catena protone-protone

La serie di reazioni considerata, 12+++ (molto lenta) 2 11 H → H + e +ν e + 0.42 MeV che avviene a temperature comprese fra 10 e 14 x 106 K, +- e + e→ 2γ + 1.02 MeV comporta la fusione di quattro protoni con formazione di un 21H++ + H → 32 He + + γ + 5.49 MeV 11 2 atomo di elio. La differenza di massa è dello 0.7% e 2 32 He+++ → 42 He + 2 1 H + 12.86 MeV 221 corrisponde a una energia di 26.73 MeV, di cui il 2% è

142+− + asportato dai neutrini. 4 12e H + 2 e → He + 2 ν + 6 γ + 26.73 MeV Come accennato, la fusione idrogeno elio può avvenire anche con altri meccanismi. Esistono altri due meccanismi nei quali la quarta reazione (fusione di due nuclei di elio-3) è sostituita dalla fusione fra elio-3 e idrogeno-1, Quello considerato è respon- che si realizza attraverso cicli catalitici che coinvolgono il berillio-7 e sabile della produzione dell’86% il litio-7 oppure il berillio-7 e il boro-8. dell’energia del Sole.

Ivy Mike: la prima esplosione La struttura del Sole termonucleare della storia I processi di fusione avvengono nel nucleo solare, una regione il cui raggio è il 20-25% del raggio del Sole, caratterizzata da una densità di (1 novembre 1952, atollo Enewetak) 150 g/cm3 e da una temperatura di 13.6 x 106 K.

In una bomba termonucleare il combustibile La prima bomba termonucleare a “combustibile viene compresso, riscaldato e irradiato con solido “ (Teller-Uhlam), denominata in codice Castle neutroni ad opera di un primo stadio Bravo è stata fatta esplodere il 1 marzo 1954 costituito da una bomba a fissione. sull’atollo di Bikini (Isole Marshall). La “resa” è stata di 15 megaton, molto superiore alla resa Nel primo esperimento (Ivy Mike) il attesa (6 Mt). Questo grossolano errore di combustibile era deuterio liquido, e la valutazione sulle caratteristiche dello bomba è “bomba” era costituita da un piccolo edificio. dipeso dalla mancata considerazione del ruolo di 7Li Nelle bombe di effettivo impiego (realizzate che dà luogo alla formazione di trizio per reazione secondo il progetto di Teller-Ulam, schema a con neutroni veloci (il litio utilizzato era arricchito sinistra) si usa come combustibile il in 6Li ma conteneva ancora il 60% di 7Li). deuteruro di litio-6, 2H6Li. 643 Il funzionamento è abbastanza complicato e 321Li + n → He + H oltre alla fusione del deuterio e del trizio 743Li + n → He + H + n prodotto dalla reazione fra 6Li e neutroni 321 implica la fissione di 235U o di 239Pu (il cilindro L’esplosione ha provocato la ricaduta di quantità molto rilevanti di particolato cavo posto al centro della massa di radioattivo; l’inquinamento risultante, oltre a causare la morte di un pescatore combustibile) ed eventualmente la fissione, giapponese, ha prodotto gravi danni alla salute degli abitanti di due atolli provocata da neutroni veloci, del rivestimento (Rongelap e Rongerik) che sono stati completamente evacuati 48 ore dopo esterno di U naturale. I processi di fissione l’esplosione. Successivamente nelle Isole Marshall (che sono state complessiva- contribuiscono in misura rilevante al mente la sede di 67 esplosioni nucleari) si sono verificati numerosi casi di “rendimento” della bomba. malformazioni neonatali. Nel 1956 le Isole Marshall sono state giudicate dall’AEC "by far the most contaminated place in the world”.

7 Reattori a fusione Subito dopo le prime esplosioni termonucleari è stato previsto un Per ottenere la fusione è necessario riscaldare i materiali utilizzati ad una futuro impiego della fusione come fonte di energia ai fini civili. temperatura molto elevata, dell’ordine di milioni di gradi. Ovviamente Negli anni ’70 è stata esaminata la possibilità di produrre vapore nessun recipiente è in grado di sopportare queste temperature; il ad alta temperatura facendo esplodere piccole bombe a idrogeno confinamento dei reattivi può essere ottenuto o per via inerziale (facendo in una cavità sotterranea (Project PACER, Los Alamos National in modo che la reazione avvenga in un tempo inferiore a quello necessario Laboratory). Il progetto, abbandonato nel 1975, costituisce perché i reattivi si disperdano, come per esempio avviene nelle bombe “l’unico metodo per la produzione di energia da fusione la cui termonucleari) oppure mediante campi magnetici. fattibilità con le tecnologie esistenti è dimostrabile”.

La tecnologia che viene attualmente studiata più attivamente è quella del confinamento magnetico: il combustibile (una miscela di trizio e deuterio allo stato gassoso) contenuto in un recipiente toroidale viene ionizzato e riscaldato mediante una scarica elettrica e viene confinato da un campo magnetico con opportune caratteristiche. Sono state proposte varie configurazioni del dispositivo di confinamento; quella più promettente è nota come .

Il combustibile utilizzato è una miscela di deuterio e trizio che, rispetto Il deuterio è ampiamente disponibile in natura (gli oceani ne contengono ad altri combustibili possibili, dà luogo a velocità di reazione accettabili circa 48 x 1012 tonnellate); il trizio deve invece essere ottenuto per a temperature relativamente basse. reazione fra litio e neutroni:

32 4 643Li + n (qualsiasi energia) → He + H 11H + H → 2 He + n (+ 17.6 MeV) 321

743 321Li + n (alta energia) → He + H + n

Il litio è relativamente abbondante: la sua concentrazione media nella crosta terrestre è dell’ordine di 20-70 mg / kg, circa quanto il piombo e il nichel. La concentrazione nell’acqua di mare è di 0.14-0.25 ppm (totale 230 Gt). La composizione isotopica del litio naturale è 6Li 7.5%; 7Li 92.5%. Riserve significative di litio sono presenti in Bolivia (5.4 Mt), Cile (7.5 Mt) (produzione 12 600 t nel 2011), Cina (3.5 Mt), Argentina (0.85 Mt), Australia (0.97 Mt) (produzione 9 260 t nel 2011) e (forse) in Afghanistan. Esiste qualche preoccupazione sulla disponibilità di litio in vista del suo impiego nella produzione di batterie a ioni di litio.

JET - ITER International Thermonuclear Experimental Reactor

Nel 2005 è stato avviato il progetto ITER, sostenuto da Stati Uniti, Il principale esperimento di Unione Europea, Cina, India, Giappone, Russia e Corea del Sud. Il fusione mediante confinamento dispositivo sperimentale (un Tokamak con un volume interno di 840 m3) è magnetico è il JET, avviato nel attualmente in costruzione a Caradache (Francia). Il completamento è 1983 a Culham (UK) e tuttora in previsto per il 2019. Il costo era inizialmente stimato a 5 G€; le stime sono corso. attualmente cresciute a 16 G€; da segnalare delle incertezze sul futuro della partecipazione degli Stati Uniti. Il JET ha prodotto un picco di potenza da fusione di 16 MW, con Si prevede che ITER sarà in grado di fornire, sotto forma di calore, una un valore di Q (rapporto fra potenza in uscita 10 volte superiore alla potenza in ingresso, sostenendo la potenza prodotta e potenza reazione di fusione per molti minuti. Non è comunque previsto l’utilizzo del calore prodotto per la produzione di energia elettrica. Nel 2025 (circa) è L’interno del Tokamak dell’esperimen- utilizzata in ingresso) di circa 0.7. to JET. Sulla destra una fotografia Ovviamente per ricavare energia prevista l’installazione di un breeder blanket, uno schermo contenente litio del . sarebbe necessario avere almeno destinato alla produzione di trizio per reazione con i neutroni prodotti Q > 1; per un impianto industriale dalla reazione di fusione (in una prima fase è prevista la “importazione” di Dimensioni del toro: sarebbe necessario avere Q ~ 10. trizio proveniente da reattori moderati con acqua pesante). raggio maggiore: 2.96 m Per il 2024 è previsto l’avvio della realizzazione di DEMO, un reattore raggio minore: 1.25 – 2.10 m sperimentale che dovrebbe essere in grado, entro il 2033, di produrre 3 volume interno: 100 m energia da fusione su scala commerciale.

8 Dispositivi a confinamento inerziale

La realizzazione di reattori a confinamento inerziale è stata a lungo considerata difficile se non impossibile; da qui la maggiore attenzione dedicata al confinamento magnetico. Attualmente l’interesse per questa tecnologia è ripreso e sono in corso due progetti, uno negli Stati Uniti (National Ignition Facility, al Lawrence Livermore National Laboratory, a Livermore, CA) e uno in Francia (Laser Mégajoule, a Bordeaux). LA “FUSIONE FREDDA” In entrambi i casi si prevede di comprimere e riscaldare una pastiglia di combustibile (miscela di deuterio e trizio), eventualmente contenuta in una microcapsula metallica, mediante fasci laser convergenti. Non si fanno per il momento ipotesi sul tempo necessario per arrivare alla produzione di energia utile, ma vale la pena di citare il fatto che il 7 ottobre 2013 alla National Ignition Facility la “combustione” di una pastiglia ha liberato per la prima volta più energia di quella spesa per la “accensione”.

La “fusione fredda” In realtà gli studi sul fenomeno della “fusione fredda”, spesso ribattezzata con altre L’esperimento base consiste nell’elet- denominazioni (ad es. LENR, Low Energy trolisi di acqua pesante su di un Nuclear Reactions) sono proseguiti ad opera elettrodo di palladio. Secondo gli autori di più gruppi di ricercatori, sempre però in un (Stanley Pons e Martin Fleischmann, clima di diffidenza. 1989) si ha produzione di calore in Si possono citare studi condotti in Italia misura giustificabile solo da un processo (ENEA) e in laboratori della Marina USA. Fra nucleare; in seguito sarebbe stata il 1990 e il 2013 si sono svolti con la riscontrata la produzione di piccole denominazione di ICCF (International quantità di neutroni e di trizio. Conference on Cold Fusion), 18 incontri Le affermazioni di Pons e Fleischmann internazionali sull’argomento (di cui 3 in hanno suscitato un vasto interesse e vi Italia). sono stati numerosi tentativi di ripetere l’esperimento. L’esito negativo della Il 16 aprile 2013 lo US Patent and Trademark maggior parte di questi tentativi e Office ha registrato a favore di “The United l’assenza di una spiegazione teorica per States of America as represented by the i processi di fusione ipotizzati ha Secretary of the Navy” un brevetto intitolato portato ben presto la maggioranza del “System and method for generating particles” Cella elettrolitica per lo studio che chiaramente riguarda la “fusione fredda”. mondo scientifico a considerare la La cella elettrolitica di Pons e della fusione fredda ricerca sulla “fusione fredda” come Fleischmann nella versione originale (Ma a distanza di due anni – maggio 2015 - Space and Naval Warfare Systems Center pseudoscienza. (USA 2005) non se ne è più sentito parlare!)

La fissione è una reazione nucleare in cui il nucleo di un atomo si frammenta in due (raramente in tre) nuclei. Abbiamo già ricordato il fenomeno della fissione spontanea, una rara forma di decadimento radioattivo caratteristica di nuclidi molto pesanti. Siamo ora interessati alla fissione indotta da neutroni. Esempio:

235U + n → 95 Sr + 139 Xe + 2n LA FISSIONE 92 38 54 Dato che i nuclidi più leggeri sono caratterizzati da un rapporto neutroni/protoni più piccolo di quello dei nuclidi più pesanti il processo è sempre accompagnato dalla produzione di neutroni (tipicamente due o tre). La massa complessiva dei prodotti di fissione è sempre inferiore alla massa del nuclide di partenza (più quella del neutrone). Questa diminuzione di massa comporta la liberazione di una quantità rilevante di energia.

9 Prodotti di fissione dell’uranio-235 ad opera di neutroni termici Il modello “a goccia” per la fissione indotta da neutroni Rendimento di fissione %

Numero di massa A

La fissione avviene in genere in modo “asimmetrico”: i due frammenti prodotti hanno per lo più numeri di massa prossimi a 95 e a 138.

Bilancio di massa per un processo di fissione I nuclidi prodotti dalla fissione hanno sempre un rapporto

235 92 141 neutroni/protoni maggiore di quello caratteristico dei nuclidi 92U + n → 36 Kr + 56 Ba + 3n stabili (si trovano nella parte alta della carta dei nuclidi) e sono quindi radioattivi, con decadimento beta. Per esempio, il kripton- 235U 235.0439 92 (uno dei prodotti di fissione dell’uranio-235 nell’esempio considerato precedentemente) si trasforma nel nuclide stabile n 1.0087 zirconio-92 attraverso quattro decadimenti beta successivi: 236.0526 Da

92Kr →→→→ 92Rb 92Sr 92Y 92 Zr 92Kr 91.9262 36 37 38 39 40 1.29 s 4.49 s 2.66 h 3.54 h 141Ba 140.9144 In ciascun decadimento si ha produzione di energia (energia 3 n 3.0261 cinetica degli elettroni emessi + energia dei raggi gamma + 235.8637 Da energia “asportata” dagli antineutrini).

differenza: 0.1859 Da 173.16 MeV Di conseguenza anche se in un reattore nucleare il processo di fissione viene arrestato, il sistema continua a liberare una quantità significativa di energia. (ricordiamo che 1 Da equivale a 931.4941 MeV)

Energia liberata dalla fissione di 235U Reazione a catena (valori medi approssimativi in MeV) Nella fissione dell’uranio-235 si Energia liberata immediatamente liberano mediamente 2.5 neutroni. In energia cinetica dei nuclei figli 169.0 condizioni opportune questi neutroni energia cinetica dei neutroni 4.8 180.8 possono indurre la fissione di altri raggi gamma 7.0 nuclei di uranio-235, dando luogo a una reazione a catena. Energia liberata successivamente raggi beta 6.5 Nella figura le frecce rosse indicano raggi gamma 6.3 21.6 neutroni “utili” (che danno luogo ad antineutrini 8.8 ulteriori fissioni); le frecce nere indicano neutroni “perduti”. Energia totale 202.4 Se il numero medio di neutroni “utili” è 181 MeV per atomo di 235U corrispondono a circa 74 x 1012 J/kg. inferiore a uno, la reazione a catena si Per confronto, la combustione di 1 kg di carbonio produce 32.8 x 106 J, arresta; se è maggiore di uno la una quantità di energia 2 milioni di volte minore. reazione ha un decorso esplosivo; se è eguale a uno la reazione procede con velocità costante.

10 Bombe a fissione La massa critica

Per ottenere una reazione a catena è necessario che il

9494 12 12 numero di neutroni che sfuggono dalla massa di materiale 4242BeBeB + ++ He He He →→ C 6 6 C+ C +n + n n fissile non sia troppo elevato. Questo risultato si ottiene se la massa di materiale fissile contenuta in un dato volume è sufficientemente elevata (superiore alla “massa critica”).

“Little Boy” – Hiroshima “Fat Man” – Nagasaki La massa critica viene raggiunta “spa- La massa critica viene raggiunta rando” un “proiettile” (un cilindro cavo) comprimendo una sfera di plutonio di uranio-235 contro un “bersaglio” di mediante un esplosivo convenzionale uranio-235

In entrambi i casi al centro della massa di materiale fissile è collocato un “detonatore” ( initiator) contenente 9Be e 210Po separati da un materiale in grado di schermare le particelle α emesse dal Po. La compressione del combustibile fa entrate in contatto il Be e il Po con conseguente emissione di neutroni a seguito della reazione

94 12 42Be + He → 6 C + n

La pila di Fermi

“The Italian navigator has landed in the New World” Chicago, 2 dicembre 1942

REATTORI NUCLEARI

Era costituita da pastiglie di uranio separate da blocchi di grafite come moderatore, con bacchette di metallo cadmiato come barre di controllo.

Il nocciolo di un reattore nucleare I due “combustibili” utilizzati nei reattori nucleari (oltre che nelle bombe a fissione) sono l’uranio-235 (presente in natura) e il plutonio-239 (prodotto artificialmente). L’uranio naturale comprende due nuclidi primordiali (gli isotopi 235 e 238) più tracce dell’isotopo 234, prodotto dal decadimento dell’uranio-238: isotopo abbondanza emivita (anni) 234 0.005% 2.455 x 105 235 0.720% 7.038 x 108 238 99.274% 4.468 x 109 L’uranio-235 è l’unico nuclide naturale fissionabile ad opera di neutroni lenti. L’uranio-238 può subire fissione ad opera di neutroni veloci (con probabilità molto bassa) e può catturare neutroni veloci con produzione di plutonio-239. La luminosità azzurra è prodotta da elettroni (raggi beta) che si muovono nell’acqua con velocità superiore a quella della luce (effetto Čerenkov)

11 Schema di principio di un reattore nucleare

Dato che i neutroni emessi dalla fissione dell’uranio-235 sono veloci (energia circa 4 MeV, velocità circa il 7% della velocità della luce) per ottenere una reazione a catena sostenibile è (in genere) necessario - “arricchire” l’uranio portando la frazione di uranio-235 p. es. al 3%, in modo da ridurre la probabilità di cattura dei neutroni ad opera dell’uranio-238; - ridurre la velocità dei neutroni mediante l’impiego di un moderatore in modo da aumentare la probabilità di cattura ad opera dell’uranio-235. Sono rappresentate le barre di combustibile, il moderatore-refrigerante e una barra di controllo. Le barre di controllo sono costituite da un materiale in grado di assorbire efficacemente i neutroni, per esempio una lega di argento (80%), indio (15%) e cadmio (5%). Possono essere immerse più o meno profondamente fra le barre di combustibile in modo da regolare (ed eventualmente arrestare completa- mente) la reazione a catena.

Come moderatore si possono utilizzare l’acqua, l’acqua pesante (ossido di deuterio) o la grafite. Classificazione dei reattori Attualmente (2015) sono in funzione 42 reattori moderati ad acqua pesante, 29 moderati a grafite (18 nel Regno Unito e 11 in Russia) e 359 Reattori di prima generazione: prototipi moderati ad acqua “leggera”. (*) Reattori di seconda generazione: quelli realizzati fino alla fine Il moderatore funziona assorbendo energia per effetto degli urti elastici degli anni ’90 (PWR, BWR, PHWR o CANDU, AGR, RBMK) fra i nuclei del moderatore stesso e i neutroni. Caratteristiche importanti sono: Reattori di terza generazione: incorporano miglioramenti (1) bassa massa atomica (che comporta un maggior trasferimento di “evolutivi” rispetto a quelli di seconda generazione energia nelle collisioni elastiche) (2) bassa probabilità di cattura dei neutroni. Reattori di quarta generazione: basati su tecnologie in corso di sviluppo Sia il deuterio che – a maggior ragione – l’idrogeno soddisfano la prima caratteristica molto meglio del carbonio; questo è però caratterizzato da (Si parla anche di reattori di quinta generazione, la cui una sezione d’urto per la cattura dei neutroni molto minore di quella realizzazione sarebbe in linea di principio possibile, ma che non dell’idrogeno e non molto maggiore di quella del deuterio. vengono attualmente studiati) ______

(*) Aggiungendo 7 reattori a neutroni veloci, privi di moderatore, si arriva a un totale di 437, in accordo con il numero totale di reattori riportato dalla World Nuclear Association.

Schema di un reattore PWR Pressurized Water Reactor (PWR) Reattore ad acqua pressurizzata (?!) Il corpo del reattore è costituito da un recipiente a pressione che contiene il combustibile, le barre di controllo e acqua che serve sia da moderatore che da refrigerante. L’acqua viene fatta circolare in uno scambiatore di calore e riscalda l’acqua in un circuito secondario con produzione di vapore che viene utilizzato per azionare le turbine per la produzione di energia elettrica. La pressione nel circuito primario è tipicamente di 15.5 MPa (153 atm); la temperatura dell’acqua è di circa 315 °C. A questa categoria appartiene la maggior parte dei reattori in uso in Europa e negli Stati Uniti ed anche lo European Pressurized Reactor, del quale era prevista la realizzazione in Italia.

12 European Pressurized Reactor - È un PWR di terza generazione, progettato da Areva e Boiling Water Reactor (BWR) Electricité de France in Francia e da Siemens in Germania. - Attualmente sono in costruzione quattro unità, in Reattore ad acqua bollente Francia, in Finlandia e in Cina (due unità). L’avvio della costruzione di una seconda unità in Francia era previsto Non c’è il circuito secondario: l’acqua che funge da refrigerante e da per il 2012, ma dopo l’incidente di Fukushima è stato moderatore produce direttamente vapore che viene inviato alle rinviato sine die. turbine. La pressione viene mantenuta a circa 75 atm e di conseguenza - La costruzione dell’unità finlandese è iniziata nel 2005 e la temperatura di ebollizione è di circa 285 °C. sarebbe dovuto essere completata nel 2009. Attualmente I reattori di Fukushima sono di questo tipo. l’avvio è previsto non prima del 2018. Il costo, previsto inizialmente in 3.7 G€, è attualmente stimato in 8.5 G€. Prima del recente incidente la probabilità di un evento in grado di - La costruzione dell’unità francese è iniziata nel 2007 ed provocare danni al nocciolo era valutata in 10-4 -10-7 per anno di ha incontrato problemi analoghi: il costo è salito da 3.3 a funzionamento. 8.5 G€; l’entrata in funzione era prevista per il 2012, ma la costruzione non sarà completata prima del 2017. - In Cina pare che le cose vadano meglio, anche se nel 2015 è stato segnalato un ritardo di due anni nel completamento dei lavori. Questo tipo di reattore è considerato molto sicuro: la Il contenitore sotto probabilità di incidenti con danni al nocciolo è valutata in pressione dell’EPR 6.1 × 10−7 per anno.

Schema di un BWR Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR) Reattore ad acqua pesante pressurizzata (?!) Reattori moderati e raffreddati con acqua pesante (ossido di deuterio), di progettazione canadese, noti anche con il nome di CANDU (CANadian Deuterium ). A differenza dei PWR convenzionali il combustibile non è contenuto in un singolo recipiente a pressione ma in centinaia di tubi. L’impiego come moderatore di acqua pesante, che rispetto all’acqua “leggera” assorbe neutroni in misura ridotta, consente di utilizzare come combustibile uranio naturale. Le caratteristiche costruttive consentono di sostituire le singole barre di combustibile senza arrestare l’impianto, con evidenti vantaggi. Attualmente sono in funzione 29 reattori CANDU (di cui 17 in Canadà) e 13 reattori di caratteristiche analoghe realizzati in India dopo che il Canadà ha annullato la fornitura di materiale nucleare all’India. Una caratteristica dei reattori ad acqua pesante è la produzione di piccole quantità di trizio per effetto della cattura di neutroni ad opera del deuterio. In alcuni impianti il trizio viene estratto e recuperato sia per evitarne la dispersione nell’ambiente sia in vista di possibili utilizzi.

Schema di un reattore CANDU Advanced Gas-cooled Reactor (AGR) 1 Fascio di cilindri portacombustibile 2 Calandria (core del reattore) È un tipo di reattore del quale esistono 14 unità, tutte nel Regno Unito. 3 Barre di controllo Il moderatore è costituito da grafite e il raffreddamento è realizzato 4 Acqua pesante (serbatoio di mediante CO2 alla pressione di 4 MPa (39 atm) e alla temperatura di pressurizzazione) o 5 Generatore di vapore 640 C; il vapore prodotto mediante scambiatori di calore immersi nel 6 Pompa dell'acqua leggera recipiente in pressione ha una pressione di 17 MPa (168 atm) e una o 7 Pompa dell'acqua pesante temperatura di 543 C. Questo valore elevato di temperatura consente 8 Macchine per il ricambio del un rendimento termico superiore a quello dei BWR e dei PWR. Il combustibile progetto originale prevedeva la possibilità di sostituire le barre di 9 Acqua pesante (moderatore di combustibile esaurito senza spegnere il reattore; a causa di alcuni neutroni) problemi insorti, attualmente le barre vengono sostituite a reattore 10 Tubo in pressione spento oppure funzionante a regime ridotto. 11 Vapore in afflusso alla turbina a vapore 12 Acqua fredda di ritorno dalla turbina 13 Edificio di contenimento in cemento armato

13 Advanced Gas-cooled Reactor Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (RBMK) (High Power Channel Reactor)

È un reattore moderato a grafite e raffreddato ad acqua, progettato per la produzione di energia e di plutonio. Come i reattori CANDU viene alimentato con uranio naturale (o eventualmente con uranio debolmente arricchito) e può essere rifornito di combustibile senza interrompere il funzionamento. Il reattore di Chernobyl era di questo tipo. Sono stati realizzati complessivamente 17 reattori RBMK, 10 dei quali sono attualmente (2015) operativi. Nonostante l’adozione di numerosi accorgimenti per aumentarne la sicurezza è considerato uno dei più pericolosi tipi di reattore in uso.

1. Charge tubes 5. Concrete pressure vessel 7. Water circulator 2. Control rods and radiation shielding 8. Water 3. Graphite moderator 9. Heat exchanger 4. Fuel assemblies 6. Gas circulator 10. Steam

Schema di un reattore RBMK Reattori veloci (autofertilizzanti) In un “reattore veloce” (o, più propriamente, “reattore a neutroni veloci”) la reazione di fissione a catena è sostenuta da neutroni veloci. Tali reattori sono (ovviamente) privi di moderatore e richiedono come combustibile uranio fortemente arricchito (20%) o plutonio. Ne esistono attualmente 7: in Russia (3), in Giappone (1), in India (2) e in Cina (1); tutti sono raffreddati con sodio fuso. Sei fra questi reattori sono “sperimentali” o “dimostrativi”; uno solo (in Giappone) è qualificato come “prototipo”. I reattori a neutroni veloci possono agire da breeder (autofertilizzanti) trasformando l’uranio-238 in plutonio-239 o il torio-232 in uranio-233 Possono essere utilizzati per “bruciare” il combustibile esaurito dei reattori convenzionali, in particolare per provocare la fissione degli attinidi, con produzione di nuclidi con tempi di dimezzamento molto più brevi. Sono attualmente “antieconomici”; inoltre la possibilità di produrre quantità rilevanti di plutonio, facilmente utilizzabile per usi militari, solleva problemi di sicurezza.

Produzione di 239Pu e di 233U Due diversi modelli di reattori autofertilizzanti in reattori autofertilizzanti a neutroni veloci raffreddati a sodio

14 Schema di un reattore a neutroni veloci raffreddato a sodio di quarta generazione Supercritical water reactor Reattore ad acqua supercritica È un reattore di quarta generazione (ancora allo stadio di progetto), analogo ai reattori ad acqua bollente (con un unico circuito), ma in grado di operare a temperature e pressioni superiori al punto critico dell’acqua. Il vantaggio più ovvio è il rendimento termico elevato (fino al 45%); un altro importante vantaggio è la maggiore semplicità costruttiva. Il fatto di operare con un fluido supercritico evita i problemi legati alla possibile formazione di bolle. In opportune condizioni un reattore ad acqua supercritica può essere fatto funzionare come autofertilizzante (neutroni veloci) con ovvi vantaggi di sicurezza nei confronti dei “normali” reattori autofertilizzanti che utilizzano come refrigerante il sodio fuso.

Supercritical water reactor

15