Scuola di Interateneo Specializzazzione, S.I.S.
Torino - 2005
Corso di fisica nucleare
Fissione e fusione :
le centrali nucleari
Alessia Favro
Nadia Montersino
Unità didattica
Destinatari: V anno liceo scientifico,indirizzo PNI.
Prerequisiti: cinematica, termodinamica e
elettromagnetismo. Fisica nucleare: struttura dell’atomo,
nucleoni, numero di massa e numero atomico, forze
nucleari, energia di legame e radioattività.
Obiettivi: fissione e fusione, funzionamento di una
centrale nucleare e reattori.
2
Sommario
Parte 1 - Centrali a Fissione
•
Fissione Nucleare: il processo fondamentale.
Funzionamento di una centrale a fissione nucleare.
Tipi di centrali a fissione: PWR, BWR,
Autofertilizzanti.
Parte 2 - Centrali a Fusione
•
•
Fusione Nucleare: il processo fondamentale.
Reattori a fusione: confinamento magnetico e
confinamento inerziale.
3
La Fissione Nucleare
La fissione del nucleo di
neutroni termici:
235
235U
da parte di
U n X Y bn
In un caso specifico:
235
(1/4)
U n Xe Sr 2n
140
94
I due prodotti di fissione decadono in atomi
stabili.
4
La Fissione Nucleare
(2/4)
5
La Fissione Nucleare
(3/4)
L’energia prodotta
dalla reazione di
fissione:
A
- (7.6MeV)A
2
200 MeV
Q= 2(8.5 MeV)
6
La Fissione Nucleare
(4/4)
7
Funzionamento di una centrale a fissione
(1/4)
Nella progettazione di reattori a fissione si
incontrano i seguenti problemi:
Il problema delle fughe di neutroni.
Il problema dell’energia dei neutroni.
Il problema della cattura dei neutroni.
8
Funzionamento di una centrale a fissione
(2/4)
Parti fondamentali
di un reattore:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Contenitore del
reattore.
Schermo biologico.
Combustibile nucleare.
Moderatore.
Mezzo refrigerante.
Riflettore di neutroni.
Barre di controllo.
Barra di sicurezza.
9
Funzionamento di una centrale a fissione
(3/4)
Le differenti situazioni di
funzionamento:
nella prima la barra nera
serve per bloccare
completamente la reazione;
nella seconda la barra nera
si alza e la reazione
aumenta di potenza;
nella terza la barra nera è
completamente sollevata
ed il reattore funziona alla
massima potenza.
10
Funzionamento di una centrale a fissione
(4/4)
Il nocciolo è
attraversato da
fluido refrigerante
che preleva il calore
prodotto dal
nocciolo e lo cede
ad un insieme di
tubi che
contengono acqua
e lo trasforma in
vapore e va ad
azionare il gruppo
turbina
alimentatore
11
Tipi di centrali a fissione: PWR
PWR: pressurized water reactor
12
Tipi di centrali a fissione: BWR
BWR: Boiling Water Reactor
13
Tipi di centrali a fissione: Autofertilizzanti
Autofertilizzanti o Breeders
1
0
(1/2)
n 238 U 239 U
239
U 239 Np
239
Np 239 Pu
239
Pu è fissile, può essere recuperato e utilizzato come
combustibile.
14
Tipi di centrali a fissione: Autofertilizzanti
(2/2)
15
Fusione nucleare
Consiste nell’unione di due nuclei leggeri in un
nucleo più pesante, la cui massa è però minore
della somma delle masse dei nuclei di partenza.
Si verifica liberazione di energia secondo il
principio di equivalenza massa-energia.
16
Esempio di reazione
Deuterio + Trizio = Elio4 + neutrone + 17,6 MeV di energia
cioè
2H
+ 3H → 4He + n + 17,6 MeV
17
Confronto tra fissione e fusione
Fissione: 200 MeV / 235 nucleoni ~ 1 MeV / nucleone
Fusione: 17,6 MeV / 5 nucleoni = 3,5 MeV / nucleone
Per ogni unità di massa l’energia liberata dalla reazione di fusione è
circa 3,5 volte maggiore di quella ottenibile dalla fissione.
Inoltre la produzione di energia dalla fusione promette bene grazie
all’abbondanza relativa del combustibile e all’assenza di alcuni dei
pericoli insiti nei reattori a fissione.
Il problema è che le reazioni di fusione sono difficili da ottenere.
18
Temperatura di fuzione
A causa della repulsione coulombiana sono necessarie energie
cinetiche molto alte, dell’ordine di 1 MeV, per far avvicinare i nuclei
quanto basta per fare diventare efficaci le forze nucleari attrattive,
provocando la fusione.
Ecm= (3/2) k T
k T = 10 keV
T dell’ordine 108 K
19
Il plasma
Il plasma dalla miscela di deuterio e trizio si ottiene per
riscaldamento o per il passaggio di una corrente elettrica.
In questo modo si fornisce l’energia necessaria per ionizzare gli
atomi, cioè per strappare loro degli elettroni.
Consiste in una miscela di ioni positive e cariche negative libere,
complessivamente neutra.
Il plasma, costituisce il 99% della materia di cui è composto
l'Universo ed è detto anche: "quarto stato della materia" .
Possiamo trovare questo stato della materia anche in natura: nel
Sole, nel vento solare, nelle stelle, nei fulmini e nelle aurore boreali.
20
Nel sole
Nel Sole, che ha una temperatura interna di 14
milioni di gradi, la reazione di fusione di nuclei di
idrogeno (reazione protone-protone) è responsabile
di gran parte dell'energia che giunge fino a noi sotto
forma di calore e di luce.
21
Condizioni per ottenere una fusione nucleare
E’ necessario riscaldare un plasma di deuteriotrizio a temperature molto alte (100 milioni di
gradi).
E’ necessario mantenerlo confinato in uno spazio
limitato.
E’ necessario confinare il plasma per un tempo
sufficiente affinché avvenga la reazione e
l'energia liberata possa compensare sia le
perdite, sia l'energia usata per produrla.
22
L’energia necessaria per riscaldare il plasma è direttamente
proporzionale alla densità numerica dei suoi ioni n;
La frequenza degli urti è direttamente proporzionale a n2
(quadrato della densità numerica);
Sia τ è il tempo di confinamento allora l’energia prodotta è
direttamente proporzionale a n2τ;
Affinché l’energia prodotta sia maggiore dell’energia fornita,
deve essere:
C1 n2τ > C2 n.
23
Criterio di Lawson
Nel 1957 in fisico britannico J. D.Lawson valutò queste costanti, ottenendo:
n τ > 1020 s [particelle]/m3
Nel caso della reazione deuterio-trizio deve verificarsi per i nuclei:
• n τ > 2 1020 s m-3 alla temperatura di 280 MK;
• n τ > 1021 s m-3 alla temperatura di 70 MK;
• n τ > 3 1020 s m-3 alla temperatura di 100 MK.
24
Reattore a confinamento magnetico
In linea di principio il plasma può essere confinato mediante un
campo magnetico.
In assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in
tutte le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si
raffredderebbe inibendo la reazione di fusione.
In un campo magnetico invece le particelle sono costrette a seguire
traiettorie a spirale intorno alle linee di forza del campo
mantenendosi lontano dalle pareti del recipiente.
L’intrappolamento delle particelle deve avvenire lungo tre dimensioni
spaziali e quindi la geometria del campo magnetico da applicare è
complessa.
Sono state studiate, a questo proposito, diverse configurazioni
magnetiche, una, per esempio, è la configurazioni a simmetria
toroidale.
25
TOKAMAK
26
Campi magnetici del Tokamak
(1/3)
Sono di due tipi:
27
Campi magnetici del Tokamak
(2/3)
28
Campi magnetici del Tokamak
(3/3)
Le bobine toroidali, che circondano la camera del plasma, percorse
da corrente per impulsi di 3 s, separati da tempi di attesa di 5
minuti, gli impulsi raggiungono picchi di 73.000 A, che generano un
campo magnetico per induzione di 5,2T.
Le bobine per il campo poloidale, perpendicolari alle bobine del
campo toroidale, sono percorsi da una corrente oscillante che
genera una corrente che attraversa il plasma confinato,
riscaldandolo, inoltre quest’ultimo è necessario per evitare la deriva
delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente.
Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi
magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella
“ciambella”.
29
Riscaldamento del plasma
riscaldamento ohmico, agendo sui campi
magnetici, rapidamente variabili, si crea un
campo elettrico il quale origina una corrente
nel plasma che lo riscalda (4);
riscaldamento per assorbimento di onde
elettromagnetiche che vengono iniettate
mediante guide d'onda o antenne che
trasferiscono al plasma energia
elettromagnetica (1);
riscaldamento per iniezione di atomi neutri di
elevata energia cinetica che attraversano il
campo magnetico, vengono ionizzati e
trasferiscono per collisione la loro energia al
plasma (2);
riscaldamento per compressione adiabatica
del plasma, ottenuta spostando il plasma
verso regioni a campo magnetico più forte,
con conseguente riscaldamento (3).
30
Centrale nucleare
31
Reattore a confinamento inerziale
(1/2)
Principali componenti:
un sistema di acceleratori che producono i pacchetti di ioni;
capsule di deuterio-trizio in cui avvengono le reazioni
la camera di fusione che assorbe i neutroni;
le turbine che producono elettricità.
32
Reattore a confinamento inerziale
(2/2)
Due “pacchetti” di ioni pesanti vengono accelerati a 10 GeV di
energia, ciascuno dei pacchetti è costituito da 105 ioni e trasporta
un’energia di circa 2 MJ in un tempo di 3-510-9 s.
Successivamente inviati a due convertitori, gli ioni, frenati dalle
interazioni con gli atomi, circa 1/7 della loro energia si trasforma in
raggi X.
L’involucro della capsula con il ghiaccio di deuterio-trizio è colpito da
un flusso di raggi X da ogni direzione
Sotto il bombardamento moltissimi ioni spingono verso l’interno
della capsula comprimendo la miscela deuterio-trizio da un diametro
di 1 mm fino a meno di 0,1 mm.
Il processo è così veloce che gli atomi, per il principio di inerzia,
continuano a muoversi uno contro l’altro, è come se non avessero il
tempo di sentire la forza di repulsione colombiana.
33
Altre reazioni
(1/2)
Esse richiedono temperature più elevate per il plasma, e quindi più difficili da
realizzare, ma sono sicuramente importanti ai fini del reattore a fusione del
futuro, perchè evitano o limitano fortemente il flusso di neutroni. Sono i neutroni
infatti che rendono radiattivi i materiali che compongono il reattore.
34
Altre reazioni
(2/2)
Nella figura “probabilità di
reazione” significa che il suo
valore (per ciascuna delle
reazioni di fusione indicate)
moltiplicato per le densità dei
nuclei interagenti dà il
numero di reazioni di fusione
per unità di tempo e unità di
volume.
35
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
U. Amaldi, “Fisica Moderna”, Zanichelli.
P.Caldirola, G.Casati, F.Tealdi, “Nuovo corso di
Fisica”, Ghisetti e Corvi.
P.Violino, O.Robutti, “La fisica e i suoi modelli”,
Zanichelli.
A.Caforio, A.Ferilli, “Nuova Physica 2000”, Le
Monnier.
Resnick, Halliday, Krame, “Fisica 2”,
Ambrosiana.
P. Typler, “Corso di Fisica”, Zanichelli.
36
Sitologia
http://it.encarta.msn.com/encyclopedia_761558960/Energia_nucleare.html
http://www.uspid.dsi.unimi.it/doc/spazio.html
http://www.poweron.ch/it/stromprod/content---1--1035.html
http://www.angelfire.com/mi2/nucleare/Nucleare.html
http://digilander.libero.it/mfraterno/nucleare.htm
http://www.fusione.enea.it/
http://www.fusione.enea.it/index.html#activities/links.html
http://www.cidehom.com/dictionnaire.php
37
