Perché è difficile variare l’energia di una centrale nucleare?

Sembra facile. Nei reattori ci sono barre di controllo. Contengono o cadmio o boro. Questi assorbono neutroni alla grande. Inserirli di più significa che ci sono meno neutroni per la fissione, la reattività, cioè il numero di fissioni per unità di tempo diminuisce.

Però:

Nel 6,6% delle fissioni, nel caso dell’uranio 235, nasce indio 135 (7,4% nel caso del plutonio 239).

Segue una serie di decadimenti beta (i tempi sono tempi di dimezzamento)

In 135 in 92 millisecondi diventa Sn135 (In = Indio)

Sn135 in 530 millisecondi diventa Sb135 (Sn = stagno)

Sb135 in 1,7 secondi diventa Te135 (Sb = antimonio)

Te135 in 18,6 secondi diventa I135 (Te = tellurio)

I135 in 6,61 ore diventa Xe135 (I = iodio)

Xe135 in 9,1 ore diventerebbe Cs135 (Xe = xeno) se il Xe135 non facesse un’altra strada

Cs135 in 2 milioni di anni diventerebbe Ba135 (Cs = cesio, Ba = bario)

Gli ultimi due decadimenti effettivamente non capitano nei reattori nucleari finché sono accesi. Il cesio 135 è contenuto nelle scorie nucleari radioattive solo in minima parte. Perché?

Lo xeno 135 è un veleno per i reattori. Assorbe neutroni e diventa xeno 136, che è stabile. La capacità di assorbire neutroni termici viene espressa dalla sezione di interazione, che in questo caso è di 2,65 milioni di barn, cioè enorme (1 barn = 10-28m2, come ordine di grandezza equivale alla sezione geometrica di un nucleo).

Lo Xeno 135 interferisce pesantemente nel bilancio dei neutroni nel reattore.

Se la potenza del reattore aumenta, cresce il flusso di neutroni. Di seguito la concentrazione di xeno135 diminuisce, il reattore risulta meno avvelenato e la sua potenza cresce ulteriormente. (Il reattore di Cernobyl è esploso per questo tipo di instabilità). Lo xeno 135 nasce con una certa lentezza dal decadimento beta dello iodio 135 (tempo di dimezzamento di 6,61 ore). Dopo ogni cambiamento di potenza di un reattore ci vogliono giorni prima che si stabilisca un nuovo equilibrio della concentrazione di xeno 135.

Se la potenza del reattore diminuisce, la concentrazione di xeno 135 aumenta, dato che viene eliminato di meno. Il reattore risulta più avvelenato. A reattore fermo manca il meccanismo di eliminazione dello xeno 135 tramite assorbimento di neutroni. Sparisce unicamente a causa del proprio decadimento beta, con 9,1 ore di tempo di dimezzamento. Dato che nasce continuamente dal decadimento dello iodio 135, la quantità aumenta. Raggiunge la concentrazione massima dopo 11,1 ore dalla fermata del reattore.

Un reattore fermato non può essere riavviato per circa 50 – 60 ore, è troppo avvelenato. Se è superdotato di barre di controllo e se queste possono essere rimosse al punto di compensare l’assorbimento di neutroni da parte dello xeno 135 potrebbe ripartire lo stesso. Questa manovra però è pericolosa, il reattore è gravemente instabile. Cernobyl è stato riavviato lo stesso. Un caso di autoritarismo incompetente; non risulta invece, come sostiene la lobby nucleare, che fosse un difetto di costruzione, non presente in reattori occidentali.

Un reattore nucleare non deve scendere al di sotto del 30% della sua potenza nominale per evitare un accumulo di xeno 135. Tempo fa la variazione di potenza richiedeva giorni. Adesso si è arrivati al 3% al minuto.

Occorre sapere perché un reattore nucleare è controllabile, cioè perché la reazione a catena non fa uno sviluppo esponenziale in tempi brevi, come succede nella bomba a fissione.

Quando un nucleo si spacca in due, i due frammenti sono troppo ricchi di neutroni per essere stabili. Emettono immediatamente da 2 a 3 neutroni per fissione. Da lì in poi i frammenti si avvicinano alla linea dei nuclei stabili con sette – otto decadimenti beta. Succede che dopo un primo decadimento beta un nucleo espelle un neutrone. In questo caso il neutrone risulta “ritardato” rispetto all’attimo della fissione. I ritardi arrivano al massimo a tre secondi. I “neutroni ritardati” sono lo 0,6% di tutti i neutroni che nascono dalla fissione. Una bomba nucleare supera la massa critica senza i neutroni ritardati. La reazione a catena si sviluppa in tempi tipici sotto i nanosecondi. I reattori nucleari diventano critici, cioè mantengono la reazione a catena, solo con i neutroni ritardati. La differenza di reattività tra una bomba e un reattore è dello 0,6%. C’è un’altra differenza: La bomba funziona con neutroni veloci, i reattori (a eccezione dei reattori “veloci”) con neutroni lenti. Il reattore non esplode come una bomba, ma può andare fuori controllo e distruggersi. Un reattore con neutroni moderati come bomba comunque è una bomba cattivissima. Reattori veloci invece possono esplodere in maniera notevolmente efficace. I due reattori veloci in Francia, a Grenoble, il Phoenix e il Superphoenix sono stati spenti. Quello costruito in Germania, il “Kalkar” non è stato acceso, un tribunale l’ha proibito. In Giappone un reattore veloce è stato spento 15 anni fa e riacceso nel maggio 2010.

Se un reattore viene avviato in maniera forzata dopo una sosta corta c’è il rischio che superi lo 0,6% di reattività che lo distinguerebbe da una bomba, la reazione a catena diventa veloce e incontrollabile.

Lo xeno 135 rende un reattore a fissione instabile anche in condizioni di esercizio normale. Una piccola deviazione della potenza casuale diventa subito grande. Per tenerlo stabile occorre intervenire continuamente con processi di controllo con le barre di assorbimento di neutroni.

L’instabilità non esiste solo in termini di tempo, ma anche di luogo. In reattori grandi (grande in confronto alla lunghezza di percorso dei neutroni, che è dell’ordine di diecine di cm), possono verificarsi instabilità locali. Una piccola deviazione locale della potenza ha come conseguenza un surriscaldamento oppure un raffreddamento locale. Il sistema di controllo deve tenerne conto.

Elmar Pfletschinger

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34 pensieri su “Perché è difficile variare l’energia di una centrale nucleare?

  1. Artek :
    Vorrei ricordarvi, che alcuni decenni fà, qualcuno ci provò ad abbassare con troppa fretta un reattore….
    <
    Abbassare la potenza non è problematico. Basta iniziare poi si abbassa da solo. Il problema è ripartire. Il limite inferiore della potenza dei reattori attuale è il 30% del nominale. Se si va sotto, non si riparte più.

    Il reattore di Cernobyl, 1 GW elettrico era stato abbassato a 200 MW elettrici. Poi il capo ha deciso in maniera autoritaria, passando sopra le opioni di gente subordinata, di ripartire.

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  2. Elmar aspettavo che pubblicassi questo articolo già da un po’. Secondo te è possibile per un “profano” come me approfondire la tua ipotesi carbonio – deuterio magari partendo da testi divulgativi ?
    Per l’energia, ribadisco la mia idea, la via d’uscita è un mix di sorgenti, il più possibile prodotto localmente, solare termodinamico, eolico, fotosintesi, etc…
    Senza rinuciare comunque allo sfruttamento del deserto in maniera massiccia.
    Mi pare che purtroppo in Italia siamo ancora lontani dall’aver preso una qualsiasi strada (quella nucleare ovviamente non partirà mai, se non per spostare denaro da una tasca all’altra…e indovinate di chi sono le tasche …)
    E c’è qualcuno che sta già spendendo denaro nella folle idea del “confinamento” della CO2 … mha!!!
    Ciao a tutti

      (Quote)  (Reply)

  3. Grazie Elmar,

    Articolo e commenti interessantissimi.

    Concordo con Tuvok. Il problema dell’energia va risolto creando un mix di sorgenti il più’ possibile rinnovabili e producibili in loco:

    Secondo me anche le correnti marine possono generare enormi quantita’ di energia. L’acqua e’ 800 volte più’ densa dell’aria.
    Basterebbe installare eliche sottomarine e collegarle a generatori per avere tutta l’energia che ci serve. Senza inventare niente.

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  4. Non è solo un articolo interessante, è formidabile.: in pochi secondi spiega i motivi dell’instabilità e della lentezza al riavvio di un reattore. Non mi era mai capitato di leggere un articolo così. Mi levo il cappello e ringrazio

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  5. Una nota: il combustibile fossile che si usa per produrre energia elettrica è il carbone, non il petrolio, che costerebbe molto di più. Negli USA attualmente circa la metà dell’energia elettrica è prodotta da carbone. Le stime dei giacimenti indicano che probabilmente ne abbiamo ancora per circa 300 anni prima che finisca

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  6. Grazie ad Elmar per l´ottimo articolo e preannuncio che ci sono altri 3 articoli, sempre di Elmar, dove viene approfondito il problema delle scorie nucleari.
    L´argomento é sicuramente affascinante e complesso ma Elmar riesce a renderlo digeribile anche ai profani.

      (Quote)  (Reply)

  7. Tuvok :
    Elmar aspettavo che pubblicassi questo articolo già da un po’. Secondo te è possibile per un “profano” come me approfondire la tua ipotesi carbonio – deuterio magari partendo da testi divulgativi ?
    Per l’energia, ribadisco la mia idea, la via d’uscita è un mix di sorgenti, il più possibile prodotto localmente, solare termodinamico, eolico, fotosintesi, etc…
    Senza rinuciare comunque allo sfruttamento del deserto in maniera massiccia.
    Mi pare che purtroppo in Italia siamo ancora lontani dall’aver preso una qualsiasi strada (quella nucleare ovviamente non partirà mai, se non per spostare denaro da una tasca all’altra…e indovinate di chi sono le tasche …)
    E c’è qualcuno che sta già spendendo denaro nella folle idea del “confinamento” della CO2 … mha!!!
    Ciao a tutti

    Non conosco nessun testo nè introduttivo nè avanzato che possa servire per la reazione C12(D,gamma)N15. Avevo trovato ib internet tempo fa elenchi di tutti i nuclei, con le loro masse precise e i livelli eccitati. Da qui si può calcolare.

    Per l’energia, la mia idea sarebbe il più possibile l’autonomia delle piccole unità, tipo villetta a quartiere. Con pannelli fotovoltaici, con geotermia, con energia termica solare, con motori diesel con generatori elettrici e con pompe di calore per la geotermia ecc.

    mistral-101 :
    Grazie Elmar,
    Articolo e commenti interessantissimi.
    Concordo con Tuvok. Il problema dell’energia va risolto creando un mix di sorgenti il più’ possibile rinnovabili e producibili in loco:
    Secondo me anche le correnti marine possono generare enormi quantita’ di energia. L’acqua e’ 800 volte più’ densa dell’aria.
    Basterebbe installare eliche sottomarine e collegarle a generatori per avere tutta l’energia che ci serve. Senza inventare niente.

    Anche a me piace l’idea dello sfruttamento delle correnti nel mare. Le ventole sono anche più facili da progettare. La corrente nel mare è abbastanza costante, senza tempeste.

      (Quote)  (Reply)

  8. Alcuni dubbi Elmar
    tu dici
    “Ma la reazione C12(D,gamma)N14 non l’ha provata nessuno.
    Questa reazione spiegherebbe anche la relativa abbondanza dell’azoto nell’universo.”
    Ma la percentuale di azoto che ad oggi sembra essere presente (Circa 950 ppm) non è spiegata da quello che rimane nel ciclo del carbonio (ciclo di Bethe), o mi sbaglio?
    Sarebbe anche interessante capire meglio quali sarebbero i vantaggi realizzativi di una ipotetica centrale a fusione basata sulla reazione C12(D,gamma)N15.

      (Quote)  (Reply)

  9. @Elmar

    Innanzitutto ti ringrazio per le tue risposte sempre eccezionalmente precise 🙂

    Per quanto riguarda la questione sulla fusione, non dico che ci siamo vicini, ma non credo nella parola “impossibile” a priori, la natura mi ha insegnato che sono pochi in concetti veramente inviolabili. (Nulla si crea nulla si distrugge è uno di questi)

    Sappiamo veramente poco delle reazioni di fusione, questo è vero, altrimenti non saremmo nemmeno così basiti per dei risultati inaspettati nelle ricerche sulla fusione a basse temperature (volgarmente “fusione fredda”), messa da parte per inutilizzabilità, non per impossibilità, ci sono riusciti in tanti a “trovare qualcosa” (ENEA compresa), non hanno capito e hanno lasciato perdere.

    Sappiamo una cosa: nel sole una reazione di fusione avviene, è poco, lo so, del sole sappiamo poco, e giusto in questo momento ce lo ricorda 🙂

    Ricreare questa reazione sul pianeta credo sia possibile, dubito che sia facile, e onestamente non so fra quanto effettivamente riusciremo.

    L’energia che c’è nell’universo viene principalmente dalla massa, l’energia che usiamo tutti giorni deriva dalle reazioni di fusione del sole (e in piccola parte il geotermico), se riuscissimo a imbrigliarla avremmo risolto molti problemi energetici.

    So bene che il trizio è raro, ma siamo sicuri che nel sole ci sia trizio? Come fa la reazione ad auto-sostenersi?

      (Quote)  (Reply)

  10. Tuvok :
    Alcuni dubbi Elmar
    tu dici
    “Ma la reazione C12(D,gamma)N14 non l’ha provata nessuno.
    Questa reazione spiegherebbe anche la relativa abbondanza dell’azoto nell’universo.”
    Ma la percentuale di azoto che ad oggi sembra essere presente (Circa 950 ppm) non è spiegata da quello che rimane nel ciclo del carbonio (ciclo di Bethe), o mi sbaglio?
    Sarebbe anche interessante capire meglio quali sarebbero i vantaggi realizzativi di una ipotetica centrale a fusione basata sulla reazione C12(D,gamma)N15.

    Il ciclo Bethe Weitzaecker non dovrebbe lasciare un contenuto di azoto. L’azoto creato viene anche distrutto.

    Secondo me il ciclo Bethe Weitzaecker nel sole non c’è. Forse nelle stelle più grandi a temperature più alte.

    Per me la storia del ciclo Bethe Weitzaecker è interessantissima. I due, tra l’altro antagonisti nella seconda guerra mondiale per lo sviluppo della bomba a fissione, l’hanno sviluppato perchè alla fusione p-p non ci credevano. Poi hanno preso il premio nobel. 50 anni dopo è stato scoperto che può funzionare davvero. Nel ciclo Bethe – Weitzaecker si scrive sempre l’ultima reazione come N15(p,alfa)C12. Questo è un falso. In realtà succede N15(p,gamma)O16 eccitato. Il primo modo di scrivere avrebbe il significato che la reazione è diretta. Ma questo succede solo a alte energie. Qui siamo a energia bassissime. Poi il nucleo O16, eccitato, farebbe un decadimento alfa esclusivo. Il ciclo è un ciclo chiuso solo se il “compound nucleus” O16 fa un decadimento alfa esclusivo. E questo era talmente incredibile che nessuno l’aveva scritto. Che un nucleo O16, che è uno dei più stabili conosciuti facesse un decadimento alfa, era ridicolo.

    Eppure è vero. Più tardi, cioè negli anni 90 si ha capito che all’energia di eccitazione giusta, c’è un livello eccitato 3+ dell’ossigeno 16. Lo spin 3 dice che gira veloce. Da questo livello non si può raggiungere lo stato fondamentale dell’ossigeno 16 tramite l’emissione di un raggio gamma. Fa un decadimento alfa esclusivo e diventa carbonio 12. Strano ma vero.

    Se l’azoto nell’universo nascesse dal ciclo Bethe Weitzaecker, ci dovrebbe essere molto più azoto 15 in giro, questo fa parte del ciclo come l’azoto 14. Eppure nella natura, cioè sulla terra, nello spazio non so, l’azoto 14 fa il 99,6% e l’azoto 15 il 0,4%.

    La fusione C12(D,gamma)N14 avrebbe vantaggi rispetto alla fusione T(D,n)He4. Nella reazione non nasce nessun neutrone. Vantaggio doppio: L’ambiente non diventa radioattivo. La zona di reazione resta più calda. Non c’è nessun neutrone che porta via la gran parte dell’energia.

    La materia prima per questa reazione è di illimatata disponibilità. Una idonea si compera: Benzene esadeuterato. Viene usato attualmente come scintillatore. In contrasto con il benzene normale non mangia neutroni. C’è un’altro vantaggio: Probabilmente la reazione non è idonea per bombe termonucleari. L’aumento di temperatura nell’esplosione porta l’energia fuori dalla risonanza. La reazione non funziona più.

      (Quote)  (Reply)

  11. Andreabont :
    @Elmar
    Innanzitutto ti ringrazio per le tue risposte sempre eccezionalmente precise
    Per quanto riguarda la questione sulla fusione, non dico che ci siamo vicini, ma non credo nella parola “impossibile” a priori, la natura mi ha insegnato che sono pochi in concetti veramente inviolabili. (Nulla si crea nulla si distrugge è uno di questi)
    Sappiamo veramente poco delle reazioni di fusione, questo è vero, altrimenti non saremmo nemmeno così basiti per dei risultati inaspettati nelle ricerche sulla fusione a basse temperature (volgarmente “fusione fredda”), messa da parte per inutilizzabilità, non per impossibilità, ci sono riusciti in tanti a “trovare qualcosa” (ENEA compresa), non hanno capito e hanno lasciato perdere.
    Sappiamo una cosa: nel sole una reazione di fusione avviene, è poco, lo so, del sole sappiamo poco, e giusto in questo momento ce lo ricorda
    Ricreare questa reazione sul pianeta credo sia possibile, dubito che sia facile, e onestamente non so fra quanto effettivamente riusciremo.
    L’energia che c’è nell’universo viene principalmente dalla massa, l’energia che usiamo tutti giorni deriva dalle reazioni di fusione del sole (e in piccola parte il geotermico), se riuscissimo a imbrigliarla avremmo risolto molti problemi energetici.
    So bene che il trizio è raro, ma siamo sicuri che nel sole ci sia trizio? Come fa la reazione ad auto-sostenersi?

    Alla fusione fredda non ci credo. La riduzione di repulsione elettrostatica in un metallo pesante, a causa dell’alta densità di elettroni e perfettamente insufficiente per permettere un avvicinamento dei nuclei tale da entrare in una “finestra da Gamov” per rendere possibile una fusione.

    A frascati dove avrebbero trovato che la fusione fredda avviene hanno fatto degli errori sistematici:

    dicevano che hanno misurato l’aumento di elio 4 nell’ambiente. Dalla fusione di deuterio invece non può nascere elio 4, ma solo elio3.

    L’elio 4, a Frascati, in cantina, zona vulcanica, nasce in quantità dal decadimento del Radon 222. Ordine di grandezza: Trentamila nuclei di elio4 al secondo. Misurare l’aumento di elio 4 nell’ambiente non vuol dire niente.

    Nel sole, all’interno, nel nucleo, il trizio c’è, ma dura poco. Nasce dalla reazione D(D,p)T. Poi fa subito la fusione T(D,n)He4.

    C’è anche l’elio 3, che nasce dalla reazione D(D,n)He3. L’elio 3 si trova nel vento solare e nelle roccie della luna. La Nasa sosteneva che vale la pena andare sulla luna e portare l’elio 3 sulla terra, per la produzione di energia. Non hanno tenuto conto di una cosa: L’elio 3 non è idoneo a fare fusioni in reattori terrestri con il processo He3(D,p)He4. Questa reazione nei reattori non avviene (negli acceleratori si può fare). Le reazioni D(D,p)T e D(D,n)He3 avvengono a temperature più basse. La reazione He3(He3,2p)He4 avverrebbe solo a temperature molto più alte e dopo il completo esaurimento del deuterio. Insomma: non funziona.

      (Quote)  (Reply)

  12. @elmar

    Io sulla fusione a basse temperature metterei un grande punto interrogativo, non la eliminerei a priori. Più per puro interesse scientifico che per altro, dato che in ogni caso, estrarre energia non sembra possibile (almeno per i test fatti fino ad oggi)

    Nel Rapporto 41 (RT/2002/41/FUS), che citi, non hanno solo trovato Elio4, ma anche un aumento di entalpia…

    Inoltre, un più recente esperimento (sul quale, purtroppo, scarseggiano documenti) del 2008 nell’Università di Osaka (Giappone) eseguito dal fisico Yoshiaki Arata, sembra confermare la possibilità di ricreare una fusione a basse energie usando delle proprietà atomiche di un substrato per vincere la repulsione tra gli atomi.

    Sembra aver prodotto un quantitativo di energia sufficiente per azionare un motore Stirling. (Non è comunque tanta)

    Ripeto che, purtroppo, l’evento scarseggia di documentazione.

    http://it.wikipedia.org/wiki/Yoshiaki_Arata

      (Quote)  (Reply)

  13. ice2020 :
    Mahhh…rispetto le idee di sandro ed Elmar…ma col nucleare prima o poi i dovremmo fare i conti…il problema semmai giusto è quello di riuscire rendere il più sicuro possibile le centrali, ma nn abolirle per paritto preso…

    Scusa Simon, arrivo un po’ in ritardo… ero in giro con energie altenative (barca a vela 8) ) Il fatto e’ che prima o poi la centrale dovrai smontarla …. per obsoloescenza… e dove ti metti i pezzi??? Poi anche vederla in modo altenativo : puoi procurarti lavoro di guardianaggio per un 20.000 annni… ma preferirei di no 8)
    Ciao!!
    Luca

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