Questo articolo si occupa unicamente delle scorie ad alta radioattività (HLW, High Level Waste), che sono gli elementi di combustibile esauriti dei reattori nucleari.
Sono da distinguere due gruppi di elementi radioattivi nel combustibile esaurito:
- Prodotti di fissione
- Transuranici
Prodotti di fissione
Nella fissione nucleare i nuclei di uranio 235, plutonio 239 o uranio 233 (attualmente non in uso, nasce dal torio 232) si spezzano in due in maniera caotica. Nascono oltre 80 nuclei diversi con masse da 73 a 159 unità atomiche. Questi nuclei contengono troppi neutroni per essere stabili. Al loro interno quindi i neutroni di troppo si trasformano in protoni, con l’emissione di un elettrone e un antineutrino, questi nuclei fanno un decadimento beta per ogni neutrone di troppo, fino a circa otto. Il tipo di radioattività dei prodotti di fissione, cioè dei frammenti, è di tipo beta meno. Con un’eccezione: Capita che all’inizio di questa catena di decadimenti un nucleo che nasce è talmente eccitato che può emettere un neutrone. Ci vuole un’energia di eccitazione da 8 MeV in su. Ma questo dopo tre secondi dalla fissione è finito. Questi “neutroni ritardati”, che sono lo 0,6% dei neutroni creati dalle fissioni, non si trovano nelle scorie, ma sono essenziali per il controllo dei reattori nucleari. Reattori nucleari diventano critici solo con i neutroni ritardati. Questo li distingue da una bomba, che è critica senza neutroni ritardati e fa quindi una reazione a catena veloce.
I decadimenti beta di solito non portano allo stato fondamentale del nucleo figlio, ma a livelli eccitati, che decadono con l’emissione di raggi gamma in livelli più bassi.
L’energia degli elettroni dai decadimenti beta e l’energia dei raggi gamma successivi fanno incirca il 5% della potenza di un reattore nucleare. Questo 5% di potenza resta attivo anche quando si spegne il reattore. L’elevatissima radioattività beta e gamma del combustibile nucleare esaurito rende necessario un raffreddamento prolungato dopo l’estrazione dal reattore. Il combustibile esaurito va raffreddato in vasche di acqua per 6 mesi. Quest’acqua contiene acido borico, che assorbe neutroni per evitare che possano ancora nascere reazioni di fissione a catena.
Circa il tre percento dell’energia prodotta dalla fissione nucleare va via con gli antineutrini dei decadimenti beta. Per una centrale di 1 Gigawatt elettrica questo è qualcosa come 100 000 kW. Non si conosce alcuna conseguenza di questa radiazione di antineutrini. Tentativi di spiegare l’aumentata frequenza di leucemie infantili nella vicinanza dei reattori con l’emissione degli antineutrini falliscono. Le reazioni indotte (sarebbe il fosforo nelle ossa) succedono con una frequenza totalmente trascurabile.
In un incidente nucleare come quello di Cernobyl si trovano nell’ambiente anche gli elementi beta instabili di vita breve come lo iodio 131, con una semivita di 8 giorni. Causa tumori alla tiroide.
Per le scorie nucleari dobbiamo preoccuparci dei nuclei beta-instabili di media longevità. Ci sono due che sono importanti:
- Il Cesio 137
- Lo stronzio 90
Il cesio nasce nel 6,337 % dei casi di fissione dell’uranio 235. Una delle percentuali più alte. Ha una semivita di 30,23 anni. Questo significa che tra 300 anni possiamo finire di preoccuparci. Fa raggi beta e gamma di alta energia. Il cesio 137 attualmente è la maggior causa di pericolo intorno a Cernobyl. Dopo l’incidente di Cernobyl l’inquinamento medio da cesio 137 in Germania era da 2000 a 4000 Becquerel al metro quadro (1 Becquerel = 1 decadimento nucleare al secondo). Il cesio è chimicamente simile al potassio. Va dappertutto, soprattutto nei muscoli. Il corpo se ne libera con una semivita di 70 giorni (semivita biologica). Dopo due anni non c’è più.
Lo stronzio 90 nasce nel 5,835% delle fissioni dell’uranio 235. Fa due decadimenti beta con successivi decadimenti gamma. I decadimenti gamma sono trascurabili, i decadimenti beta sono robusti. Un grammo di stronzio 90 sviluppa 0,94 W di energia termica e può essere usato per generatori termici di energia elettrica. E’ chimicamente simile al calcio. I corpo lo mette nell’osso invece del calcio. Lo preferisce, tanto che lo stronzio naturale, non radioattivo (soprattutto Sr 88) viene usato con successo nella terapia dell’osteoporosi.
Prima degli esperimenti e incidenti nucleari le ossa non erano radioattive. La radioattività naturale del corpo umano, causata soprattutto dal potassio 40 (4000 decadimenti al secondo in un corpo umano) non si trovava nelle ossa. Non contengono potassio. All’interno delle ossa c’è il midollo, che produce sangue. Tempo fa questo era protetto dalla radioattività, l’osso faceva da schermo e non era radioattivo. Era. Adesso non è più così. Tutti hanno stronzio 90 nelle ossa. La conseguenza: Tumori ossei e leucemie sono aumentati.
Non ci sono frammenti di fissione con semivite da 100 fino a 200 000 anni. Ce ne sono con semivite più lunghe, ma quelli preoccupano poco.
Transuranici
I transuranici sono il vero problema di stoccaggio a lungo termine per i reattori all’uranio 235 e al plutonio 239. Il problema è praticamente assente nei reattori al torio 232.
I transuranici nascono da reazioni con neutroni sia dell’uranio 235 sia dell’uranio 238. L’uranio 235, dopo l’assorbimento di un neutrone termico, cioè lento, si rompe in due, fa una fissione nell’82% dei casi. Nel 18% dei casi l’uranio 236 che nasce dall’assorbimento del neutrone non si spacca, ma emette radiazione gamma, liberandosi dall’energia di eccitazione. Nel suo stato fondamentale l’uranio 236 è radioattivo, decade con l’emissione di una particella alfa con una semivita di 23 milioni di anni in torio 232. All’interno del reattori, esposto a un intenso flusso di neutroni l’uranio 236 si trasforma in uranio 237, che è decisamente instabile. Con una semivita di 6,75 giorni, con l’emissione di un elettrone e un antineutrino, cioè un decadimento beta meno, si trasforma in nettunio 237.
Il nettunio 237 è uno dei transuranici più pericolosi. Ha una semivita di 2,144 milioni di anni. Il nettunio fa facilmente ioni molto solubili, migra, va dappertutto. Se andasse nell’acqua potabile sarebbe causa di tumori al fegato, ai reni e altro.
Il problema dei transuranici è molto più accentuato di quello causato dai frammenti di fissione. Perché?
I transuranici per i quali il nettunio è un esempio, ma che sono tanti, sono tutti radioattivi. Il modo dominante di decadimento è l’emissione di una particella alfa. L’energia della particelle alfa, tipicamente intorno ai 5 MeV, è molto più alta di quello dei decadimenti beta, tipicamente intorno a un MeV. Se ingeriti, i nuclei con decadimenti alfa sono fisiologicamente molto più pericolosi. Per la valutazione del danno biologico (nella trasformazione dai Gray ai Sievert) la loro energia va moltiplicata con un fattore di 20. Poi sono tutti quanti capostipiti di lunghe catene di decadimenti, prevalentemente di tipo alfa. La catena dei decadimenti del nettunio 237 si presenta così, gli altri transuranici si comportano in maniera simile:
Np 237 ? Pa 233 + alfa + 4,7 MeV (Pa = Protattinio) semivita 2 144 000 anni
Pa 233 ? U 233 + elettrone + antineutrino + 0,6 Mev semivita 27 giorni
U 233 ? Th 229 + alfa + 4,7 MeV semivita 159 200 anni
Th 229 ? Ra 225 + alfa + 4,6 MeV (Ra = Radio) semivita 75 400 anni
Ra 225 ? Ac 225 + elettrone + antineutrino + 0,4 MeV semivita 14,8 giorni
Ac 225 ? Fr 221 + alfa + 5,83 MeV semivita 10,0 giorni
Fr 221 ? At 217 + alfa + 6,34 MeV semivita 4,9 minuti
At 217 ? Bi 213 + alfa + 7,07 MeV semivita 32,3 millisecondi
Bi 213 ? Po 213 + elettroni + antineutrino + 1,3 Mev semivita 45,59 minuti
Po 213 ? Pb 209 + alfa + 8,38 MeV semivita 4,2 microsecondi
Pb 209 ? Bi 209 + elettrone + antineutrino + 0,6 MeV semivita 3,253 ore
Bi 209 ? è stabile
I decadimenti sono normalmente accompagnati da emissioni gamma robuste.
Si può concludere che un atomo transuranico è biologicamente circa 500 volte più pericoloso di un frammento di fissione.
Il nettunio 237 resta di concentrazione effettivamente invariata nelle scorie nucleari per un milione di anni. Quello che sparisce per decadimento viene reintegrato dal decadimento alfa dell’americio 241, un altro transuranico presente nelle scorie.
Il decadimento alfa del nettunio 237 però non è l’unico modo di trasformazione. L’altro modo, e questo è comune a tutti i transuranici: Fissione spontanea. Il nucleo si spezza in due in maniera spontanea. L’energia liberata è incirca 5 volte superiore a quella di tutti gli altri decadimenti dello stesso nucleo insieme. La fissione spontanea è seguito da un’emissione di due o tre neutroni e da una quindicina di decadimenti beta con successiva forte emissioni di raggi gamma. I neutroni sono difficilmente schermabili e rendono l’ambiente radioattivo. La pericolosità biologica della fissioni spontanea è circa 10 volte superiore a quella degli altri decadimenti insieme.
La maggior parte dei transuranici nasce dopo l’assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238. L’uranio 238 con un neutrone termico non è fissile, diventa uranio 239. L’uranio 239 fa un decadimento beta meno con una semivita di 23,5 minuti e diventa nettunio 239. Questo fa un altro decadimento beta meno e diventa plutonio 239. Semivita del nettunio 239: 2,335 giorni.
Il plutonio 239 è fissile. Può essere usato in reattori nucleari e in bombe a fissione (la bomba che ha distrutto Nagasaki era al plutonio 239). I reattori attuali ricavano circa il 40% della loro potenza dalla fissione del plutonio 239.
Sono stati concepiti reattori che producono più plutonio 239 di quello che consumano. Sono chiamati “reattori autofertilizzanti”. A Grenoble erano in funzione due reattori di questo tipo, il Phoenix e il Superphoenix. Sono stati spenti a causa di pericolosità eccessiva. La Germania ha costruito uno: Il “Kalkar”, che non è stato acceso. Un tribunale l’ha proibito a causa di pericolosità eccessiva.
Il plutonio 239 è un nucleo fissile abbastanza cattivo. Fa la fissione solo in circa due terzi dei casi di assorbimento di un neutrone termico. Un terzo diventa plutonio 240. Questo è un potente veleno per i reattori. Assorbe neutroni senza fare fissioni. Rovina il bilancio di neutroni. L’accumulo di plutonio 240 nei reattori determina la fine dell’utilizzo degli elementi combustibile. Non è l’esaurimento del uranio 235. Negli elementi di combustibile nucleare esauriti c’è ancora più del 20% dell’uranio 235 iniziale, che non è più utilizzabile a causa della presenza del plutonio 240.
Ci sono reattori che servono per la produzione di plutonio 239 a scopi militari, per bombe a fissione. In questo caso il contenuto di plutonio 240 dev’essere basso, altrimenti le bombe non funzionano. Si espone l’uranio 238 al flusso dei neutroni in nel reattore solo per un tempo breve per evitare la formazione del plutonio 240. Le bombe nucleari a bordo di sommergibili sono di plutonio 239 molto puro. Sono quelli che danneggiano di meno le persone a bordo.
Normalmente il plutonio negli elementi di combustibile nucleare esauriti non è usabile per la costruzione di bombe. E’ troppo avvelenato. Questo è importante per la non proliferazione delle armi nucleari. Ma non tiene all’infinito. Il Plutonio 240 ha la vita più breve del plutonio 239. Tra migliaia di anni il plutonio troppo avvelenato diventa usabile per bombe nucleari. Basta una separazione chimica.
Il plutonio chimicamente è simile al calcio e viene depositato nelle ossa. Lì resta e fa danni. Soprattutto leucemie e tumori ossei.
Elmar Pfletschinger
Non sta per iniziare alcuna era glaciale.
Semplicemente il Sole è in fase di bassa attività ormai da 4 anni e mezzo e per ora non sembra riuscire a venirne fuori. Questo è un dato di fatto.
Un altro dato di fatto è che il sistema Terra reagisce con un certo ritardo agli stimoli esterni, ad esempio a causa della presenza degli oceani, grande serbatoio di energia, che viene poi rilasciata lentamente.
Nonostante ciò, la transizione tra Nino e Nina ques’anno sta avvenendo a velocità superiore rispetto al passato, ancorai più se si guarda alle previsioni per luglio e agosto.
Dunque calma e gesso e niente conclusioni affrettate, nè tantomeno polemiche.
P.S.: mi scuso con Elmar per il brutale OT.
Fabio2(Quote) (Reply)
Grazie Elmar, io da ignorante pensavo che un processo nucleare fosse molto più logico, mentre in raltà è completamente stocastico oltre che altamente inquinante a livello biologico.
volevo solo chiderti una cosa nella tua formula che da qualche giorno viene citata C12(D,gamma)N14 la parte (D,gamma) cosa significa?
Alessio(Quote) (Reply)
Come avrebbe detto Feynmann ” Non e’ molto elegante, ma la natura e’ cosi’ e non possiamo farci niente…” ….
Certo che, se volessimo procurarci lavoro di guardianaggio per i prossimi 50.000 – 60.000 anni, una bella produzione di scorie da centrali nucleari e’ raccomandabile ….
Soprattutto perche’ si pacherebbe carissima l’energia che ne ricaveremmo….
Ciao
Luca
Bello Elmar … (ma, -e ti crtico sempre li-… li trovo un po’ ingarbugliati… Forse dovresti scendere ancora un po’…. Magari mettere delle tabelle… Lo so che e’ difficile, se semplifichi troppo banalizzi…) ….
Ciao
Luca
Nitopi(Quote) (Reply)
La parte in parentesi prima della virgola indica il proiettile, la parte dopo la virgola sono le particelle che escono dalla reazione.
Esempio: T(D,n)He4 vuol dire che nu nucleo di trizio (T) reagisce con un nucleo di deuterio (d) e che la reazione libera un neutrone (n) e nasce un nucleo di elio 4.
elmar(Quote) (Reply)
nella reazione C12(D,gamma)N14 vuol dire che un nucleo di C12 reagisce con un deuterone. Vinee creato un nucleo N14 eccitato, che si libera dell’eccesso di energia con l’emissione di uno o più quanti gamma (radiazione elettromagnetica):
elmar(Quote) (Reply)
Grazie mille!! Ma quindi vorrebbe dire che mitragliando uno strato di carbonio con deuterio si ricava energia elettromagnetica utilizzabile?
Alessio(Quote) (Reply)
Ottimo articolo in poche righe sei riuscito a farmi capire perché il nucleare é così sporco e sarebbe meglio non utilizzarlo se non si sa con sicurezza dove stoccare le scorie. Sappiano come (non) vengono smaltiti i rifiuti urbani. La gestione dei rifiuti tossici industriali é già un grosso problema. Figuriamoci come verrebbe gestito le stoccaggio delle scorie.
Il programma nucleare deve partire dal problema delle scorie …
Per dire l’ inceneritore del Pollino in Versilia aveva gli strumenti tarati male e rilevava un contenuto di inquinanti ad un valore 10 volte più basso ovvero gli indici segnavano uno zero in meno … e questo é durato per anni prima che qualcuno se ne accorgesse.
Insomma la pratica é sempre molto diversa dalla teoria e i rischi del nucleare in pratica sono sempre assurdi.
Luci0(Quote) (Reply)
@ Alessio
Il termina “mitragliare” avrebbe il significato di sparare deuteroni con un acceleratore su un target di carbonio. Funziona, ma mai più esce più energia di quelloa che entra.
Il sistema per produrre energia sarebbe quello di creare un plasma imbottigliato da campi magnetici e portare il plasma a 170 milioni di gradi. Il plasma in questo caso sarebbe da fare con carbonio e deuterio (per esempio con benzene esadeuterato). Attualmente esistono apparechhi del genere (tipo tokamak, progetto ITER) per la fusione trizio – deuterio. Per la fusione carbonio – deuterio la macchina e le temperatura sarebbero incirca le stesse.
finora, dopo più di 50 anni di ricerca queste macchine non funzionano. nessuna ha prodotto più del 40% dell’energia che era necessario per farli caminare.
La reazione carbonio – deuterio avrebbe il vantaggio che non ci sono in giro neutroni, che portano via energia e che rendono l’ambiente radioattivo. La reazione carbonio – deuterio può funzionare meglio ed è più ecologica. Ma non è detto che basti per produrre energia davvero.
elmar(Quote) (Reply)
Ecco cosa é successo all’ inceneritore … versione “romanzata” di parte ma rende l’ idea
http://gendusosindaco.wordpress.com/2008/09/08/scoppia-il-caso-inceneritore-del-pollino-a-pietrasanta-lu/
Luci0(Quote) (Reply)
Sembra che per lo smaltimento delle scorie qualcuno abbia “risolto” il problema rivolgendosi al N’drangheta, che organizza o la sistemazione in normali discariche o in navi da affondare in alto mare.
Il problema non la tecnologia ma la scarsa affidabilità dell’uomo.
elmar(Quote) (Reply)
Per le scorie ci vorrebbe un affidabilità dell’ uomo del 100% per decine di migliaia di anni … un risultato umanamente non raggiungibile 🙂 .
Luci0(Quote) (Reply)
Ancora grazie per la pazienza , sarebebro molte le domande, ma credo che da qui in poi per le risposte ci vorebbe un corso di fisica nucleare… però sarebbe bello se funzionasse, energia di fusione pulita. Immagino cmq che la parte più dispendiosa del processo sia riscardare il plasma a 170 miglioni di gradi…
Forse è solo una fantasia, ma non avrebbe senso un sistema ibrido con un “micro reattore sporco” per garantire unapercentuale dell’energia di alimentazione per un mega reattore pulito dove produrre energia?
Alessio(Quote) (Reply)
Ciao Elmar,
L’altro giorno si parlava della Fusione fredda. Cercando in rete ho trovato questo:
http://www.journal-of-nuclear-physics.com/?p=66
http://v3.espacenet.com/publicationDetails/description?CC=WO&NR=2009125444A1&KC=A1&FT=D&date=20091015&DB=EPODOC&locale=en_EP
Un estratto:
“””
Il conclusione, il procedimento e l’apparato che abbiamo messo a punto sono l’unico sistema ad oggi esistente in grado di produrre energia tramite reazioni di fusione nucleare; inoltre, poiché le sostanze necessarie sono Nickel e acqua (per ottenere Idrogeno), si tratta di una fonte di energia illimitata per il pianeta, e priva di emissioni.
Sergio Focardi
Andrea Rossi
“””
Che ne pensi? E una bufalona oppure potrebbe funzionare?
Grazie
Beppe
Mistral-101(Quote) (Reply)
Ho notato e il processo sembra essere inarrestabile … io speravo in un appiattimento della curva, che sembra diventa una retta e in qualche mese il polo diventerà azzurro .. 🙂
Io credo che il software di rilevamento per ijis AMSR-E stia facendo pasticci e dopo il 15 di ottobre i nodi verranno a pettine … ma anche i dati NSIDC non sono incoraggianti … a questo punto c’ é da sperare che la pendenza della curva non aumenti. Ma tifare per il freddo prima di andare in vacanza non mi sembra intelligente !
Luci0(Quote) (Reply)
non ho capito come possa funzionare. con le temperature menzionate nel brevetto, centinaio di gradi, è assolutamente impossibile superare la barriera elettrostatica tra un nucleo di nickel e un protone.
Se funzionasse, avrebbe messo in crisi le turbine di stazioni termoelettriche. L’ultimo dato che ho letto sono temperature del vapore d’acqua di 700 gradi. Le pale delle turbine sono ad alto contenuto di nickel.
elmar(Quote) (Reply)
@Alessio
I microreattori che lavorano con la fusione T – D ci sono. Ma non producono energia. Sono piccolissimi acceleratori che sono in uso come sorgenti di neutroni. Il loro vantaggio è che possono essere pulsati. Possono servire a scoprire esplosivi nei bagagli negli aeroporti o servono a scoprire se in una perforazione il petrolio c’è. L’energia cinetica necessario per superare la barriera elettrostatica tra due nuclei viene creata con un microacceleratore, non in maniera termica. E così non si produce mai energia.
Nei tokamak la temperatura viene creata nel plasma con induzione elettrica e compessione magnetica. Sembra che questo non sia problematico.
elmar(Quote) (Reply)
hO CANCELLATO il messaggio di prima perchè rispondevi a quell’imbecille di bora che ancora nn ha capito che ogni volta che riesce ad eludere il ban, poi cmq i messaggi glieli cancello dopo…
PER TUTTI GLI UTENTI: NN RISPONDETE PIU’ A MESSAGGI PROVOCATORI, CHE APPARTENGONO SEMPRE A LUI!
SIMON
ice2020(Quote) (Reply)
In effetti mi pareva un tantino polemico, però il nick l’avevo già visto e sembrava scrivere cose tranquille……certo che ‘sto Bora ne ha di tempo da perdere in polemiche inutili…..
Fabio2(Quote) (Reply)
Bellissimo articolo di Elmar che ci chiarisce come noi poveri utenti non sappiamo quasi nulla dei problemi che esistono e che ancora non sono risolti.
I metodi di trattamento attuali sono essenzialmente di separazione e isolamento degli elementi più attivi, inglobando in masse vetrose o bituminose i prodotti concentrati e solidificati, raccogliendoli in contenitori di acciaio e calcestruzzo che vengono infine interrati in aree geologicamente stabili, in cupole saline ricoperte da un adeguato spessore di rocce impermeabili. Ma questi metodi attuali sono sicuri? Stanno stoccando scorie radiottive in caverne ma non vorrei abitare nemmeno a centinaia di chilometri da tali bombe sepolte.
I sistemi di stoccaggio delle scorie mi sembra come se deii bambini giocassero a bocce con bombe a mano ancora con la sicura, ma sempre bombe sono e una sicura non é mai sicura.
sand-rio(Quote) (Reply)
Interessante la reazione carbonio deuterio… Se non emettono neutroni dovrebbe essere “quasi” pulita
Rimangono anche per me i dubbi… ci si potra’ mai riuscire?
@Elmar: come pensano di estrarre l’energia dal plasma? ho idea che qualsiasi cosa si usi per “spillarlo” lo renda instabile 8)
Ciao
Luca
Nitopi(Quote) (Reply)