Archivio mensile:Giugno 2010

SCORIE NUCLEARI 2: aspetti quantitativi

Sole e Clima

Situazione in gennaio 2010:
Centrali nucleari civili che producono energia elettrica: 436
Potenza elettrica 370 GW
Energia elettrica da centrali nucleari fino al gennaio 2010: 62 migliaia di miliardi di kWh
Rendimento delle centrali di seconda generazione: 33%
Energia termica prodotta: 7 828 000 GWD (GigaWattDays) 21 447GWA (GigaWattAnni)
Burn up delle centrali di seconda generazione: 40 GWD/T

Vuol dire che una tonnellata di uranio metallico produce 40 GigaWattGiorni di energia termica. Per risalire all’energia elettrica prodotta occorre ridurre questo numero per il rendimento.

Dal burn up e dal rendimento si può calcolare la quantità di uranio usato per la produzione dell’energia elettrica. Questa quantità è uguale alla quantità di combustibile esaurito e alla quantità di scorie altamente radioattive prodotte.

Il risultato di questo calcolo è che finora sono state prodotte 196 000 tonnellate di scorie altamente radioattive.

Le quantità in realtà sono più alte per i seguenti motivi:

· Il burn up all’inizio dell’energia nucleare era di 30 GWD/to.
· Il rendimento era inferiore al 33%.
· Insieme all’uranio ci sono altri materiali: Incapsulamento e ossigeno quando si usano ossidi invece di metalli.

(Da T. Mukaiyama. Motivation and Programs for Transmutation of Nuclear Waste, Otto Hahn Summer Scholl 2002 Lectures, CEA – Cadarache, France 2002,
ripreso da Wikipedia,
ripreso da Marco Calviani. Measurement of fission cross-section of actinides at n_TOF for advanced nuclear reactors, 2 febbraio 2009, tesi di dottorato, Università di Padova)

Vale la curva PWR (Pressurized Water Reactor) che è praticamente uguale a quella dei BWR (Boiling Water Reactor) che attualmente sono prevalenti.

Il diagramma mostra la radiotossicità delle scorie per 1 GWt anno. In gennaio 2010 l’energia termica prodotte dalle centrali nucleari era di 21447 GWA. La dose letale per l’uomo è 6 Sievert.

Se tra 100 anni la popolazione mondiale è di 10 miliardi di individui, le scorie nucleari prodotte fino al gennaio 2010 sono idonee a uccidere questa popolazione 300 volte.

Andamento della pericolosità di singoli elementi delle scorie per 10 milioni di anni
TRU = transuranic
FP = Fission product
da Marco Calviani. Measurement of fission cross-section of actinides at n_TOF for advanced nuclear reactors, 2 febbraio 2009, tesi di dottorato, Università di Padova)
Di nettunio 237, che a lungo termine è la scoria più pericolosa a causa della sua solubilità e della sua tendenza a migrare, dopo un milione di anni ce n’è di più che dopo l’estrazione dal reattore.

La composizione degli elementi combustibili nuovi e easuriti. MA = Minor Actinides = nettunio, americio, curio. LLFF = Low Level Fission Fragments. FF = fission fragments. Le quantità si riferiscono a 1 GW elettrico per un anno. (da Tesi di dottorato Marco Calviani).

Bombe sporche

Le scorie nucleari ad alta radioattività (HLW) possono essere usate per la produzione di bombe sporche. Distribuire nell’atmosfera 2 tonnellate di questo materiale con l’esplosione di 2 tonnellate di TNT produce un effetto devastante peggiore dell’esplosione del reattore di Cernobyl.

C’è molta preoccupazione per la proliferazione delle armi nucleari. Si litiga con l’Iran perché si prepara per la produzione di bombe nucleari. Il rischio di bombe sporche sulla base di scorie prodotte da qualsiasi reattore nucleare non viene messo in evidenza.

Produrre bombe nucleare è costoso e tecnicamente complicato. In confronto con le bombe sporche l’effetto è modesto. Con una bomba nucleare si distrugge una città, con una bomba sporca una regione.

A livello mondiale ci sono 34 paesi con impianti nucleari per la produzione di energia elettrica, tutti producono scorie nucleari e nessuno sa dove metterli.

La produzione di bombe sporche è semplice. Il materiale è disponibile, si paga per farlo portare via.

Deposito sicuro per scorie nucleari

Scorie nucleari non devono entrare nella biosfera
Scorie nucleari non devono andare nelle mani di malintenzionati

Nella tesi di Marco Calviani è specificato che soluzioni ingegneristiche potrebbero tenere per mille anni. Dopo ci vogliono depositi geologici sicuri.

In Germania c’erano due siti geologici, dichiarati sicuri da geologi, nel senso che per un milione di anni non sarebbe entrata l’acqua. Dopo dieci anni l’acqua era dentro. Occorre traslocare tutto. Il governo tedesco ha dichiarato che il problema non è risolto.

C’è un dubbio sull’affermazione che soluzioni ingegneristiche tengano per mille anni. Il sarcofago di Cernobyl non tiene. Le radiazioni lo distruggono.

I materiali usati per la protezione subiscono alterazioni a causa delle radiazioni. Ci sono raggi gamma molto penetranti, che per effetto Compton spostano elettroni. Ci sono neutroni che rendono nuclei radioattivi e li trasformano in altri elementi. Acciai diventano fragili come vetri. Vetri diventano idrosolubili.

Elmar Pfletschinger

Come prevedere il comportamento del ciclo 24.

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Riuscire a comprendere a fondo quanto ha detto il prof. Leif Svalgaard, fisico solare della prestigiosa Università di Stanford, al seminario a Keystone in Colorado il 20 maggio 2010 sulla possibilità di predizione del ciclo 24 non è meno difficile che spiegarlo con parole semplici per tutti.

Tempo fa scrissi che il prof. Svalgaard ci stava preparando qualcosa di interessante e così è stato. Ma molti potrebbero rimanere delusi, come peraltro lo sono rimasto io, ma anche rinfrancato, come capirete solo alla fine di questo articolo. D’altra parte la scienza è fatta di successi e fallimenti.
Dai fallimenti bisogna trarre la parte migliore e ripartire da lì per una nuova comprensione dei fenomeni naturali.

Svalgaard e la sua equipe hanno esaminato criticamente ben 75 lavori scientifici di diversi autori che hanno pubblicato le loro teorie sulla predittività del ciclo solare 24.

Tra questi Svalgaard ne ha posto in evidenza in particolare due, basati sulla teoria del “Flux Trasport Dynamos”, ossia di Choudhuri [2] e di Dikpati [1].

Riassumendo le diverse posizioni si può dire che i risultati non coincidenti tra i due autori (Dikpati – Rmax ciclo24 = 160-185 e Choudhuri – Rmax ciclo24 = 75) corrispondono principalmente alle differenti ipotesi circa la propagazione del flusso magnetico all’interno del Sole, che si esprime con diversi modelli di funzionamento della dinamo solare.
In Choudhuri si parla di una dinamo con ad alta diffusività (propagazione veloce), il modello della dinamo solare di Dikpati è, invece, a bassa diffusività (per avvezione).

A sinistra:Choudhuri (diffusione veloce – P agisce per T)
A destra:Dikpati (bassa diffusività – Conveyor Belt)

Nel modello di Dikapati il flusso è così lento che la distanza tra un puntino e l’altro nel disegno del suo modello è di circa un anno.
Si parte dal postulato che se questa diffusività è alta si avrà un ciclo debole.

Dikpati presuppone inoltre una circolazione del flusso nell’emisfero meridionale costante, tranne che nel ciclo 24, nel quale sembra aumentata..
Ma entrambi i modelli di trasporto del flusso proposto dai dei due autori, Dikpati e Choudhuri, coincidono nel supporre che quando il flusso meridionale è veloce, questo dovrebbe produrre potenti campi magnetici polarizzati e cicli solari brevi.

Svalgaard ha citato a questo proposito uno degli ultimi lavori di David Hathaway e Lisa Rightmire che hanno affermato nella loro pubblicazione del 2009: “in base alle misurazioni effettuate sulla velocità del Flusso Meridionale, mediante SOHO nel ciclo solare 23, si dimostra che nel minimo solare del ciclo 24, ossia dal 2008, la velocità del flusso è diventata significativamente più alta di quella vista nel precedente minimo (il 23)”.

David Hathaway viene di nuovo richiamato in causa per quanto affermato nello stesso lavoro, ossia che in questi modelli la maggiore velocità del flusso meridionale dovrebbe produrre potenti campi magnetici e cicli solari brevi, contrariamente a quanto osservato finora direttamente sul Sole. Pertanto, le attuali osservazioni, insieme ad altri fattori, suggeriscono che i modelli di trasporto del flusso nella dinamo solare prodotti fino ad oggi non descrivono adeguatamente il comportamento dei cicli solari e non sono ancora sufficienti a fornire previsioni convincenti del comportamento del ciclo solare 24. (Hathaway, 2009).

Detto da Hathaway è un affermazione piuttosto pesante e non nasconde un certo disappunto

Forse si tratta di schemi troppo rigidi? Di sicuro i modelli dei campi magnetici sono stati costruiti molti anni fa, essenzialmente a metà del 2003, e sicuramente prima dell’aumento della velocità della Circolazione Meridionale. Questi campi magnetici non sono aumentati da allora ed anzi hanno iniziato a dimostrare l’attesa diminuzione dovuta all’inizio dell’attività solare del nuovo ciclo 24, senza più riprendersi.

Svalgaard su questo punto è stato parecchio critico ed ha detto che il problema della Circolazione Meridionale non è se questa esista o no, che abbia più o meno celle, ma piuttosto quale sia il ruolo che essa svolge nel ciclo solare, che probabilmente dipende dall’importanza della sua propagazione turbolenta.

Inoltre, non è conosciuto il grado con cui la Circolazione Meridionale sia a sua volta influenzata da retro reazioni da parte di forze di Lorentz associate ai campi magnetici generati dalla dinamo solare; ossia, in poche parole non sappiamo se è nato prima l’uovo o la gallina.

Per chi è digiuno di fisica, le forze di Lorenz sono forze deflettenti, ossia hanno effetto solo sulla traiettoria di un oggetto elettricamente carico (il plasma) che si muove in un campo magnetico (solare). La caratteristica principale della forza di Lorentz è che è sempre diretta perpendicolarmente rispetto alla direzione del moto.

Ancora, ha sottolineato Svalgaard, la forma e la velocità del flusso di ritorno dall’equatore nella zona convettiva inferiore è attualmente sconosciuta. Probabilmente solo SDO ci dirà qualcosa di più su questo.

Il quesito che Svalgaard ha posto e che forse si tratta solo di una dinamo di superficie, ed ha citato Kenneth Schatten [3] il quale ha esplorato la possibilità che le macchie solari siano solo un fenomeno di superficie, essendo la fusione di più piccole configurazioni magnetiche, da come sembrano indicare le sue osservazioni. Il dubbio posto è che la dinamo solare sia in realtà poco profonda e non operi a livello della tachocline, che sembrerebbe basata su sui modelli cellulari automatici di attività.

La posizione della tachocline all’interno del Sole

Con il termine tachocline si designa la zona di transizione, all’interno del Sole, tra la zona radiativa e la zona convettiva. Si ritiene attualmente che la sua dimensione sia una delle cause dei campi magnetici che caratterizzano la nostra stella. Le simmetrie e l’estensione della tachocline sembrano rivestire un ruolo di primo piano nella formazione della cosiddetta dinamo solare, poiché rinforzano i deboli campi poloidali creando un più intenso campo di forma toroidale.

Nel modello di Schatten il flusso magnetico polare sembrerebbe essere predittivo del flusso di macchie solari che vengono a svilupparsi.

Il modello di Kenneth Schatten

Per ultimo Svalgaard ha citato il modello di Kitiashvili (2009), che se i precedenti modelli potevano sembrare complessi, questo mi ha fatto decisamente stramazzare.
Nell’Ensemble Kalman Filter (EnKF) di Kitiashvili il metodo usato è stato quello di assimilare i dati del numero di macchie solari in un modello non lineare a-O di dinamo solare a campo medio che tiene conto della dinamica della turbolenta elicità magnetica.

Il modello di Kitiashvili

Non chiedetemi di spiegarvelo perché penso che sia veramente di difficile comprensione.
La mia impressione personale è che Svalgaard abbia fatto tutta questa elencazione al puro scopo di dimostrare che ognuno di questi modelli studiati al computer fornisce una quasi-spiegazione del fenomeno macchie solari ed attività solare.
Dei modelli che alla prova dei fatti non funzionano, anche se matematicamente si presentano ineccepibili.

Quale è la soluzione che propone?
Vi parrà incredibile, ma suggerisce di ritornare alle previsioni empiriche.
Lui dice che dopo le previsioni basate sui “Flux Trasport Dynamos” abbracciate più o meno entusiasticamente dai fisici solari di tutto il mondo, molto meno quelle della dinamo superficiale di Ken Schatten e ancora meno l’approccio EnKF di Kitiashvili, si potrebbe essere costretti a ritornare alle tecniche empiriche precedenti per uscirne fuori, con le quali alcune caratteristiche osservate potevano far presagire l’attività futura.

Esattamente quello che più o meno stiamo facendo a NIA! E che sto facendo anch’io, dopo le osservazioni di Svalgaard che mi hanno convinto, fotografando ogni giorno il Sole con il mio telescopio e confrontando i risultati con le osservazioni passate, in stile J. M.Vaquero dell’ Universidad de Extremadura in Spagna, che su questo ha scritto tantissimo.

Ma quello che Svalgaard suggerisce per interpretare correttamente i dati raccolti in questo modo lo vedremo in un prossimo articolo.

Bibliografia:
[1] Dikpati, M., de Toma, G., Gilman, P.A.: Predicting the strength of solar cycle 24 using a ?ux-transport dynamo-based tool, Geophys. Res. Lett., 33, L05102, 2006.

[2] Choudhuri, A.R., Chatterjee, P., Jiang, J.: Predicting Solar Cycle 24 with a solar dynamo model, Phys. Rev. Lett., 98, 131103, 2007.

[3] Kenneth Schatten: Modeling A Shallow Solar Dynamo, Solar Physics, 255, 3-38, 2009

Pablito

SCORIE NUCLEARI 1 – i fenomeni

Energie

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

Nowcasting solare sabato e domenica

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(Per vedere ingrandito il continum Gong: http://www.nso.edu/latest_images/gong_current_int.jpg)

La 1082 nel nord-ovest del sole è sparita, ma nell’emisfero meridionale appare da ieri una nuova macchia, la probabile nuova AR 1084.

Al 25 giugno la media mensile del flusso solare si attesta a 74.56, in trend di leggera crescita ormai da alcuni giorni.

L’attività solare resta a valori molto bassi.

Giugno chiuderà sotto a maggio per quanto riguarda il solar flux, ma non per il SN.

Continua la fatica del sole a produrre macchie degne di nota, cosa potrebbe accadere da adesso in poi rimane davvero un mistero tutto da vivere!

Questa la situazione del behind:

La vecchia AR 1079 nel sud emisfero è spuntata stanotte ed ha già una macchia, la 1080 sempre nel emisfero meridionale la seguirà presto, mentre nel nord emisfero domani mattina presto è previsto l’arrivo della vecchia 1081.

Mi aspetto un innalzamento del solr flux nei giorni a venire.

Stay tuned, Simon

UPDATE: LA MACCHIA COMPARSA STAMANI NEL SUD EMISFERO, HA CHIARA POLARITà DA CICLO DISPARI:

Trattasi dell’ennesima di questo anomalo ciclo 24, orami la casistica citata dal prof Svalgaard riguardo le macchie a polarità invertita, non sta più in piedi!

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

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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