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
Interessantissimo articolo, sebbene le mie competenze in materia siano limitate ditalche la comprensione ne soffre.
Ma vorrei farti una domanda: nelle navi nucleari militari (non solo i sottomarini) come conciliano l’inerzia temporale del reattore con esigenze logistiche di potenze immediate?
Grazie e ciao
Marcello
marcello(Quote) (Reply)
Non lo so. Ma secondo me, o sono sicuri di non dover partire i prossimi tre giorni e possono spegnere il reattore o lo tengono acceso a potenza normale e scaldano l’acqua del porto.
Per il motivo di non poter variare la potenza dei reattori la Francia svende l’energia elettrica nei tempi di consumo insufficiente. Per questo motivo i reattori della Francia comunque sono troppi. L’energia nucleare dovrebbe essere usata solo per la potenza di base, corrispondente al consumo minimo.
elmar(Quote) (Reply)
Elmar, mi pare di capire che nn sei un amnate dei reattori nucleari come fonte di energia alternativa?
Simon
ice2020(Quote) (Reply)
ciao Simon, hai ragione. Sono fisico e da giovane ho lavorato nel campo dell’energia nucleare, a Karlsruhe, nel centro di ricerca nucleare. Ho misurato le sezioni di fissione di vari isotopi del plutonio con neutroni veloci allo scopo di costruire il reattore convertitore veloce di Kalkar. Quello che poi è stato probito da un tribunale per eccesso di pericolosità.
Quando ero ancora nell’ambiente ho notato che c’era un tabu totale di discutere. Non si poteva esprimere un sospetto che collaboravamo a una grande fesseria.
Ho poi dovuto imparare che gli antinucleari sono solo quelli non capiscono niente e ragionano unicamente in maniera emotiva.
elmar(Quote) (Reply)
ottimo articolo
un punto di vista scientifico sul nucleare
con molti aspetti che non conoscevo
in effetti gli antinucleari tendono a ragionare solo in termini emotivi.
Andrea B(Quote) (Reply)
Ok!
Il problema è che dopo il famoso referendum post cernobyl, ho un pò timore anch’io che gli Italiani abbiano deciso per emotività…ma capisco le tue perplessità…però sai, fa rabbia pensare di dover spendere un sacco di soldi per comprare enregia in surplus dai transalpini che hanno alcune delle oo centrali nucleari proprio a ridosso dei nostri confini.
Simon
ice2020(Quote) (Reply)
A Verona ho parlato con due pediatri, che non si conoscono. Tutt’e due hanno affermato che dopo l’incidente di Cernobyl il numero di bambini nati con malformazioni è raddoppiato.
Un chirugo ortopedico mi ha detto che i tumori ossei sono aumentati.
Non c’è essere umano sulla terra che non abbia lo stronzio 90 nelle ossa. Lo stronzio viene inegrato invece del calcio nelle ossa. In maniera preferenziale.
Prima dell’era nucleare (non solo dell’incidente di Cernobyl, ma anche degli esperimento nucleari fino agli anni sessenta) le ossa non erano radioattive. Questo è straordinario. Occorre sapere che il corpo umano era da sempre radioattivo. La causa è il potassio 40 che fa qualcosa intorno a 4000 decadimenti al secondo nel corpo umano. L’osso però non contiene potassio. All’interno dell’osso c’è il midollo, che produce sangue. Prima dell’era nucleare il midollo era protetto dalla radioattività. Adesso non lo è più.
elmar(Quote) (Reply)
Ottimo articolo di Elmar che é abbastanza chiaro anche per noi neofiti. Il fatto é che la lobby AGW sta spingendo a favore del nucleare. Vogliono spegnere le centrali tradizionali, perché inquinanti con quel gas mortifero emesso che hanno dichiarato che é la CO2, per sostituirli “de facto” con centrali nucleari… perché non inquinano, cioé non emettono CO2 ma emettono tante altre scorie pericolisissime immortali.
La discussione andrá avanti ancora per poco tempo peró peché l´uomo é affamato di energia e quella “fossile” é in fase di esaurimento. E per l´energia presente e futura si fanno le guerre giuste o sbagliate che siano, giuste o inventando un nemico immaginario. L´importante é avere sotto controllo le risorse energetiche presenti e future. E chi controlla l´atomo oggi controllerá il pianeta domani.
sand-rio(Quote) (Reply)
Interessantissimo intervento soprattutto l’aspetto dell’assorbimento preferenziale di un minerale rispetto ad un’altro. Un fenomeno simile avviene nelle piante acide fra Calcio e Potassio che hanno un strato d’idratazione simile e gli enzimi preposti all’assorbimento dei minerali non vedono la differenza.
Andrea b(Quote) (Reply)
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…
ice2020(Quote) (Reply)
bell’articolo molto tecnico e molto interessante!!
ad oggi il dato delle nascita dei disabili in Italia è al 4%( dati sono dell’ Asl),senza che ci sia una ragione chiara…
Invece per quanto riguarda le ossa scopro una cosa veramente triste, ma forse lo hanno fatto per aumentare la definizione delle radiografie.. scerzi a parte.. a questo punto le ossa erano già fatte in modo tale da non autoinquinarci, ed invece ora ci inquiniamo il doppio..però..
Alessio(Quote) (Reply)
Io non sono contro il nucleare per partito preso, sono contro il monopolio del nucleare imposto dall´alto.
sand-rio(Quote) (Reply)
Beh, questo è un altro discorso e nn posso che quotarti!
ice2020(Quote) (Reply)
Per me era un privilegio vivere in un mondo con poca radioattività. Comunque sempre troppa, anche quella naturale. Il nostro mondo è nato da una supernova intorno a 4,5 miliardi di anni fa. Al di fuori del carbonio, ossigeno, etc, cioè gli elementi che nascono nelle stelle per fusione, gli elementi che nascono nella seconda fase della supernova per assorbimento di neutroni, sono tutti radioattivi. Questa radioattività ha reso impossibile la vita sulla terra per circa un miliardo di anni. Un decadimento nucleare libera un’energia che che da circa 1 milione a dieci milioni di volte superiore all’energia del legame chimico che determina la vita.
Nel nostro mondo non c’era il plutonio. Adesso c’è. La ciffra ufficiale era che qualche tempo fa ne avvanzavano 1080 tonnelate. Ma credo che sia molto di più perchè nasce in quantità in tutti i reattori.
Comunque se non si tiene conto del fatto che la sistemazione delle scorie a lungo termine è un problema non risolto e che l’assicurazione dei danni – compreso quelli “stochastici” – non è economicamente possibile, la corrente prodotto dalle centrali nucleari è quella che costa di meno.
Noi godiamo dell’energia di basso costo, i danni creati vanni ai nostri figli e nipoti.
elmar(Quote) (Reply)
simon, se mi vuoi parlare su msn devi però essere connesso, altrimenti chiudiamo la questione e tanti saluti.
Fabio Nintendo(Quote) (Reply)
Ciao Fabio, staesra, ora devo uscire…
simon
ice2020(Quote) (Reply)
Ottimo articolo, che deve far riflettere su cosa, in futuro, dovremo affrontare, inevitabilmente.
Possibilmente non con la fissione nucleare, troppo inquinante, ma di sicuro con la fusione, non inquinante ma 8 volte più “potente” della fissione.
Per fortuna la fusione, al contrario della fissione, è in grado di essere facilmente “controllata”, basta chiudere il rubinetto di deuterio e la reazione cessa.
L’energia che noi tutti usiamo ogni giorno viene da due fonti principali: collasso gravitazionale avvenuto durante la formazione del pianeta unito del decadimento radioattivo di atomi pesanti (energia geotermica) e fusione termonucleare (energia solare.
Tutte le altre fonti di energia sono derivate e “concentrate” (il petrolio dà molta più energia del solare perchè è energia accumulata, in pochi secondi con il petrolio puoi ricavare energia che le piante hanno accumulato in diversi secoli.)
Ma questo “deficit” temporale è un problema, è qui il nocciolo della questione, è qui che nasce la definizione di “non rinnovabile”, ovvero, è rinnovabile, ma non in tempi utili per gli esseri umani.
In un mondo che ha sempre più sete di energia il solo geotermico e solare non basteranno mai, possono essere di grande aiuto, ma siamo in 6.5 miliardi di persone (in crescita) che ogni giorno richiedono sempre più energia, pensare di andare avanti a pannelli solari non è solo utopico, è irrealistico.
Dobbiamo ricreare sul pianeta quella reazione che Einstein scrisse con la magnifica formula E=mc^2, ricreare una stella (in piccolo XD) sul pianeta e sfruttare quello per produrre energia.
La fissione è pericolosa, inquinante, costosa e sta esaurendo un combustibile che è per definizione “non rinnovabile”.
La fusione è più potente, non inquinante facilmente “spegnibile” (la difficoltà è appunto tenerla accesa XD) e consuma idrogeno, l’elemento più diffuso nel nostro universo XD
Andreabont(Quote) (Reply)
Questo articolo dimostra che quando uno è competente, può scrivere anche di cose complicate ed essere lo stesso chiarissimo. Complimenti ad Elmer.
agrimensore g(Quote) (Reply)
Negli anni 60 gli esperti della fisica del Plasma dicevano che ci vogliono 25 anni prima di produrre energia con la fusione nucleare. Negli anni 90 dicevano che vogliono altri 40 anni.
Finora nessun impianto ha prodotto più del 40% dell’energia necessaria per farlo funzionare.
Uno dei problemi è che nella reazione T(D,n)He4 il neutrone porta via la porzione più grande dell’energia di reazione.
Un fisico che conosco, Mujeeb Hashmi, che ha passato la vita nella fisica del plasma e della fusione nucleare, ha sviluppato l’ipotesi che il plasma è molto più trasparente per i raggi gamma di quanto si pensava prima. L’attuale teoria assume che il plasma sia un corpo nero. Lui ha elaborato il dettaglio del meccanismo di assorbimento ed è arrivato alla conclusione che a causa dell’assorbimento inferiore dei raggi gamma, la fusione non funzionerà. Il suo lavoro non è stato contraddetto, ma la pubblicazione è stata negata.
La fusione nucleare non è un’energia rinnovabile. Pensare che funzioni con l’idrogeno normale, come il sole, è un errore. La reazione p-p sulla terra non è stata fatta neanche una sola volta e non sarà mai fatta. La fusione nucleare si basa sulla reazione tra deuterio e trizio. Il deuterio è disponibile in quantità illimitate. Il trizio no. Il trizio viene prodotta dal litio, che dopo l’assorbimento di un neutrone produce trizio. Il litio, soprattutto dopo il fabbisogno massiccio per accumulatori, è una risorsa limitata.
Io punterei sull’energia solare. Un kW/m^2 è tanto e i deserti sono grandi. Con 6 km^2 di pannelli fotovoltaici si sostituisce una centrale nucleare.
Ma non punterei neanche sui pannelli fotovoltaici. Io punterei sulla fotosintesi da parte di piante o microorganismi, eventualmente geneticamente modificati allo scopo. La fotosintesi funziona con acqua, luce solare e anidride carbonica. Attualmente la concentrazione di 390 ppm nell’aria non è in equilibrio con l’energia solare. E’ di gran lunga troppo bassa. Da qui si conclude che vale la pena raccogliere l’anidride carbonica e usarla per la fotosintesi. Da una sostanza oggi (a torto) considerata inquinante, l’anidride carbonica diventerebbe una materia prima di valore. La fotosintesi potrebbe produrre direttamente idrocarburi, che sono la forma di energia meglio staccabile e meglio trasportabile. Le automobili e gli aerei ne hanno bisogno. L’auto elettrica è un assurdo. Gli accumulatori migliori, al litio, tengono 0,5 MJ (MegaJoule) al kg. Idrocarburi tengono 40 MJ al kg. Gli accumulatori non arriveranno mai ad essere sufficientemente capienti, il litio finisce, le batterie durano poco, le batterie esaurite sono inquinanti.
Per l’energia nucleare sarebbe meno inquinante puntare sul torio 232. Non produce transuranici. Le scorie devono essere messi al sicuro per qualche millennio, non per qualche centinaio di migliaia di anni come per l’uranio o il plutonio. I prototipi di reattori al torio che erano in funzione in Germania tempo fa però non erano concorrenziali. La disponibilità non ha superato il 10% a causa di problemi tecnici.
Per la fusione ho sviluppato un’idea alternativa. Quest’idea è basata su un’osservazione astronomica. Nel 2001 il Max Planck Institut di Bonn ha fatto un comunicato stampa, affermando che con il radiotelescopio avrebbero osservato un nube di ammoniaca trideuterata. Secondo l’astrofisica attuale, che stabilisce una concentrazione del deuterio nell’universo, questa nube non può esistere. Infatti questa osservazione non ha avuto nessun seguito e nemmeno una normale pubblicazione. Ma io ci ho creduto.
L’astrofisica attuale sostiene un’altra cosa che secondo la fisica nucleare è atroce: Le esplosioni di nane bianche in sistemi simbiotici sarebbero esplosioni nucleari di idrogeno. La nana bianca è una stella esaurita con un massimo di 1,4 masse solari. E’ grande come la terra ed è fatto di carbonio (forse un po’ di ossigeno). Un sistema simbiotico è una binaria stretta. La nana bianca è accompagnata da una gigante rossa, che all’esterno è fatta di idrogeno. Di questo idrogeno qualcosa passa oltre il punto 1 di Lagrange e va alla nana bianca, dove si accumula. L’astrofisica attuale sostiene che quest’idrogeno dopo un po’ esplode. C’è un problema: L’idrogeno, a livello nucleare non esplode. Le stelle della sequenza principale del diagramma Hertzsprung Russel non potrebbero esistere. Corrisponde anche alle regole della fisica nucleare che l’idrogeno non esplode.
Secondo me invece quest’idrogeno va verso l’interno della nana bianca. Le forze mareali causate dalla vicinanza della gigante rossa sono causa di mescolamenti efficaci. Gli elettroni nella nana bianca sono “degenerati”, hanno energia molto più alte di quelle corrispondenti alle energie termiche dell’ambiente. Elettroni con energie oltre i 780 keV possono essere assorbiti dai protoni e trasformarli in neutroni. Se insieme all’elettrone viene assorbito anche un antineutrino, la soglia si abbassa. I neutroni, che non possono decadere a causa della degenerazione degli elettroni (tralascio il dettaglio che è un po’ complesso), vengono assorbiti da protoni che così diventano deuteroni.
La miscela di carbonio 12 e deuterio è esplosiva. La reazione va in “risonanza”, dato che il nucleo che nasce, l’azoto 14, ha un livello eccitato esattamente idoneo. Questo rende la reazione C12(D,gamma)N14 preferenziale rispetto alle reazioni del deuterio D(D,p)t e D(D,n)He3. Se prima dell’esplosione il deuterio era abbondante rispetta al carbonio, dall’esplosione nascono le materie prime per la nube di ammoniaca trideuterata. Questa nube però si forma solo dopo un lungo raffreddamento. Nessuno l’ha attribuita all’esplosione di una nana bianca.
Se vero che la reazione del carbonio 12 con i deuteroni è preferenziale rispetto alle reazioni del deuterio con se stesso, si può concludere che è idonea anche per i reattori di fusione.
Nel laboratorio sotto il Gran Sasso sono state sperimentate una serie di reazioni di fusione a energie basse, con l’idea di fare quello che succede nelle stelle. Ma la reazione C12(D,gamma)N14 non l’ha provata nessuno.
Questa reazione spiegherebbe anche la relativa abbondanza dell’azoto nell’universo. Dalle fusioni nelle stelle normali nascono elementi con masse atomiche che sono multipli di 4. Carbonio 12, ossigeno 16, magnesio 24… calcio 40. L’azoto 14 no.
elmar(Quote) (Reply)
Vorrei ricordarvi, che alcuni decenni fà, qualcuno ci provò ad abbassare con troppa fretta un reattore….
Mi permetto di dissentire sul fotovoltaico.
Poco costante, costoso, poco efficente, solo diurno e lobby’s made.
Molto meglio l’eolico. Costa poco e rende ottimamente.
Artek(Quote) (Reply)