fisica spicciola...molto spicciola!

[ziomauri]

Ehi, Gian....saresti curioso anche di qualche chiacchera sul progetto ITER? Sarebbe il progetto, in corso, sulle centrali nucleari a fusione....la fusione è cosa ben diversa dalla fissione nucleare attualmente in uso.
Però la domanda è: interesserà a qualcuno?

Mauro .... a me interessa capire se la fusione sarà veramente il futuro per produrre l'energia elettrica di cui abbiamo sempre piu' bisogno ...

[vecchione]

Ciao zio...facciamo così, adesso mi organizzo, cerco qualche pubblicazione in merito, poi spiegherò in breve la differenza tra centrali a fissione e centrali a fusione, poi dirò qualcosa sullo stato attuale delle cose e anche qualcosa sui problemi relativi al funzionamento, poi parlerò del DEMO, il progetto successivo all' ITER ...poi si può discutere tra questo sistema e le energie rinnovabili....ed infine valuterete quante possibilità avremo di vederlo in servizio...
Acci ! Io so già che non ne avrò nessuna!

[ziomauri]

Benissimo Mauro ... Grazie !!!

[vecchione]

Bene, ecco alcune note sulle centrali nucleari; saranno 10 post...buona lettura .
1)
............................ Fissione nucleare e Fusione nucleare, differenze...............................

Centrali nucleari a fissione.

Il termine fissione deriva da latino fissionis, derivato da findere, “fendere”.
Mi pare utile illustrare brevemente da cosa si origina l’energia nella fissione, ma per fare questo bisogna parlare dell’atomo, in cui protoni e neutroni costituiscono il nucleo, che è circondato dagli elettroni. La massa totale dell’atomo è determinata dal numero dei protoni e dei neutroni che in genere sono in numero uguale a quello dei protoni; quando invece il numero dei neutroni è diverso da quello dei protoni, abbiamo lo stesso elemento ma in forma di isotopo. Comunque è la variazione numerica del numero dei protoni che identifica i vari elementi .
(La tavola di Mendeleev elenca i dati relativi a tutti gli elementi noti.)
L’energia liberata nelle fissione nucleare discende dal fatto che negli elementi fissili o fissionabili il loro nucleo, quando colpito da neutroni (lenti nel primo caso e veloci nel secondo), si disintegra (fissiona) formando come minimo 2 nuclei più leggeri e un flusso di particelle energetiche. Poiché la somma delle masse dei 2 nuclei originati nella frantumazione è inferiore alla massa del nucleo iniziale, significa che la frantumazione genera una differenza di massa, “scaricata” all’esterno dal flusso delle particelle.
L’ energia contenuta in quel flusso di particelle è calcolabile con la famosa formula di Einstein: E=mc2 , dove E = energia, m = differenza di massa e c = la velocità della luce
(300.000 Km al secondo circa, ma nella formula è da elevare al quadrato) e poichè i due nuclei originati nella prima disintegrazione vanno a colpire altri 2 nuclei che a loro volta spezzandosi ne originano 4, la cui successiva frantumazione ne produce 8 etc. etc, si ottiene una “reazione a catena” con processo esponenziale: 2, 4, 8, 16, 32, 64 etc. e poiché in ogni singola frantumazione si libera la relativa differenza di massa, ..che poi sarebbe l’energia resa disponibile dalla reazione nucleare, è facile comprendere l’enorme quantità di energia finale.
Si calcola che la fissione di un grammo di uranio (pensate però a quanti atomi ci sono in un grammo di materiale) equivalga all’energia generata dalla combustione di 2.800 kg di carbone, mentre in Kw la fissione sempre di un grammo di uranio sembra pari a 25 milioni di Kw/ora.

[vecchione]

2)
Perchè tutto funzioni bisogna partire dalla cosiddetta “massa critica”, ovvero una quantità di materiale, in kg, in cui le emissioni di neutroni possano innescare una reazione nucleare in grado di auto-sostenersi; il problema è che tale reazione deve essere poi frenata e controllata con opportuni sistemi, per impedire che proceda indiscriminatamente generando calore sino alla fusione/esplosione del reattore. La reazione viene tenuta sotto controllo con l’inserimento, tra il materiale combustibile, di apposite barre (o altri sistemi) di materiali che assorbono i neutroni e quindi possono limitarne il flusso ed anche azzerarlo (come nel caso di spegnimento dell’impianto per fine vita o manutenzione o imprevisti). Semplificando molto, Il concetto operativo di una centrale è il seguente: la reazione nucleare innescata nel nocciolo genera energia, ovvero calore che surriscalda un apposito liquido (acqua, acqua pesante, acqua pressurizzata, sodio liquido etc.) che scorre in un circuito chiuso, in genere chiamato primario e posto intorno al nocciolo. Tale liquido mediante opportuni scambiatori cede il calore all’acqua contenuta in un secondo circuito, dove si trasforma in vapore, utilizzato poi per fare girare le turbine collegate ai generatori elettrici. Questo avviene nell’edificio della centrale elettrica, in genere separato da quello del reattore; (ci sono però centrali nucleari dove il circuito primario alimenta direttamente le turbine). Tutti gli impianti ed i materiali soggetti alle alte temperature, come il contenitore del nocciolo, i circuiti e tutto quanto si può surriscaldare viene raffreddato in modo da avere una temperatura sopportabile; da questo le classiche “torri di raffreddamento”, con relativo vapore che esce dalla sommità, come pure la circolazione delle acque prelevate da laghi, mare, fiumi.

[vecchione]

3)
I vari tipi di centrali sono classificate con apposite sigle, a seconda del tipo di combustibile, le modalità di raffreddamento ed il tipo di frantumazione, a neutroni lenti o veloci (il che dipende dal tipo di combustibile atomico usato),
Nell’esercizio normale, i problemi delle centrali nucleari a fissione sono essenzialmente:
- il reperimento del materiale fissile o fissionabile(*), ovvero il combustibile;
- la produzione/smaltimento delle acque di raffreddamento, che possono condizionare e danneggiare, causa la temperatura ancora abbastanza elevata, l’ambiente ove vengono scaricate (se possibile le centrali sorgono in vicinanza di mari, laghi o fiumi)
-la produzione - smaltimento delle scorie radioattive
-La bonifica delle strutture divenute radioattive al momento della messa fuori servizio delle centrali; in quelle più moderne la vita stimata è mediamente 60 anni.
Nel caso di disservizi, questi possono essere più o meno gravi e vanno da irradiazioni nei liquidi dei circuiti, irradiazioni dirette di particelle radioattive nell’atmosfera, inquinamento sempre radioattivo delle acque di raffreddamento, sino ad arrivare ai casi più gravi dove si può avere la fusione del nocciolo per eccessiva temperatura e quindi l’esplosione del contenitore e anche dell’edificio che lo contiene, con emissione nell’atmosfera di sostanze e polveri radioattive, con raggio di azione continentale determinato dalle correnti atmosferiche (vedi l’esplosione dei reattori di Cernobyl).
(*) i materiali usati come combustibile sono quelli fissili o fissionabili: tutti sono elementi pesanti, ovvero con moltissimi protoni (l’unico elemento che non può essere usato è l’idrogeno, semplicemente perché ha nel nucleo un solo protone); ordinariamente si dice che i primi sono gli elementi che possono essere frantumati da neutroni lenti ed i secondi quelli frantumabili con neutroni veloci (questi materiali sono teoricamente tutti quelli con massa al di sopra del nikel) , ma in effetti il vero confine tra i due combustibili è determinato dalla differenza matematica tra l’energia del legame del neutrone e la cosiddetta barriera di fissione; se nel combustibile in esame il risultato della differenza è maggiore o uguale a zero il materiale è fissile, se inferiore a zero è fissionabile, anche se in questi casi pochi elementi vanno bene, poiché scendendo di numero atomico la cosiddetta “barriera neutronica” rende impossibile e/o troppo costoso utilizzarli.

[vecchione]

4)
Bisogna fare però un discorso un poco più ampio per comprendere il costo generale che dobbiamo pagare per l’energia nucleare di fissione, pur avendo questa una resa elevatissima, perché la filiera contempla il reperimento del combustibile, ovvero trovare i giacimenti, scavare milioni di tonnellate di minerale contenenti tracce di materiale fissile o fissionabile, trasportarlo, magari arricchirlo, poi miscelarlo con altro materiale sino a formare i lingotti o le barre da inserire nel nocciolo; poi ci vuole il reperimento e la produzione del materiale per il contenimento della reazione e infine lo smaltimento dei residui della combustione, che sono radioattivi e lo resteranno per secoli, come lo sono i residui della demolizione delle centrali a fine vita.
Lo smaltimento delle scorie radioattive è un problema non da poco; si possono creare depositi apparentemente sicuri e super blindati...salvo l’imprevisto di un terremoto o di una guerra; in Germania hanno utilizzato delle profonde caverne naturali, che però ora sembra si stiano riempiendo di acqua, per infiltrazioni dalle falde circostanti; in ogni caso è sempre un accumulo di sostanze molto pericolose e del resto gettarle in mare, per quanto in contenitori super sicuri è impossibile… che ne sarà di questi contenitori tra cento, duecento anni o più?
Mandarle nello spazio forse sarebbe possibile, ma a quale costo e con quale rischio, nel caso ci fosse un problema col lanciatore?

[vecchione]

5)
Negli ultimi 74 anni (ovvero dalle prime centrali), alcuni incidenti si sono originati nelle centrali, altri sono avvenuti nei depositi, altri ancora in fabbriche di combustibile, oltre a incidenti minori dovuti ad errori umani nei trasporti, lavorazioni e servizi, il tutto però a fronte delle 437 centrali operative nel mondo.
Nelle centrali gli incidenti sono stati causati sia da errori umani che da imprevisti, ma in
tutti i casi si è arrivati alla fin fine ad un insufficiente raffreddamento del reattore, anche per cause naturali straordinarie; vedi nel 2011 il caso di Fukushima, una centrale costruita sulla costa dove un terremoto ha interrotto la fornitura elettrica all’impianto, con arresto delle pompe di raffreddamento ma con regolare entrata in servizio dei generatori ausiliari, purtroppo spenti poco dopo dal successivo maremoto, dove onde di 13 metri hanno superato il muraglione perimetrale dell’impianto (alto meno di 8 metri) ed allagato i locali ove si trovavano i generatori, causandone l’arresto.)
Non ci sono statistiche da cui risulti che il totale incidenti avvenuti nella storia del nucleare abbia determinato un numero di danni alle persone inferiore o superiore al totale avvenuto nello stesso periodo nelle attività industriali e civili ordinarie; è certo però che a fronte di tutti i camionisti, gli operai, i minatori, i civili deceduti per cause dirette o indirette delle lavorazioni industriali, sempre nel numero di anni suddetto, mai hanno originato un movimento mirato alla chiusura delle fabbriche, delle miniere o degli autotrasporti; tutt’al più si è cercato di limitare gli incidenti, perché la nostra società non può rinunciare ad un certo tipo di attività.
Conclusione:
Forse e tutto sommato le centrali nucleari a fissione, se realizzate con sistemi ed impianti di sicurezza avanzati, non sono quelle bestie nere come molti pensano; se il muraglione della diga di Fukushima fosse stato fatto, cautelativamente, 5 metri più alto, nulla sarebbe successo e del resto per realizzare l’impianto, svariati ettari diterreno sono stati sbancati, portandoli a pochi metri s.l.m dai circa 10-15 metri s.l.m originari; forse se avessero “riempito” anziché scavato., l’impianto sarebbe stato automaticamente in sicurezza.
......Segue

[vecchione]

6)
.......................................... Centrali nucleari a fusione...........................................

La fusione nucleare è già attiva negli ordigni bellici termonucleari, noti come bombe H (all’idrogeno), ma si tratta di una fusione istantanea ed incontrollata dei nuclei, innescata grazie alla pressione ed alla temperatura generata dall’esplosione della bomba atomica usata come spoletta e situata nell’ordigno contenente idrogeno, proprio come fa una capsula di percussione che accende la polvere da sparo contenuta nel bossolo delle ordinarie cartucce.
Gli ordigni termonucleari (H) generano potenze spaventose, a fronte della irrisoria massa di idrogeno usata: una di queste, fatta esplodere dalla Russia molti anni addietro valeva 3125 volte la bomba atomica di Hiroshima.
In pratica la fusione nucleare è esattamente l’opposto delle fissione nucleare: invece di disintegrare un nucleo, si tratta di unirlo ad un altro, ovvero fonderli insieme e tale trasformazione genera un avanzo di energia, ovvero calore da cui si ottiene vapore per fare girare le turbine ed i generatori collegati.
Il procedimento è noto da parecchi anni, diciamo pure da decenni ed il primo tentativo è stato fatto nel lontano 1960, con un macchinario chiamato stellator, che voleva significare “il sole sulla terra” ed era un impianto toroidale, a differenza del prototipo costruito dal fisico Spitzer nel 1951 e che era invece cilindrico; un conto però è ottenere per qualche millisecondo una reazione di fusione, magari con resa negativa (si consuma più energia di quella che si ottiene), un conto è un impianto costantemente operativo con un fattore di resa (indicato con la lettera Q) economicamente interessante .
Il problema fondamentale è che alla fusione tra nuclei si oppone fortemente il fatto che i protoni di entrambi sono di segno positivo e quindi si respingono fortemente.

[vecchione]

7)
Il processo suddetto avviene ordinariamente nel sole (ed in tutte le stelle), dove si ha la fusione di quattro nuclei di Idrogeno (quattro protoni) con trasformazione in un nucleo di Elio, con questa progressione :
a)- due protoni si uniscono per formarne uno di Deuterio.
b)- il nucleo di Deuterio ed un protone si uniscono, mediante due reazioni sequenziali, per formare due nuclei di Elio (come isotopi 3).
c)- i due isotopi 3 si uniscono per formare un nucleo di Elio (come isotopo 4) più due protoni,
d) i due protoni servono per reiniziare il ciclo dal punto a) e stabilire così una reazione autosostenuta.
Il suddetto ciclo produce una reazione esotermica, che noi avvertiamo come luce, calore
e altre particelle energetiche, il tutto espulso nello spazio, ma qui la fusione è resa possibile dalla compressione gravitazionale presente nel cuore del sole, circa 300.000 volte maggiore di quella della terra, unita ad una temperatura di qualche milione di gradi, in modo che nel nucleo della stella la reazione si innesca in modo automatico.