Riassunto Applicazioni dell'energia nucleare

Elementi di Fisica Nucleare

Atomi formati da: - Protoni (particelle positive) - Neutroni (particelle neutre) - Elettroni (particelle negative)

In un atomo, il numero di protoni è uguale al numero di elettroni appartenenti allo stesso elemento.

Elemento Chimico formato da: Atomi

Isotopi sono atomi con lo stesso numero di protoni, ma diverso numero di neutroni.

Il nucleo di un atomo è composto da protoni e neutroni.

In Fisica nucleare un elemento viene rappresentato nel seguente modo: _Z^AN

N = generico nucleo atomico (numero di massa di un elemento) Z = Numero Atomico A = Numero di Massa

Uma - unità di massa atomica

1 uma = ¹/₁₂ della massa dell’isotopo 12 del carbonio (¹²C)

1 uma = massa di un atomo di ¹²C/₁₂

Massa Protone m_p = 1,672623 × 10^-27 kg ≈ 1,007276 uma

Massa Neutrone m_n = 1,674999 × 10^-27 kg ≈ 1,008665 uma

Massa Elettrone m_e = Massa del Protone/1830

Equazione di Einstein → E = mc² con c = 299,792,458 m/s (velocità della luce)

E. Energia di un Protone

1eV = 1,602 × 10^-19 J

E(1 uma) = 931,494102 MeV

Forze che Agiscono a Livello Nucleare

• Forza di Gravità
• Forza Nucleare Debole
• Forza Elettromagnetica
• Forza Nucleare Forte

DIAGRAMMA DI STABILITÀ (DI SEGRE')

ROSSO: elementi STABILIBLU: elementi INSTABILI, RADIOATTIVOBIANCO: ai valores in naturaFINO A Z=23: ho elementi STABILIPER 23>Z>82: elementi INSTABILIPER Z>92: elementi ARTIFICIALI

Viaccia la tutt' gli isotopi per quell'elemento e dunque ha elementi diversi, un terzo numero di neutroni.

Mon mano che Z cresce, il rapporto N/Z aumenta: lungo la curva aumenta in modo crescente il numero di neutroni.

Per Z>82: nuclei più pesantiA sinistra N/Z=1 e maggiore quindi stabiliA destra N/Z=(meno) e minore quindi meno stabiliSi potrebbe notare che per Z>82 un nucleo per essere più stabile deve avere un numero maggiore di neutroni.

CURVA DI STABILITÀ(in rosso)A destra degli elementi: decadimento nucleare

• GLI ELEMENTI INSTABILI (in blu) SONO DESTINATI A SUBIRE DELLE REAZIONI, DETTE DI DECADIMENTO. TALI DA RICONDURLI VERSO UN ISOTOPI STABILE DELLO STESSO ELEMENTO O DI UN ALTRO CON DIVERSO NUMERO ATOMICO.

REAZIONE NUCLEARE: A+B⇾C (ΔE)

Es. una reazione non è spontanea

Errori di difetto ponderato:

Es. di difetto:2.014 uma + 2.014 uma=Validazione Uma + mass changes Massimo Uma = 4.028 Una (%)

La differenza è quasi sempre trascurabile (–Δ):2Η=2,014 uma+2Η=4,0293 uma

ΔE=0,03036 uma - 931,1MeV=2,29MeV

A sinistra:energie nucleotidi termica

ANDAMENTO ENERGIA DI LEGAME MEDIA PER NUCLEONE IN FUNZIONE DEL NUMERO DI MASSA

– DIFFETTO DI MASSA: nelle reazioni ponderate la massa del prodotto finale è sempre inferiore a quella dei componenti.

• se massa non è fornita viene sottratta
• – ΔE: (mass. verifica in spontanea)1Η=4,0289 MaΗ₂⁴=4

ENERGIA MEDIA DI LEGAME PER NUCLEONE:

I tempi sono distribuiti in maniere inversamente proporzionale al tempo.

binding energy BE:ra-${Descrizione}$ tra il difetto di (inserisci accordo percentuale tale che: 28,29 MeV (4,74 MeV.result.medi.elevata)

Λ tempo di legame ➔↑ Stabilità del nucleo (indica la cella percent.*log)

ENERGIA DI LEGAME MASSIMANucle Big Decadeno ➔ Massimo

Λ Nuclee pesanti▸ decadenze inverso chiamato mediante B nucleoni senza incentivo

Verso Nuclee:– carbo refusionando

• – λ elementi B CREATO DA moduli设想

INTERAZIONI DEI NEUTRONI CON LA MATERIA

∑ — SEZIONE D'URTO MACROSCOPICA

σ — SEZIONE D'URTO MICROSCOPICA

Quando un neutrone interagisce con la materia, può dar luogo a una serie di reazioni nucleari che, oltre a dipendere dalla sua energia, dipendono dalle caratteristiche del nucleo bersaglio.

TIPOLOGIE DI INTERAZIONI DEI NEUTRONI CON LA MATERIA

• URTO CON SCATTERING
• CATTURA
• CATTURA CON FISSIONE INDOTTA

URTO CON SCATTERING

• URTO ANELASTICO
• URTO ELASTICO

CATTURA

Nel caso di cattura, il neutrone è catturato dal nucleo bersaglio, ma a differenza dell'urto anelastico, in questo caso il neutrone rimane definitivamente nel nucleo dando luogo ad un isótopo del nucleo iniziale.

• Esempio di cattura: B¹⁰ + n → B¹¹
• Esempio di cattura: U²³⁸ + n → N²³⁹

FISSIONE INDOTTA

La fissione indotta può avvenire solo su NUCLEI PESANTI.

Neutroni prodotti in media da una fissione = 2,43

Energia rilasciata in conseguenza di una fissione = 200 MeV

PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA DA FONTE NUCLEARE

Una centrale nucleare è una centrale elettrica che, attraverso l'uso di uno o più reattori nucleari a fissione, trasforma l'energia prodotta da una reazione di fissione nucleare a catena auto-alimentata e controllata in generatore vapori a temperatura e pressione alte, e mediante un sistema di turbine a vapore accoppiate ad alternatori, produce ex. alla fine energia elettrica.

Anche una centrale nucleare è praticamente una centrale termoelettrica, con la sola differenza che, invece della "caldaia", è presente l'isola nucleare (ovvero l'impianto nucleare)

SCHEMA DI UNA CENTRALE NUCLEARE

In questo schema semplificato sono riportati gli elementi principali. Nei pressurizzatori è necessario per eliminare il tant. nella isola nucleare

• SEPARATORE DI CONDENSA
• TV_HP
• DEGASATORE serve per purificare l'acqua
• CD
• POMPA DI ESTRAZIONE
• P.A. POMPA DI ALIMENTO
• S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, S₆, S₇

CLASSIFICAZIONE DEI REATTORI NUCLEARI

• TIPO DI SPETTRO NEUTRONICO:
  • reattori termici
  • reattori veloci
• STRUTTURA DEL NOCCIOLO
  • reattori eterogenei
  • reattori omogenei (il combustibile e il moderatore sono miscelati)

VESSEL

Il vessel è un recipiente a pressione...

SCHEMA VESSEL PWR

SEZIONE (vessel visto dall'alto)

BARREL

Il recipiente racchiude nel vessel...

schermo termico (≃ 26 cm)

NOCCIOLO

Il nocciolo è cilindrico...

Q = ELEMENTO DI COMBUSTIBILE

• P = ELEMENTI DI BARRE DI CONTROLLO
• PELLETS
• ..un elemento di combustibile e ... una maggiore probabilità ...

REGOLAZIONE POTENZA PWR

PRESSURIZZATORE

P = valvola (VS)

V = valvola (VcV)

L = Pomac (Pv)

REGOLAZIONE CIRCUITO SECONDARIO

1. SE LA RETE RICHIEDE PIÙ POTENZA → APRO ULTERIORMENTE ...
2. SE LA RETE RICHIEDE MENO POTENZA → CHIUDO PARZIALMENTE ...

FAST BREEDER REACTORS

FBR

Gli FBR, ovvero i reattori nucleari a neutroni veloci, o semplicemente reattori veloci, sono una categoria di reattori nucleari nei quali la reazione nucleare di fissione è innescata da neutroni veloci.

NELLA FILIERA VELOCE

NON ESISTE IL MODERATORE

POICHÉ NON SI VOGLIONO RALLENTARE I NEUTRONI

FATTORE DI CONVERSIONE

n_c ≥ 1,4

NEUTRONI VELOC

σ_1 = 0,09

σ_cattura = 400

σ_fissione = 580

σ_emissione = 680

NEUTRONI TERMICI (0,025eV)

σ_1 = 580

POTENZA TERMICA

P = N_f * 200MeV * σ_f * X

SCHEMA D'IMPIANTO

(reattore veloce refrigerato a sodio Na)

LA TANCA è grezza in modo permanente e si allontana di più da una dependencia di 500°C

2 TANCHE UNA DENTRO L'ALTRA

NOCCIOLI

NUCLEOLO

BLANKET ASSIALE SUPERIORE ED INFERIORE

SEZIONE

BLANKET

(MANTELLO)

SEED

Elemento centrale (vedi laterale a destra)

U²³³ e/o materiale simile

IL MANTELLO UTILIZZA NEUTRONI IN FUGA DA SEED PER CONVERTIRE FERTILE IN FISSILE

FBR = REATTORE AUTOFERTILIZZANTE COSTITUITO DA ZONA CENTRALE (SEED), COSTITUITA DA MATERIALE FISSILE ARRICCHITO AL 20-40%

circondato dal mantello o blanket, cioè la zona fertile