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Impianti nucleari di potenza [1]

Introduzione

Salve a Tutti! Allora, come si evince dal titolo, si parlerà dei tanto discussi Impianti Nucleari usati per la produzione di Energia Elettrica. Sarà un percorso a più articoli e vedremo inanzi tutto gli aspetti generali della Fisica Nucleare e poi la componentistica e tipologie di Reattori presenti negli Impianti Nucleari di Potenza, meglio conosciuti anche come Impianti Elettronucleari. Non si può prescindere dalla storia e dalle "Rivoluzioni" che, ahimè, gli ERRORI UMANI (E SOLO QUELLI!!!), hanno apportato agli impianti ed alla Fisica delle Reazioni Nucleari. L'indice è il seguente:

  • Fisica delle Reazioni Nucleari (solo un accenno)
  • Tipologie di Reattori Nucleari (seguendone l'evoluzione)
  • Impianti Nucleari
  • Il contesto energetico
  • Conclusioni (con dati e meno politica)
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Fisica delle Reazioni Nucleari

Il nucleo e’ costituito da nucleoni, protoni di carica positiva e neutroni neutri. La massa dei nucleoni e’ approssimativamente la stessa: Mp = 1.67239 x 10-24[g], Mn = 1.67470 x 10-24[g]. Nuclei aventi lo stesso numero di protoni Z sono chiamati isotopi, mentre quelli con lo stesso numero di massa sono detti isobari. La massa in fisica nucleare e’ misurata, analogamente a quella atomica, in unita’ di massa atomica [amu], definita come 1/12 della massa del C12, uno degli isotopi del Carbonio, che equivale a 1.6582x10-24[g] o 931.44 [MeV].
Mass defect
La differenza di massa ΔM tra la massa del nucleo in amu, ed il suo numero di massa A e’ chiamata mass defect del nucleo:
Atomic Mass Unit = 1/16 massa del O16 cioè la sedicesima parte della massa di Ossigeno 16.
1amu = 1,66 *10-24[g] :

  • Mn = 1,00897 [amu]
  • Mp = 1,00758 [amu]
  • Me = 0,000549 [amu]

 \Delta M =  \sum_1^z a M_p + \sum_1^a (a-z) M_n - M_{z,a}

  • Mz,a = massa del nucleo in esame
  • Mp = massa del protone
  • Mn = massa del neutrone
  • z = numero atomico
  • a = numero di massa

Ebbene sì, il nucleo formato da n "palline", pesa MENO della somma delle palline singole! Bisognerebbe inoltrarci nella Fisica "Pesante".. ma, agli Ingegneri, o gli "Energetici" come me, bando alle ciance, qui c'è ENERGIA!. Dov'è finita la massa??? scomparsa?? Impossibile. Forse nascosta.. mah.. La risposta è , si è trasformata; e in che cosa? Ce lo dice Einstein:

E = Mc2

Il difetto di massa, è l'ammontare energetico RILASCIATO dai nucleoni (neutroni e protoni) per stare attaccati!
In sostanza: se voi avete i nucleoni sparsi a distanza e volete riattaccarli formando un nucleo, questi vi rilasciano energia, mentre se li dividete dovete fornire energia. Ci sarebbero molti e molti dettagli e precisioni da fare, ma il campo Fisico delle reazioni e un campo pieno di insidie e specialistico. Quando condussi gli studi universitari sugli impianti nucleari, essendo ad Ingegneria si ometteva spesso e allo studio, e all'esame, la parte di Fisica, se non per quanto riguarda la base di come capire da dove viene questa energia. L'importante, a mio avviso, è sapere che per formarsi il nucleo rilascia di energia, per separare i nucleoni l'uno dall'altro occorre fornire energia. L’energia di legame (BE) di un nucleo rappresenta il lavoro richiesto per separare il nucleo nei suoi nucleoni costituenti, oppure come l’energia rilasciata durante la formazione del nucleo dai suoi costituenti.
Ma il livello di Binding Energy, non è uguale per tutti gli atomi della tavola periodica, ma ha un andamento a massimo come illustrato in figura; in realtà è meglio diagrammare, non tanto la Binding Energy, ma la Binding Energy specifica, ossia per nucleone

nucl_prep_eng.gif

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ATTENZIONE: il quantitativo di BE (Binding Energy) nell'Uranio, è decisamente superiore a quella del Ferro; semplicemente perchè l'Uranio ha più nucleoni; ma la BE per nucleone è minore. Ossia, quando si è formato il nucleo di Ferro, esso ci ha rilasciato un quantitativo di Energia minore di quello che ci ha lasciato il nucleo di Uranio, ma rispetto al numero di nucleoni cui esso è composto, di più, rispetto all'Uranio. La BE/nucleon (Binding Energy per nucleon), è maggior nel Ferro che nell'Uranio (in quest'ultimo la BE/nucleon è talmente bassa che qualche nucleone tende a scappare... questo è alla base del fenomeno delle emissioni di radiazioni). Quindi se io divido il nucleo di Uranio a formare altri due nuclei più piccoli a più alta BE/n, allora, visto che il numero di particelle, protoni e neutroni, rimane costante(!!), i due frammenti rilasceranno Energia. Vediamo un esempio:

92U235+0n142Mo95+57La139+20n1+7 -1β0

Che presenta una variazione di massa tra prodotti e reagenti di:(m92U235 = massa dell'Uranio 235.. e così via)

Δm =m92U235+m0n1-m42Mo95-m57 La139-2m0n1 =0,22283 [amu] = 0,3699*10-24[g]


Rappresenta "graficamente" una delle miliardi di possibili reazioni di fissione dove si producono CASUALMETE Lantanido (La) e Molibdeno (Mo)

fissione1.gif

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che origina una energia pari a: Δm*c²= 207,45 [MeV] che diventa 191[MeV] eseguendone la media tra le tipologie di reazione che avvengono e tenendo conto dell’energia che hanno ineutroni prodotti.
La tecnologia prevede il bombardamento di un nucleo con un neutrone di una certa energia sufficiente ad ottenere la formazione di due prodotti di fissione energeticamente stabili e in piú dei neutroni aggiuntivi addetti alle successive fissioni. Il comportamento dei nuclei del fascio neutronico è molto entropico e casuale, e possono essere:

  • assorbiti dai nuclei;
  • rimbalzati dai nuclei;
  • fissare i nuclei;

Tutte queste possibilità hanno una loro probabilità di avverarsi, a seconda della composizione chimica del combustibile nel suo lento esaurimento, essendo composto sempre piú di atomi non fissibili. Gli atomi a nucleo fissibile sono essenzialmente tre:

  • 92U235
  • 92U233
  • 94Pu239 ;

gli ultimi due non esistono in natura ma sono presenti nei reattori nucleari secondo le reazioni di formazione:

  • Uranio 233: 90Th232+0n190Th23390Th23391Pa233+-1β0(T=23.5 minuti spontanea) → 92U233+-1β0(T=27.4 giornispontanea)
  • Plutonio 239: 92U238+0n192U23993Np239+-1β0(T=2.35 minuti spontanea)93Np23994Pu239+-1β0(T=2.3 giorni spontanea)


Burn-Up I: è la media Energia liberata da una fissione nucleare

1 grammo di U235 contiene Navogadro/235 nuclei; se tutti venissero fissionati, si otterrebbe un’energia specifica di :

191⋅N/235 [MeV/grammo U-235] = I = 0.9 [MWd/grammo U-235] pari a I=900.000 [MWd/ton U-235]

  • 1[MeV]= Mega elettronVolt, unità di misura dell'ENERGIA: 1 eV = 0.160217653 [aJ]
  • 1[MWd]( MegaWattDay) = 24000[KWh] x 860 = 2*10⁷ [Kcal] = 2 [toe]


Siccome lavoriamo con Uranio o naturale o arricchito(enriched), otteniamo:

  • uranio naturale (0.7% di fissile) I = 900000⋅0.7/100 = 6300 [MWd/ton]
  • uranio arricchito (3% di fissile) I = 900000⋅3/100 = 27000 [MWd/ton]


. I = 27000 [MWd/tenrich] = 54000 [toe/tenrich] = 10000 [toe/ton_nat]
. tonenrich = 5,4 tonnat (per produrre una tonnellata di Uranio al 3% servono 5,4 di naturale)

Quello che salta all'occhio è il quantitativo di ENERGIA presente in una tonnellata di Uranio enriched: 648.000.000 [kWh/ton];

l'Energia prodotta d 648.000.000 x 10 = 6 miliardi e mezzo di pannelli FV da 100 [W] picco, funzionanti per 1 h alla potenza costante di 0,1[kW] ciascuno

  • per 10 perchè ipotizzo pannelli da 100 [Wpicco] comuni
  • 648.000.000 = 27.000 [MWd/tenrich] * 24000[KWh]

Non tutte le reazioni sono come quella illustrata, ho voluto mettere la classica dei libri di testo.
L'andamento % dei prodotti è in questa foto seguente, dove, un'ulteriore discriminante è l'energia del neutrone che "bombarda".

fissionyield.gif

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Questa è una delle ROGNE peggiori nella costruzione di un reattore. BISOGNA FRENARE I NEUTRONI FINO AL LIVELLO CONSONO A FISSARE UN ALTRO NUCLEO. Questo è un punto importantissimo! e lo vedremo nel prossimo articolo. Vi elenco solo le tipologie di Reattori che metterò nei prossimi articoli:

  • Magnox
  • AGR (Advanced Gas Reactor)
  • HTGR (High Temperature Gas Reactor)
  • BWR (Boiling Water Reactor)
  • PWR (Pressurized Water Reactor)
  • Candu (Canadian Deuterium Reactor)
  • RBMK (Chernobyl)
  • AP1000
  • FBR (Fast Breeder Reactor)
  • Il "nostro" EPR
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Commenti e note

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di ,

Direi che è indispensabile se vuoi scrivere documenti tipograficamente corretti oltre che validi esteticamente

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di ,

grazie 1000!! ... giuro che imparerò il LaTex!!! :)

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di ,

perché in LaTeX il delta si deve scrivere con \Delta. Ora si vede (e non si usa l'asterisco per la moltiplicazione, che ho tolto)- Per i pedici si deve scrivere in questo modo M_p,M_n, M_{z,a}

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di ,

.. adesso si vede.. :)

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di ,

..comunque nella prima formula non si vede il delta di deltaM.. non so perchè: stavo calcolando il difetto di massa,quindi una variazione finita di massa.

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di ,

Salve Giovanni96. Io ho ipotizzato che ciascun pannello funzionasse alla potenza media, e supponiamo costante almeno per un'ora, di 100 W. Se non sbaglio, i moduli vengono fatti così dal costruttore e la potenza di picco è un dato fisso per tipo di pannello; è la stessa cosa delle automobili. Poi semplicemente ho eseguito una divisione calcolando quanti pannelli siano necessari per produrre l'energia di una tonnellata di U235 arricchito al 3% (questo forse l'avevo omesso). il 10/12 % (ed io sapevo anche 17% per i monocristallini!) riguarda la Conversione FotoVoltaica in se come fenomeno naturale.

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di ,

complimenti per l'articolo. Vorrei ricordarle che ad oggi l'efficenza dei pannelli commerciali è di circa il 10-12%.DI conseguenza la potenza media del pannello è ben superiore ai 100Wp .Per il suo calcolo che dato ha usato?

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