11

La ricerca sugli eventi rari:- Interazioni dei neutrini da reattori (~MeV)- Interazioni delle WIMPS ( da qualche diecina di keV)- Decadimento beta doppio senza neutrini (~qualche di MeV)- Riduzione del fondo dovuto a Raggi cosmici => laboratori sotteranei Radioattivita’ ambientale => opportune schermature Il caso del Piombo Romano (Privo di 210Pb con 1/2 =20.3 anni)

Spettroscopia gamma => rivelatore al germanio Radioattivita’ => naturale e/o androgena- Rivelatori di alta sensibilita’ per rivelare contaminazioni minime

Fisica degli eventi rari e l'incidente di Fukushima

2

Bequerel, Pierre e Marie CurieScoperta della radioattivita’

3

477.6keV:7Be

661.6keV:137Cs

1460.8keV:40KRadionuclide cosmogenico

Radionuclide di origine antropica(Chernobyl)

Radionuclide fossile

Famiglia 238U

352kev

609.4keV

1120.4keV1764keV

Famiglia 232Th

911keV

583keV

238.6keV

2614keV

477.6keV:7Be

661.6keV:137Cs

1460.8keV:40KRadionuclide cosmogenico

Radionuclide di origine antropica(Chernobyl)

Radionuclide fossile

Famiglia 238U

352kev

609.4keV

1120.4keV 1764keV

Famiglia 232Th

911keV

583keV

238.6keV

3

2614keV

22111326

440

Gli spettri in natura

4

Il piombo romano

55

Energia di legame dei nuclei Eb = Wb /A => Fissione e fusione

volte

6

Con neutroni termici (~0.025 eV) o velociReazione a catena piu’ comunentermico+ 235U => X + Y + 2.47 nveloci

= > rallentati con moderatore (grafite H2O , D2O ecc.)

X e Y sono ricchi di neutroni e decadono

6

Nucleo Energia di legame

Energia di attivazione

s (barn)

232Th 4.8 6.7 < 10-6233U * 6.8 5.85 531.8235U 6.5 5.9 579238U 4.8 5.8 2.7 x 10-6239Pu 6.5 6.3 742

La fissione nucleare

* n + 232Th => 233Th -b => 233Pa-b=> 233U

77

Energia dei neutroniReazione a catena

Purtroppo prime bombe al 239Pu (Alamagordo, Nagagashi) e all’ 235U (Hiroshima)

8

89Se => 89Br => 89Kr => 89Rb => 89Sr => 50.5 giorni in 89Y90Br => 90Kr => 90Rb => 90Sr => 29.1 anni in 90Y =>2.67 g in 90Zr131 In => 131 Sn => 131 Sb => 131 Te => 131 I =>8.04 g in 131 Xe 132 In => 132 Sn => 132 Sb => 132 Te =>3.6 g In 132 =>2.28 a in 132 Xe 134 Sn => 134 Sb => 134 Te => 134 I => 134 Xe => 134 Cs => 2.06 a in 134 Ba137 Te => 137 I => 137 Xe => 137 Cs => 30.17 a in 137 Ba

8

Le scorie

99

Reattori con neutroni termici

A grafite, acqua leggera e pesanteper produzione di isotopi radioattivi,di ricerca , di analisi, di potenza

Il primo reattore (200 watt)

10

Fattore k

AL1

1 AF m

LAmxF

L A P k

11

Tipo Combustibile Moderatore Refrigerante EsempiPWR U arr o U+Pu Acqua Acqua T, Fukushima,Three mil IslBWR U o U+Pu Acqua Acqua CaorsoA gas moderato aGrafite NUGCR

U naturale Grafite CO2

PHWR U naturale D2O D2OBreeder FBR U nat e Pu no Sodio oPbVVER (PWR) U arr, 2% Grafite Acqua Trino Vercellese

1212

Il reattore LENA di Pavia

1313

1414

I reattori piu’ comuni con 235U: Caorso. Mio turbinoso passato!=>oscillazioni del neutrinoA grafite =>ChernobylAd acqua leggera => bollente (BWR) Fukushima => a pressione (PWR) Three Mile IslandAd acqua pesante (HWR)

Tre soli incidenti con un reattore di potenza

Three Mile Island) (PWR) 1979(Mancanza del quarto sistema di raffreddamento)Fusione del 60% del noccioloEmissione molto limitata di radiazione Lavoratori 30-40 mSv33 Sv x uomo su 2 milioni di abitanti Altre conseguenze

I reattori di potenza’

15

Reattori con neutroni termici:A grafite => Funziona anche con Uranio naturale => molto moderatore, Uranio metallico (alta densita’) => produzione di Plutonio => possibilile produzione di idrogeno

Ad acqua leggera Light Water Reactors (LWR) => Boiling water reactors (BWR) L’acqua sotto forma di vapore viene fatta circolare nelle turbine . Esempio Caorso.Solo barre di controllo => Pressure Water Reactors (PWR) L’acqua mantenuta in fase liquida dalla

alta atmosfera passa da un circuito primario ad uno secondario. L’acqua con Boro Che diminuisce => .Normalmente due contenitori

VVER in Russia (Chernobyl) e Trino Vercellese

Ad acqua pesante (Canada) Canadian Deuterium Uranium (HWR) => possono usare Uranio naturale L’acquapesante rallenta meglio

1616

Arricchimento Metodi: calotron,diffusione, centrifughe, ecc. Varie percentuali di 235U: Uranio naturale => 0.7%Uranio per reattori di potenza=>3-5%Piccoli reattori => ~20 %Bombe => ~90 %

Effetti della radiazioneSievert (Sv) => joule/kgxQ

Esposizione media => alcuni mSv/annoDose popolazione => < 1 mSv/anno professionisti < 20 mSvb/annoDose mortale (50% in 30 giorni) => 2.5-4.5 SvMorte addizionle per tumore => 25 Sv/milione

Dosi “spesso non considerate” Radioterapia e radiodiagnostica (1/5 , 1/3 , 1/20)210Pb e 210Po dei fumatori -> ~1/3 in piu’

17

RBMK acqua bollente inizialmente progettati per scopo militareGrafite funzionante come moderatore ( 0 12 m e h = 0 7 m)Potenza termica => 3200 Mwatt => elettrica 1000 Mwat

L’ EVENTO CHERNOBYL

18

Cosa e’ successo

18

1.00 del 25.4.1986 Si riduce la potenza per pertarla da 3200 a 700-800 Mwatt13.05 potenza a 1600 Mwatt . Si disinserisce uno dei turboalternatori14.00 Si isola il sistema di raffreddamento di emergenza violando le norme di sicurezza. Per richiesta di energia da Kiev si ritarda di 9 ore l’ esperimento23.00 si inizia la riduzione di potenza23.10 potenza previstoa per l’esperimento 700-1000 Mwatt Il reattore crolla a 30 Mwatt1.00 del 26.4.86 Si riesce a portare la potenza a soli 200 Mwatt. solo 6-8 barre 1.03 Si aggiungono due pompe alle 6 in funzione :Flusso eccessivo 1.10 Si estraggono tutte le barre di controllo1.22 ' 30 '' Il computer segnala la necessita’ di spegnere Gli operatori non obbediscono1.23 ' 04 C Si chiude la valvola di ammissione vapore-turbina per proseguire per inerzia . Il sistema di sicurezza bloccherebbe il reattore, Viene disinserito .Reattore a 200 Mwatt senza asportazione di calore Aumento di temperatura e potenza. 1.23 ' 40 '' Gli operatori a premere AZ-5 . le barre non si inseriscono 1.24 ' 00 '' La potenza diverge => due esplosioni ( vapore e idrogeno formato da acqua su zirconio). Scoperchiano il reattore , distruggono l’n edificio, proiettano, gas , polvere , grafite ecc. Grafite a 2000 gradi brucia Giorni successivi . Incendio cala con 5000 tonn di dolomite,carburo di Boro, sabbia, piombo=> aumento temperatura=> aumento emissione di radioattivita

19

Sarcofago

19

2020

21

Pomeriggio 30 aprile 1986

21

22

26.6.1986

22

23

2-3 maggio 1986

23

2424

2525

2626

27

Misura al Gran Sasso

27

2828

2929

Misure oggi

3030

A (Larix) in the Minoprio park

31

The corresponding 137Cs activity as a function of the year

Larice Minoprio

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Valore medio campione integrale di 5 anelli

Atti

vità

(Bq/

Kg)

31

32

Rozites Caperata

32

33

Perdita del 137Cs da una fonderia Spagnola 1998)

33

Starting date of measurement

m3 per hour Contamination ( Bq/m3)

15.5.98 504 ±5 30 ± 4

15.6.98 9 ±1 1.0 ± .2

4.7.98 11 ±1 1.3 ± .2

20.7.98 13 ±1.5 1.6 ± .3

3.8.98 11.4 ± 15 .6 ± .1

27.10.98 15 ± 2 .5 ± .1

34

137Cs in mushrooms 134Cs(Bq/Kg)

Cantharellus cibarius

36,6 0,08 85,59 0,08

Boletus edulis

484,22 1,19 784,36 1,09

Trichloma terreum

448,55 1,24 294,91 1,01

Rozites Caperata 13133,11 33,62 1098,78 29,69

CAMPI ONI137Cs (Bq/Kg)

40K (Bq/Kg)

TF

34

35

Misure sul vino in Francia

35

36

Activity of 137Cs in Bordeaux wine

36

37

L’ incidente spagnolo del giugno 1998

37

38

Fukushima Alle 14,46 ora locale, 6,46 ora italiana, dell’ 11 marzo 2011 Terremoto magnitudine 8.9 55 reattori => interessati 11 Fukushima reattori 1,2,3 si fermano altri 3 gia’ fermi Aumento pressione- rilascio gas radioattivo Evacuazione trenta chilometri e dose di iodio

39

15 aprile 2011

40

Marzo 15-18 Nessuna attivita’ salvo 137Cs (~0.5/m3 ) Chernobyl=> Marzo 24-28 131I, 134Cs and 137C=>Gennaio – Marzo 28 (5 filtri)

Misure a Milano-Bicocca

41

Prima misura

42

43

44

KEK,Milano,Seattle Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 131I Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2

15-16.3 32-20 x 106 24.3 3 17-18.3 3200018.3 0.5x 106 25.3 110

20.3 23x 106 26.3 150

22.3 9.6x 106 29.3 400

23.3 1.9x 106 30.3 14024-25.3 .7x 106 31.3 4

1.4 .1x 106 1.4 332.4 233.4 194.4 4

5.4 29

8.4 4

11.4 6

13.4

45

Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 134Cs Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2

15-16.3 .67 x 106 26.3 3

18.3 0.001x 106 28.3 8020.3 7.3x 106 31.3 222.3 .12x 106 1.4 12

23.3 .1x 106 2.4 111.4 .2x 106 3.4 20

. 5.4 26.4 117.4 88.4 4

5.4 29

8.4 2

10.4 1

11.4 4

46

Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte 137Cs Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2

15-16.3 .7 x 106 26.3 8

20.3 7x 106 28.3 9222.3 .1x 106 31.3 728.3 .2x 106 1.4 1330.3 .1x 106 2.4 10

3.4 38

. 6.4 117.4 1011.4 412.4 3

13.4 4

8.4 2

47

Nucleo KEK Milano-Bicocca Seatte

Data Bq/m2 Data Bq/m2 Data Bq/m2

134Cs 15-16.3 .67 x 106 26.3 3

18.3 0.001x 106 28.3 8020.3 7.3x 106 31.3 222.3 .12x 106 1.4 12

23.3 .1x 106 2.4 111.4 .2x 106 3.4 20

. 5.4 26.4 117.4 88.4 4

5.4 29

8.4 2

10.4 1

11.4 4

12.4 1

Stato attuale

→ Summary of Reactor Status: Unit 1, 11 May 2011→ Summary of Reactor Status: Unit 2, 11 May 2011 → Summary of Reactor Status: Unit 3, 11 May 2011

Overall, the situation at the Fukushima Daiichi nuclear power plant remains very serious.

Emergency at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant

=>Reduce radiation levels in the reactor building by installing a filtered air circulation system (completed), remove rubble, decontaminate and install shielding; =>Recalibrate existing reactor pressure vessel water level and pressure instruments and install additional reactor pressure vessel water level gauges to improve monitoring of conditions inside the reactor pressure vessel; =>Install primary and secondary closed-loop cooling systems; Flood the containment to provide a water supply for the primary system. Fresh water is being injected as necessary into the spent fuel pools of Units 1 - 4.

49

Cosa fare?

50

Europa149 reattori => 134 TW => 30% potenza elettrica26 entro 200 km dai confini

Parlarne di meno => saperne di piu’

51

I reattori di potenza oggi

La potenza elettronucleare installata prima di Chernobyl (1986) => 249.001 MweIl 08.02.2008 => 370.120 Mwe ( 48.6% di aumento!)

52

Un reattore tipico

53

nvel+ 238U => 239U + =>239U- =>239Np=>239Np –=>239 Pu =>fissile =750 b 23.47m 2.355d 24000a

Producono nuovi materiali fissili durante il funzionamentoNiente moderatore Reattivita’ iniziale Con una miscela di 235U arricchito e 338U Fluidi termovettori con scarsa moderazione (Sodio, piombo fuso, piombo-bismuto,gas)=> In caso di sodio liquido circuito primario e secondario gas : elio, CO2

Nocciolo parte interna fissile PuO2 e fertile UO2 esterna fertile UO2

Reattori con neutroni veloci

54

Advanced Cardu Reactor (ACR)

Evoluzione dei reattori

Advanced Candu Reactor (ACR)

55

Reattori di terza generazioneProtezione e sicurezza ad alta passivita’Contenitore esterno in grado di sopportare un aereo, terremoto ecc.Alta vita tecnologica (60 anni)Minore probabilita’ di fusione del noccioloImpianto ambientale minimo-Minore zona di evacuazione)Gia approvati ed ordinabiliCinque esemplari : Advanced Boiling Water Reactor (Giappone,Corea)Generazione III+ ordinabili < 2015

56

Reattori di quarta generazione

57

58

IRIS con partecipazione italianaPWRIntegratopotenza 335 Mwatt

5959

A vita media breve

Prodotti di fissione nel combustibile esaurito a bassa vita media 131I , 140Ba nei primi mesi, 141Ce,96Zr,96Nb e 89Sr nei primi anni, poi 144Ce, 144Pr, 106Ru, 106Rh e 147Pm. , 141Ce poi 137Cs, e 89Sr . La diffusione e’ diversa. 134Cs da attivazione neutronica del 133Cs (100% a.i.)

A vita media intermedia

Attinidi (Z 89-103) 239Pu, 240Pu, 241Am, 243Am, 245Cm, 246Cm => fissionabili

A vita media lunga

Pool and dry waste

Estrazione chimica separata di Plutonio ed Uranio

Scorie

6060

Prodotti di fissione a vita media breve

Prop:Unit:

½ a Yield % Q *KeV Decad.

155Eu 4.76 .0803 252 βγ85Kr 10.76 .2180 687 βγ

113mCd 14.1 .0008 316 β90Sr 28.9 4.505 2826 β

137Cs 30.23 6.337 1176 βγ121mSn 43.9 .00005 390 βγ151Sm 90 .5314 77 β

6161

Actinides Half-life Fission products

244Cm 241Pu f 250Cf 243Cmf 10–30 y 137Cs 90Sr 85Kr

232U  f 238Pu

f is forfissile

69–90 y 151Sm nc➔

4n

249Cf  f 242Amf 141–351

No fission producthas half-life 102

to 2×105 years

241Am 251Cf  f 431–898

240Pu 229Th 246Cm 243Am 5–7 ky

4n

245Cmf 250Cm 239Pu f 8–24 ky

233U    f 230Th 231Pa 32–160

4n+1

234U

4n+3

211–290 99Tc 126Sn 79Se

248Cm 242Pu 340–373 Long-lived fission products

237Np

4n+2

1–2 my 93Zr 135Cs nc➔

236U4n+1

247Cmf 6–23 my 107Pd 129I

244Pu 80 my >7% >5% >1

6262

Prodotti di fissione a vita lunga

Prop:Unit:

t½

MaYield

%Q *KeV

βγ*

99Tc 0.211 6.1385 294 β

126Sn 0.230 0.1084 4050 βγ

79Se 0.327 0.0447 151 β

93Zr 1.53 5.4575 91 βγ

135Cs 2.3  6.9110 269 β

107Pd 6.5  1.2499 33 β

129I 15.7  0.8410 194 βγ

6363

A basso livelloMateriale per maneggiare le parti fortemente radiattive del reattore (ad es. I liquidi di raffreddamento => contaminazioni e vite mede limitate => immagazzinare per diecine di anni in piscine o contenitori di cemento Ad alto livello Attinidi (in particolare Plutonio) prodotti durante la fissione => immazzinamento assicurato per tempi geologici e/o ritrattamento

Molto velenoso. Si accumula nel midolloAllotropi (e.g. carbone e grafite)Nel 1963 “limited test ban treaty”, ma proseguito in Cina e Francia 239Pu e’ fissile 240Pu => elevata fissione spontanea con molti neutroni . => predetonazioneScorie => 239Pu , 239Pu , 239Pu ed altri transuraniciMOX (Mixed OXide)Accumulo => 20 tonnelate per anno dai reattoriImmagazzinato da 500 a 1000 tonnelate

Eliminazione o riduzione delle scorie

. Plutonio

Sette isotopi da 200 000 a 16 Milioni di anni

64

Isotopi del Plutonio

Isotopo Decadimento (a) Isotopo finale238Pu autofissione 87.7 234U+nuclidi

239Pu 24100 235U

240Pu autofissione 8560 236U + nuclidi

241Pu 14.4 241Am. 237U

242Pu autofissione 357000 238U+ nuclidi

244Pu autofissione 8 x 10 7 238U + SFSF