Un’occhiata dentro ai reattori

I reattori nucleari hanno una struttura complessa, al centro della quale è presente il nocciolo, dove avvengono le reazioni di fissione a catena. Tutto questo avviene all’interno del contenitore dove risiede il reattore, dietro una struttura in calcestruzzo, che funge da ulteriore schermo per le radiazioni. L’energia termica prodotta viene trasferita all’esterno e convertita, con meccanismi di efficienza più elevata possibile, in elettricità.

Si tratta di un sistema tecnologicamente molto complesso.

Ma come facciamo a dare un’occhiata al suo interno?

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Non è così semplice, soprattutto nelle situazioni in cui l’attività del reattore è interrotta o la struttura non permette un controllo rapido delle sue funzionalità.

Un metodo per effettuare una scansione della struttura interna di oggetti con dimensioni e densità elevate ha avuto origine negli anni ’50, con applicazioni in particolare in ambito vulcanologico ed archeologico.

ImageFig. 1: Nel caso in cui non sia possibile l’accesso all’interno della struttura della quale si vuole effettuare la misura, sono necessari dei meccanismi che permettono la ricostruzione di quanto scansionato mediante l’analisi di dati acquisiti all’esterno. In figura la planimetria dei dispositivi per il rilevamento dei muoni e dell’edificio del reattore di Tokai (Giappone), secondo lo schema dell’esperimento condotto dal gruppo di lavoro inter-universitario della High Energy Accelerator Research Organization, sotto la direzione di Atsuto Suzuki.

Questa tecnica prende il nome di muon scattering radiography (tomografia muonica) ed è stata negli ultimi anni ulteriormente sviluppata in numerosi centri di ricerca, tra cui il Los Alamos National Laboratory (LANL), che l’ha impiegata per l’analisi di oggetti all’interno di grossi contenitori. Il principio di questa tecnica è molto semplice ed è attualmente utilizzato in svariati settori e con diverse tipologie di materiali.

La tecnica di imaging con muoni è basata sull’impiego di muoni di origine cosmica, i quali avendo una massa a riposo circa 200 volte superiore a quella degli elettroni (105.6 MeV/c2), subiscono un’ accelerazione meno intensa al passaggio attraverso campi elettromagnetici generati dagli atomi di cui la materia è composta. Ciò si riflette in una capacità di penetrazione nei materiali molto maggiore.

La scansione viene effettuata utilizzando due rivelatori di muoni, posti alle due estremità della regione da analizzare. Le particelle, attraversando i materiali all’interno della zona sotto scansione, subiscono delle deviazioni nella loro traiettoria, con una dipendenza dalla tipologia di materiale attraversato.

ImageFig. 2: Schema di funzionamento per radiografie a diffusione di muoni. La traiettoria del muone di origine cosmica, in viola, viene misurata del sensore all’ingresso (upper detector) e all’uscita (lower detector). Come viene rappresentato dall’immagine, la traiettoria dei muoni subisce una deviazione dipendente dal materiale che la genera.

Nello specifico, la tomografia a muoni si basa sullo studio dello scattering (diffusione) multiplo, in cui la distribuzione angolare delle particelle è data dalla risultante della sequenza delle singole deviazioni cui le particelle sono soggette nell’attraversamento della materia. La qualità di questa tecnica aumenta con il crescere dello spessore dell’oggetto analizzato, in quanto, con un maggior numero di interazioni, la dispersione angolare può essere modellizzata come una distribuzione gaussiana. Le variabili che entrano in gioco sono gli angoli di traiettoria dei raggi incidenti e dei raggi uscenti, che a loro volta dipendono da lunghezza e dal peso atomico del materiale attraversato. Misurando, quindi, i raggi entranti ed uscenti, è possibile ricostruire la struttura interna dell’oggetto analizzato.

Questa tecnica tomografica può risultare particolarmente efficace nel caso si renda necessaria l’analisi di un reattore nucleare che ha subito dei danni interni che non possono essere visionati tramite un accesso fisico, come nel caso del reattore 4 della centrale di Fukushima. Si otterrebbe in tal modo una misura della situazione interna del reattore, rilevando eventuali fusioni e relative fuoriuscite di portata elevata, facilitando e soprattutto velocizzando le procedure di rimozione dei detriti.

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Fig. 3: Il possibile risultato di una tomografia muonica. Le linee nere mostrano la struttura circostante la zona dove si trova il materiale con maggiore peso atomico/molecolare, in verde-azzurro, come Uranio o Plutonio.

Ciò che complica nella pratica l’applicazione della tomografia muonica allo studio dell’incidente nella centrale di Fukushima è dovuto ad una ancora non consolidata esperienza dell’impiego di questa tecnologia in questo specifico ambito applicativo [1].

Alcuni test preliminari sono stati effettuati proprio nei laboratori del LANL e successivamente nel reattore nucleare attivo presso l’università del Nuovo Messico. Ulteriori studi sono stati quindi condotti presso i laboratori della Toshiba, finalizzati alla realizzazione di un tomografo a muoni di larga portata, applicabile alla centrale di Fukushima.

Le difficoltà ancora da risolvere sono solo di livello pratico, legate alle macchine da utilizzare per le scansioni (in particolare: risoluzione delle immagini prodotte ed algoritmi necessari per la sua ricostruzione), al loro utilizzo in zone ad alta esposizione per gli utenti, al controllo delle emissioni in prossimità del reattore. I vantaggi sono la capacità dei raggi cosmici di penetrare significativi strati di copertura e l’assenza di ogni dose aggiuntiva erogata in fase di raccolta dati oltre al flusso naturale dei raggi cosmici.

Note:

[1] La tecnica di tomografia muonica è stata incentivata nell’ultimo decennio dall’Unione Europea con il progetto Mu-Steel, basato su un metodo testato precedentemente dall’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN):

Link all’articolo – Nuclear Instruments and Methods in Physics Research – Inglese

Link alla presentazione – IPRD Siena

Un progetto attivo dell’Università del Studi di Padova e della locale sezione dell’INFN si chiama CMT(p) – Cosmic Muon Tomography (project) / (progetto su) Tomografia a Muoni Cosmici.

Dal sito http://mutomweb.pd.infn.it:5210/?page_id=258:

The most immediate application is to assess or exclude the presence of high density objects. This could allow the detection of hidden, shielded radioactive sources inside scrap metal headed to a melting facility.

(L’applicazione più rapida [della tomografia a muoni cosmici] è il rilievo della presenza/assenza di oggetti di alta densità [atomica]. Questo permette la rivelazione di sorgenti radioattive nascoste e protette all’interno di rottami di metallo diretti ad un impianto di fusione.)

Ecco un esempio attuale di utilizzo a livello industriale:

http://www.mermecgroup.com/news-e-events/press-releases/482/1/muon-tomography-to-improve-safety-in-steel-plants.php

http://crete13.org/presentations/8-2_Bonomi%20muSteel.pdf

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8 pensieri su “Un’occhiata dentro ai reattori

  1. L’altro giorno stavo oziando su hiroshimasyndrome.com ed ho scoperto che la DSIC (Decision Sciences International Corporation) di Middleburg, Virginia, si è aggiudicata il contratto per la fornitura di un primo rivelatore di traccia alla Toshiba. Servirà nel piano di risanamento che stanno impostando a 1F e che chiamano Fukushima Complex Project. Qui di seguito maggiori dettagli: http://www.prnewswire.com/news-releases/decision-sciences-awarded-toshiba-contract-for-fukushima-daiichi-nuclear-complex-project-270462461.html

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