L’aperitivo nucleare di Settembre? È a tema #StandUpForNuclear ! Con gli organizzatori locali parleremo di cosa ci spinge a scendere in piazza a manifestare, quali sono i pro e i contro dell’energia nucleare ma anche tutti gli altri usi della radioattività e delle tecnologie nucleari! Per maggiori informazioni sull’evento del 27 settembre, ricordiamo che è online la pagina dedicata.
Le “Regole” dell’aperitivo sono sempre le stesse:
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Ripubblichiamo due articoli dedicati ai recenti sviluppi nei progetti di ricerca per la realizzazione di una nuova generazione di reattori nucleari da fissione. Gli articoli originali sono disponibili qui e qui.
Terrapower ci riprova: progetto NATRIUM
Terrapower, l’azienda creata da Bill Gates con lo scopo di fornire soluzioni avanzate al problema del riscaldamento globale, ha appena rivelato un nuovo progetto basato sul nucleare. Secondo quanto descritto sul sito e dai principali media USA (ad esempio Reuterse NYT), la compagnia, in team con GE-Hitachi, vuole proporre un SMR che, dalle info rilasciate, sembrerebbe basato sulla tecnologia del PRISM di General Electric. Quindi un reattore veloce raffreddato a sodio liquido (da cui il nome NATRIUM), scalata ad una potenza di 345 MWe. PRISM è un reattore di 4° generazione, dotato di sicurezza intrinseca, alimentato da combustibile metallico invece che ossido, come nei convenzionali reattori PWR/BWR. E’ quindi capace di riciclare combustibile usato e funzionare da “burner” per ridurre la quantità di “rifiuti” della filiera. La particolarità del progetto sarebbe nell’accoppiata con un sistema di storage termico a sali fusi. Questo lo renderebbe particolarmente interessante in un ecosistema nel quale sia presente una quota elevata di fonti intermittenti. I nostri lettori ricorderanno che questa caratteristica è ad esempio presente anche nel progetto MOLTEX. Seguiremo questo progetto e vi terremo informati degli sviluppi, sperando abbia maggior fortuna dello sfortunato TWR.
NuScale al traguardo della certificazione del design, ma la strada è ancora in salita
NuScale Power è la prima azienda, e per ora l’unica, ad ottenere da parte della Nuclear Regulatory Commission (NRC) statunitense lacertificazione del proprio design di Small Modular Reactor. Tale certificazione, ottenuta al termine di un esame di tutte le specifiche di sicurezza del concetto di reattore proposto, ha durata di 15 anni (rinnovabile) e sostanzialmente apre le porte alla commercializzazione dei reattori modulari NuScale.
Il parere positivo ottenuto dall’Advisory Committee on Reactor Safeguards (ACRS) non è tuttavia senza ombre. In particolare è stato rilevato un possibile difetto nell’impianto di raffreddamento del nocciolo, nel quale acqua addizionata di boro circola più volte attraverso cicli di evaporazione e condensazione. Tuttavia, la fase di evaporazione priverebbe l’acqua del boro, riducendone la capacità di assorbire neutroni, dunque di interrompere la reazione a catena.
NuScale avrebbe già risolto questo potenziale problema, malgrado ciò l’ACRS ha chiesto un’ulteriore valutazione di questo meccanismo di sicurezza e del rischio connesso all’immissione accidentale nel circuito di acqua priva o povera di boro, richiesta fatta propria dalla NRC.
Tali approfondimenti saranno dunque oggetto d’esame al momento della richiesta di licenza operativa per uno o più reattori NuScale.
L’importante traguardo della certificazione del design è ulteriormente offuscato dai tentennamenti del primo cliente annunciato di NuScale, la Utah Associated Municipal Power System (UAMPS): l’utility elettrica ha infatti in progetto la realizzazione di una centrale NuScale da 12 moduli di potenza complessiva pari a 720 MW la cui costruzione dovrebbe cominciare nel 2023, per essere operativa nel 2026. Tuttavia, citando l’aumento dei costi attesi e l’intervenuta contrarietà al progetto di alcune municipalità che aderiscono all’utility, UAMPS avrebbe espresso a NuScale l’intenzione di rimandare il progetto di 3 anni.
La posizione più cauta di UAMPS potrebbe essere dovuta anche ad una campagna stampafortemente ostativa al progetto, montata da alcuni media locali anche ad opera di organizzazioni ambientaliste, come The Union of Concerned Scientists e Uranium Watch, da sempre su posizioni critiche o del tutto contrarie al nucleare.
Gli sforzi di NuScale per far percepire i reattori modulari intrinsecamente sicuri, tanto da postulare la riduzione quasi a zero dell’attuale area di emergenza (di 32 km di diametro) prevista per la loro installazione, non sembrano per ora aver fatto presa, almeno nel pubblico.
Secondo i detrattori, il design che ha ottenuto la certificazione prevede moduli di potenza pari a 50 MW ciascuno, mentre la centrale dello Utah vedrebbe moduli di 60 MW di potenza, che dunque richiederebbero una nuova valutazione. Dal canto suo NuScale replica che l’aumento di potenza del 20% ricade negli ampi margini di sicurezza del design e non ha implicazioni di sicurezza rilevanti. Inoltre la licenza dello specifico impianto avverrebbe in seguito ad un altro esame approfondito da parte della NRC, come da prassi.
Sul fronte dei costi, a chi obietta che il progetto sia troppo costoso per una utility privata, UAMPS risponde che i costi previsti sono pari a 55 $ al MWh, competitivi quindi con altre fonti di produzione elettrica, quali il gas naturale e le rinnovabili.
Come abbiamo già avuto modo di sottolineare in un precedente articolo sui reattori modulari, molta della fortuna di questi progetti dipenderà però non soltanto dalla loro capacità di mantenere le promesse, ma anche dall’apertura mentale degli organismi regolatori e dalla loro capacità di evolvere al pari della tecnologia e, per quanto riguarda la riduzione dei tempi e dei costi di costruzione, dalla capacità di armonizzare a livello internazionale i requisiti normativi.
Rendering di un modulo di potenza NuScale (foto NuScale via World Nuclear News)
Una missione spaziale è un viaggio unico nel suo genere, che per sua natura deve essere programmato nei minimi dettagli. Sonde inviate per indagare pianeti e corpi celesti lontani, satelliti che orbitano attorno alla terra per raccogliere dati, o navicelle che prevedono la presenza di un equipaggio per condurre ricerche e sperimentazioni: in ognuno di questi casi è necessario che ogni strumento scientifico funzioni correttamente…e che disponga di sufficiente energia elettrica per farlo!
Quando il Sole non basta.
Per alimentare gli strumenti e gli apparati di bordo in uso durante una missione spaziale, tipicamente si utilizzano grandi pannelli fotovoltaici, che convertono l’energia proveniente dai raggi solari in energia elettrica. In aggiunta a questi, sono sempre presenti dei sistemi di accumulo dell’energia prodotta, come ad esempio delle batterie, che alimentano la navicella quando i pannelli fotovoltaici non sono direttamente esposti ai raggi solari. Sappiamo tutti, però, che le batterie hanno un’autonomia limitata nel tempo e che prima o poi si scaricano: a chi di noi non è mai capitato che la batteria del cellulare o dell’auto si scaricasse nei momenti meno opportuni? Supponiamo quindi che la nostra sonda si trovi in una posizione per cui i raggi solari che vi incidono sono troppo deboli. In questo caso entreranno in gioco le batterie, che erogheranno energia elettrica finché anche loro non saranno più utilizzabili. A questo punto, la domanda sorge spontanea: gli scienziati hanno pensato ad un piano C? Naturalmente! La navicella può essere dotata di una massa variabile, a seconda degli utilizzi, di elementi radioattivi. La peculiarità di un elemento radioattivo è che incorre in un processo di decadimento che, tra i suoi effetti, ha anche quello di produrre calore. Questo è l’aspetto sul quale ci concentriamo: il calore prodotto dal decadimento può essere convertito in elettricità. L’indiscutibile vantaggio di questa tecnica è che produce energia continuativamente nel tempo, perché gli elementi radioattivi scelti per questa applicazione hanno una emivita molto lunga e si “consumano” molto lentamente. Questo significa che possono funzionare per tantissimi anni (più di una vita umana!) senza bisogno di alcun intervento di sostituzione o manutenzione, indipendentemente dalla presenza o assenza dell’esposizione ai raggi solari. Si capisce quindi perché l’implementazione di questi elementi radioattivi sia di fondamentale importanza: in questo modo si ha sempre a disposizione dell’energia durante una missione, anche quando i raggi solari sono schermati e le batterie scariche. Se poi immaginiamo che la sonda sia stata lanciata nello spazio per esplorare corpi celesti lontani, troppo distanti dal Sole, allora questa soluzione diventa automaticamente il piano A.
Figura 1. I grandi pannelli fotovoltaici della Stazione Spaziale Internazionale. [NASA]
Dai decadimenti radioattivi all’elettricità
Sulla base di questo principio, sono stati realizzati diversi sistemi adatti all’utilizzo nello spazio. Tra questi, i più utilizzati sono senza dubbio i generatori termoelettrici a radioisotopi. Non lasciamoci intimorire dal nome complicato: il funzionamento è esattamente quello descritto precedentemente. Si tratta di dispositivi che contengono una massa di elementi radioattivi a vita lunga; il calore prodotto dal loro decadimento radioattivo viene continuativamente convertito in elettricità. Normalmente sono utilizzati a questo fine il Plutonio 238, l’Americio 241 e, in misura minore, il Polonio 210. Questi generatori sono stati ampiamente utilizzati durante le missioni spaziali. Per riportare solo un esempio, sono stati utilizzati 33 kg di ossido di Plutonio 238 per alimentare la sondadella missione spaziale Cassini-Huygens, una missione frutto della collaborazione tra NASA, ESA ed ASI e avente come oggetto lo studio di Saturno e del suo satellite Titano. I risultati scientifici raccolti durante questa missione stanno permettendo di approfondire la conoscenza della composizione e della struttura del sistema planetario di uno dei più complessi pianeti gassosi.
Figura 2 (Sinistra). Orbiter Cassini presso Saturno [NASA] Figura 3 (Destra). Sonda Huygens atterrata su Titano [NASA]
Riscaldamento nucleare
Una seconda classe di dispositivi è rappresentata dalle unità di riscaldamento a radioisotopi. Questi strumenti funzionano come quelli precedenti, l’unica differenza è che il calore prodotto dal decadimento non è convertito in elettricità bensì utilizzato direttamente. Più precisamente, il calore prodotto viene impiegato per tenere caldi gli strumenti scientifici, così da garantirne il corretto funzionamento. Anche di questo aspetto abbiamo sicuramente fatto esperienza: in inverno, quando fa particolarmente freddo, la batteria del cellulare ha vita molto breve e tende a scaricarsi rapidamente. Per mantenere gli strumenti utilizzati nello spazio alla loro temperatura operativa ideale possono essere sufficienti alcuni grammi di isotopo radioattivo, tipicamente quelli visti precedentemente. Per riportare un esempio di questa applicazione possiamo tornare indietro alla storica missione lunare Apollo 11 che portò l’uomo sulla Luna per la prima volta: il sismometro, posizionato sul Mare della Tranquillità per misurare eventi sismici lunari, era provvisto di alcuni grammi di Plutonio 238. Le unità di riscaldamento a radioisotopi hanno trovato applicazione specialmente sulla Luna, per via della sua fredda e lunga notte, della durata di due settimane.
Figura 4. Buzz Aldrin trasporta due componenti importanti per l’acquisizione di alcuni dati lunari: il Passive Seismic Experiments Package (sismometro) a sinistra, e il Laser Ranging Retro-Reflector a destra. [NASA]
Centrali nucleari volanti.
Gli elementi radioattivi non sono gli unici strumenti di natura nucleare che si utilizzano per queste applicazioni. L’ultima categoria di dispositivi è rappresentata da veri e propri reattori nucleari, di dimensioni molto più compatte rispetto a quelli presenti sulla Terra. Il principio fisico che ne governa il funzionamento, tuttavia, è analogo: i reattori nucleari sono in grado di fornire elettricità convertendo il calore prodotto dalle reazioni di fissione dell’uranio. Rispetto al caso precedente, quindi, il calore è prodotto da reazioni nucleari sull’uranio anziché dal processo di decadimento. I piccoli reattori nucleari per la produzione di elettricità a bordo sono in grado di fornirne molta di più dei generatori a radioisotopi citati precedentemente e sono quindi pensati per scopi più ambiziosi. In questo senso, la NASA sta portando avanti un progetto di ricerca molto importante che mira alla realizzazione di Kilopower, un reattore nucleare piccolo e leggero, che dovrebbe contenere circa 44 kg di Uranio 235 e che sarebbe in grado di fornire continuativamente fino a 10 kW di potenza elettrica. Per avere un’idea, il reattore sarebbe in grado di alimentare diverse abitazioni medie per almeno 10 anni! Kilopower avrà il principale obiettivo di alimentare missioni di lunga durata con equipaggio sulla Luna, su Marte e verso altre destinazioni. L’utilizzo di 4 Kilopower potrebbe garantire la fornitura di potenza per alimentare un avamposto umano sulla Luna o su Marte.
La ricerca e lo sviluppo di soluzioni sempre più innovative fanno sì che il fondamentale contributo della fonte nucleare all’ambito spaziale sia senza dubbio destinato ad evolversi e a crescere. Nel frattempo, iniziamo a sognare una vacanza su Marte!
Figura 5. Prototipo del reattore Kilopower, sviluppato presso il Glenn Research Centre della NASA. Il reattore è costituito da un nocciolo che ospita l’uranio in basso, dai condotti per il trasferimento del calore al centro e infine dai motori Stirling in alto. [NASA]
Figura 6. Immagine futurista del network di reattori Kilopower che garantirebbero l’alimentazione di una postazione su Marte. [NASA]
La produzione di energia da fissione nucleare in Italia è sempre stata proibita? No! Abbiamo costruito ed operato centrali e la Nazione era pronta ad un grande balzo in avanti. Poi è arrivato il grande stop dal referendum post Černobyl.
Ricostruiremo insieme una panoramica della storia del nucleare in Italia fino ai due referendum, per poi ripartire dalla situazione del presente e del futuro delle centrali, cioè il decommissioning e lo stoccaggio dei rifiuti radioattivi, provenienti non solo dalle centrali in smantellamento.
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Dal momento in cui l’uomo ha compreso che nel nucleo atomico è contenuta una grande quantità di energia e che questa energia può essere recuperata e utilizzata, tante applicazioni sono state pensate e realizzate.
L’idea di sfruttare questa nuova fonte energetica per scopi propulsivi attirò da subito l’attenzione delle superpotenze, degli Stati Uniti in particolare, che misero in atto importanti piani di ricerca e sviluppo per dare vita a questa sconosciuta tipologia di tecnologie. Con questo spirito nel 1955 iniziò le prove in mare il Nautilus, capostipite di quella che senza dubbio è stata la più felice applicazione dei reattori propulsivi: la filiera dei sottomarini.
L’adattamento alle esigenze dell’aerospazio fu invece più complicato ed è bene, prima di addentrarci in questo mondo, fare un’importante premessa: nessun razzo nucleare termico costruito dall’uomo ha mai volato. Non che questo tolga dignità alle altre applicazioni che l’energia nucleare ha avuto nel settore spaziale: i generatori termoelettrici a radioisotopi hanno fornito energia elettrica a numerose missioni, a partire dalle missioni Apollo che hanno portato l’uomo sulla Luna. Quello di cui vogliamo parlare però è qualcosa di diverso, ovvero l’utilizzo di un piccolo reattore nucleare a fissione per riscaldare un fluido da espandere poi in un ugello ed espulso per fornire una spinta. Il principio è lo stesso di qualunque tipo di razzo (tecnicamente, endoreattore) che solitamente sfrutta una reazione chimica per produrre energia termica.
Schema di funzionamento del motore nucleare
In questo schema è rappresentato un reattore nucleare adattato per il volo. In questo caso il fluido propulsivo è idrogeno che riceve energia direttamente dal reattore fungendo anche da refrigerante. È bene osservare che molti dispositivi non erano ancora tecnologicamente maturi a sufficienza quando, negli anni ’60, cominciarono i test su questi tipi di reattore. Per esempio, non erano disponibili turbopompe adeguate alle portate di idrogeno necessarie ad evitare la fusione del nocciolo.
Per capire l’interesse suscitato dall’alternativa nucleare basta considerare la cosiddetta velocità efficace di uscita, parametro che rappresenta la spinta per unità di portata di propellente. I più performanti endoreattori chimici a propellenti liquidi criogenici raggiungono velocità efficaci di 4500 m/s, mentre quella di un razzo nucleare è stimabile come almeno il doppio. D’altra parte, oltre alle varie problematiche tecniche, spedire oggetti nello spazio ha un costo, e questo costo lo si calcola in termini di peso. Dopo la Seconda guerra mondiale un reattore completo era così pesante che si dubitava di poter raggiungere un rapporto spinta/peso 1/1. Oggi si è arrivati ad ipotizzare rapporti di 7/1, ben lontani comunque dal 70/1 raggiungibile con un reattore chimico.
Nonostante questo, la costruzione di un razzo nucleare non è rimasta soltanto una fantasiosa idea come forse può apparire, al contrario: un motore nucleare è stato realizzato e preso in considerazione come stadio per il Saturn, il razzo che ha portato l’uomo sulla luna.
Il Progetto Rover
Gli Stati Uniti d’America lanciarono nel 1955 un programma per sviluppare un endoreattore nucleare termico sotto il nome di progetto ROVER affidandone la gestione alla Atomic Energy Commission (AEC) presso i laboratori di ricerca di Los Alamos (LASL). Quando nel 1958 venne fondata la NASA tutta la parte spaziale del progetto venne affidata a quest’ultima. Fu un problema manageriale non da poco la collaborazione di due grandi agenzie governative, a causa dell’impossibilità tecnica di separare lo sviluppo del reattore, affidato all’AEC, da quello del razzo vero e proprio, di cui si sarebbe dovuta occupare la NASA. Inizialmente si pensò di utilizzare questi endoreattori per la costruzione di missili intercontinentali, ma presto venne presa in considerazione la possibilità di sfruttarli come secondo stadio di una missione lunare e per un’eventuale missione su Marte.
Il president John F. Kennedy in visita alla Nuclear Rocket Development Station
Nevada, 12 agosto 1962.
Per avere un’idea del clima che si respirava attorno al mondo nucleare, si leggano le parole di Kennedy al Congresso americano nel maggio del ‘61:
“I therefore ask the Congress, above and beyond the increases I have earlier requested for space activities, to provide the funds which are needed to meet the following national goals: First, I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the Earth… Secondly, …accelerate development of the Rover nuclear rocket. This gives promise of someday providing a means for even more exciting and ambitious exploration of space, perhaps beyond the Moon, perhaps to the very end of the solar system itself. Third, … accelerating the use of space satellites for world-wide communications. “
Dei tre obiettivi, il primo e il terzo sono stati raggiunti con un impatto all’epoca inimmaginabile sulla vita di ognuno, mentre il secondo resta ancora da perseguire.
Il progetto si esplicitò in quattro segmenti principali: KIWI, NERVA, PHOEBUS e RIFT.
Il progetto KIWI fu un programma di ricerca in cui vennero sviluppati reattori non volanti (kiwi è il nome di una specie di uccello che non vola) al fine di sperimentare reattori alimentati ad idrogeno. Il KIWI A1 è stato il primo ad essere acceso nel luglio del 1959 e consisteva in una pila di piastre di ossido di uranio nella quale veniva fatto passare l’idrogeno. Il sistema era in grado di generare 70 MW di potenza. Dimostrata la fattibilità dell’idea, si lavorò sulla composizione del combustibile. I reattori della serie KIWI B erano alimentati da piccole sfere di biossido di uranio in una matrice di boro-grafite nella forma ormai riconoscibile di una barra di combustibile nella quale erano praticati dei fori per il passaggio dell’idrogeno.
A sinistra: KIWI-A in transito prima di essere testato Los Alamos, giugno 1960.
“A test device for our own education in order to get us the first information on an integral system which has some of the characteristics which we are looking for in actual propulsion engines. The relationship between this and a flyable device is pretty tenuous.” -Dr. Raemer E. Schreiber, responsabile del programma ROVER.
Da queste parole emerge tutta la difficoltà dell’impresa: costruire qualcosa di tecnologicamente avanzato e completamente nuovo. Nonostante gli enormi progressi fatti in meno di quindici anni non si riuscirà mai a coprire la distanza tra il reattore sperimentale e il mezzo volante.
A destra: Esplosione di un motore KIWI Nuclear Rocket Development Station in Jackass Flats, Nevada, gennaio 1965.
Tra i vari test effettuati un motore KIWI venne fatto esplodere dagli scienziati attraverso un improvviso aumento di potenza. L’esperimento dimostrò che un eventuale caduta da grandi altezze non avrebbe comportato rilascio di materiale fissile.
Il sottoprogramma PHOEBUS, al quale il LASL lavorò nel periodo 1965-1968 portò alla produzione di reattori molto più grandi migliorati soprattutto dal punto di vista dei materiali grazie alla cooperazione con il centro di ricerche dell’Argonne National Laboratory, che portò ad un più efficiente utilizzo della grafite e all’introduzione del rivestimento delle barre. Tre reattori videro la luce dei test, l’ultimo dei quali generò una spinta di 890000 N e una potenza di 4200 MW, per una durata di 12 minuti.
Il progetto NERVA iniziò nel 1961 con l’obiettivo dichiarato di costruire un reattore nucleare implementabile su un veicolo volante (NERVA è l’acronimo di Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications) in grado di produrre una spinta di 890000 – 1112500 N, obiettivo che nel 1968 venne ridimensionato per esigenze di budget. Sfruttando l’esperienza acquisita con i reattori KIWI, negli anni compresi tra il 1964 e il 1968 numerosi test vennero condotti risolvendo diverse problematiche e dimostrando la completa fattibilità del veicolo nucleare. Purtroppo però era troppo tardi. Nel frattempo il mondo era cambiato e con esso gli interessi del governo americano che, impegnato nella guerra in Vietnam, cancellò nei primi anni ‘70 molti programmi della NASA, progetto NERVA compreso.
Foto del razzo NERVA
L’ultimo segmento del programma, denominato RIFT (Reactor In-Flight Test), prevedeva la costruzione di un veicolo sul quale alloggiare il motore NERVA. Nel 1961 alla NASA, che era la sola responsabile di questo progetto, erano in molti a pensare che il vettore Saturn in grado di portare l’uomo sulla luna dovesse prevedere uno stadio nucleare. In particolare si pensò di sostituire lo stadio S-IVB proprio con il RIFT, quando il motore NERVA fosse stato giudicato pronto per il volo. Venne pertanto affidata alla Lockheed la costruzione di uno stadio di 10.06 m di diametro, pesante 19958 kg e in grado di trasportarne altri 70762. Questo progetto tuttavia non vide mai la luce del sole: già nel 1963 venne rinviato a causa di due incidenti di espulsione del combustibile durante le prove del KIWI B4A e KIWI B1B, per poi venir cancellato definitivamente.
Cronologia dei test effettuati nell’ambito del programma ROVER
Il progetto ROVER non fu l’unica strada intrapresa. Gli Stati Uniti lavorarono parallelamente ad altri progetti, alcuni dei quali videro la luce mentre altri non trovarono le condizioni adatte per arrivare ai banchi di prova.
Tra questi vanno ricordati il progetto Orione, precedente al Rover, nel quale voleva essere implementata la propulsione nucleare a impulso (il razzo doveva essere spinto da vere e proprie piccole bombe atomiche espulse nel vuoto – il progetto venne abbandonato proprio per motivi di natura etica); il progetto Dedalo, che sfruttando la fusione nucleare potrebbe raggiungere un decimo della velocità della luce; il Progetto Longshot; VISTA; Medusa; Mag Orion e Mini Mag Orion. Con questi ultimi siamo arrivati ai primi anni duemila ed è evidente che ancora oggi l’idea che il nucleare possa portare l’uomo in giro nello spazio resta attuale.
NERVA non ha mai volato. Dagli anni ’60 ad oggi molta strada è stata fatta ed impensabili avanzamenti tecnologici hanno rivoluzionato il mondo e ampliato considerevolmente le possibilità di esplorazione spaziale. Il nucleare come fonte di energia propulsiva era una strada praticabile già all’epoca del progetto Rover e a maggior ragione è praticabile oggi. Una strada praticabile, sì, ma impervia. Il ridotto retroterra tecnologico rende spesso sconveniente anche solo pensare a un programma che porti al lancio di un reattore, considerando i costi esorbitanti dell’industria spaziale. Nonostante questo i benefici che se ne trarrebbero potrebbero essere, a detta di molti, ancora più grandi. I limiti intrinseci dei reattori chimici rendono alquanto difficile sperare che un giorno l’uomo possa esplorare il sistema solare senza un netto passo in avanti nel sistema propulsivo e l’idea di veicoli pluristadio in grado di sfruttare la più sicura energia chimica in atmosfera e quella nucleare nel vuoto dello spazio potrebbe avvicinare considerevolmente mete ora lontane.
La realtà però è diversa e sembra che, almeno per adesso, questa idea debba restare con i piedi per terra. Come il kiwi, l’uccello incapace di volare.
Fonti e approfondimenti
Per le generalità sul funzionamento degli endoreattori e delle applicazioni nucleari, si rimanda a
Quando sentiamo parlare di reattori nucleari, è probabile che la prima cosa a venirci in mente siano le centrali nucleari, impianti che utilizzano l’energia nucleare per produrre elettricità. In realtà esiste un’altra tipologia di reattori nucleari, i cosiddetti reattori di ricerca: nel mondo ne sono operativi 220 e la loro funzione principale non è produrre energia bensì generare neutroni. Queste particelle prive di carica di cui poco si sente parlare sono utilissime, e fanno sì che i reattori di ricerca trovino applicazione in numerosi campi, nella vita di tutti i giorni e proprio sotto ai nostri occhi! Percorreremo insieme i principali utilizzi dei reattori di ricerca, dalla medicina nucleare all’elettronica dei semiconduttori, dallo studio della struttura microscopica dei campioni ai test sui materiali per i reattori di nuova generazione.
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Un reattore nucleare può esplodere come una bomba? La risposta è ovvia per chi la sa, ma se nessuno te la spiega c’è il rischio di cadere vittima di luoghi comuni e associazioni mentali spericolate, cosa che in questo caso è fin troppo facile: centrale nucleare e arma nucleare hanno entrambe la parola “nucleare” nel nome, e in assenza di conoscenze specifiche le parole contano.
Un esempio? A fine febbraio la CNN rese noto un sondaggio [1] in cui il 38% dei bevitori di birra intervistati dichiarava che per nessuna ragione avrebbe comprato birra “Corona” a causa dell’epidemia in corso di Coronavirus (che ancora negli USA doveva iniziare a mietere vittime).
Nel caso di bombe e centrali nucleari il collegamento è meno fantasioso, ma le centrali non sono bombe: entrambe usano Uranio, ma l’Uranio non è tutto uguale.
L’Uranio si trova in natura, nel suolo, nelle rocce, nel cibo, nell’acqua, e quindi anche nel nostro corpo. Una persona in media ingerisce 2 microgrammi di Uranio tutti i giorni [2].
L’Uranio naturale è al 99.28% Uranio 238, per lo 0.71% Uranio 235 e il pochissimo che resta è Uranio 234. L’Uranio 238 è fissionabile: se bombardato con neutroni veloci si divide in frammenti più leggeri, ma questo non basta, il solo membro della “famiglia” che quando si fissiona produce un flusso di neutroni capace di provocare ulteriori fissioni e sostenere autonomamente una reazione a catena è l’Uranio 235. Un materiale del genere si dice fissile.
Facendola molto breve, l’Uranio naturale contiene troppo poco U235 e solo portando questa percentuale al 3-5% l’Uranio diventa un “combustibile” adatto per una centrale nucleare [3], in quel caso abbiamo Uranio debolmente arricchito.
E qui c’è una delle differenze tra un reattore è una bomba, perché se un arricchimento al 3-5% è sufficiente per produrre energia in un reattore, per scatenare un’esplosione nucleare servono tipicamente arricchimenti dell’ordine dell’80% e oltre (Uranio altamente arricchito) [4]. Per questo ed altri motivi un reattore per la produzione di energia elettrica non può esplodere come una bomba atomica.
Questo non vuol dire che in una centrale nucleare non possano verificarsi esplosioni, ma si tratta di comuni esplosioni chimiche. Certo, se un’esplosione chimica avviene in un impianto che contiene materiale radioattivo questo materiale può essere diffuso all’esterno, ma qualunque cosa abbiate letto sugli incidenti di Chernobyl o Fukushima, in nessuno dei due ci sono state esplosioni nucleari.
Le uniche esplosioni nucleari causate dall’uomo sono state quelle delle bombe fatte detonare dal 1945 in poi. Non tutti sanno che, oltre a quelli di Hiroshima e Nagasaki, più di 500 ordigni nucleari sono stati fatti detonare in atmosfera in test in varie parti del mondo [5].
Oggi la somma delle esposizioni dovute a test nucleari, produzione di energia nucleare e relativi incidenti contribuisce alla dose individuale media annua della popolazione mondiale per lo 0.2% circa [6], ma volendo guardare dentro a questo 0.2% è stato stimato che il fallout da test nucleari sia responsabile dei 9/10 della radioattività da Cesio 137 del pianeta [7], mentre Chernobyl ha contribuito per circa 1/30, e secondo un documento dell’IAEA i test di ordigni atomici condotti nel mondo tra gli anni ’50 e ’60 hanno immesso in atmosfera da 100 a 1000 volte la quantità di materiale radioattivo disperso dai reattori di Chernobyl [8].
L’esplosione di Trinity 0.025 secondi dopo la detonazione
Il primo di questi test avvenne alle 5:29 del mattino del 16 Luglio del 1945 in un sito del deserto di Jornada del Muerto nel New Mexico, nome in codice “Trinity”, dove venne fatta detonare la prima bomba atomica della storia, come prova generale di quello che sarebbe avvenuto in Giappone poche settimane dopo. L’intenso calore dell’esplosione fuse la sabbia del deserto che ricadde a terra allo stato liquido per poi solidificare sotto forma di una materia vetrosa di colore verde olivastro mai vista prima, a cui venne dato il nome di Trinitite. Oggi il sito è stato interamente ricoperto e Trinity è diventata una meta turistica. E’ illegale per i visitatori prendere materiale da terra e portarselo a casa, ma i campioni raccolti tra la fine degli anni ’40 e i primi anni ’50 sono ancora disponibili sul mercato (insieme a molti falsi).
Un campione di Trinitite che è stato esposto ad un flusso di neutroni particolarmente intenso e deve quindi essersi trovato molto vicino al punto dell’esplosione.
Non sorprenderà nessuno sapere che ho diversi campioni di Trinitite. Rischio la vita maneggiando oggetti del genere? Per la risposta rimando al video abbinato a questo articolo.
In realtà il problema della Trinitite è che l’emissione gamma residua è talmente debole che non è facile ricavarne uno spettro decente, e infatti prima di trovare il campione giusto ho dovuto testarne sette. Il risultato è riportato di seguito e ha tutte le firme che un campione di Trinitite deve avere.
Per ricavarlo è stata necessaria una misura di 28 giorni, con sottrazione dell’ambiente, all’interno di una camera scudata con circa 2 cm di piombo, 8 mm di peltro, un millimetro di rame e 5 mm di plastica.
Lo spettro gamma in fase di acquisizione. Il campione di Trinitite si trova all’interno della camera scudata.
La bomba di Trinity era un ordigno al Plutonio, e infatti si vedono chiaramente i picchi dell’Americio 241, prodotto dal Plutonio 239 attraverso doppia cattura neutronica e successivo decadimento beta. La sabbia del sito di Trinity era ricca di Europio, in particolare dei suoi isotopi stabili, l’Europio 151 e 153, che sono stati attivati dell’intenso flusso di neutroni seguito all’esplosione diventando Eu152 ed Eu154, entrambi radioattivi. Immancabile il Cesio 137, prodotto di fissione per eccellenza. Pare esserci (con qualche riserva, perché siamo nella zona di fluorescenza dello scudo) perfino un picco di Bario 133, originato dalla lente esplosiva della bomba che conteneva un materiale chiamato Baratol a base di Bario 132, isotopo stabile anche lui attivato dal flusso di neutroni.
Riuscire a misurare picchi del genere a distanza di quasi 75 anni è un indizio che questo campione doveva essere estremamente vicino al punto dell’esplosione.
Lo spettro gamma al termine di una misura di 28 giorni durante il quale il campione ha fornito in media circa 10 conteggi gamma al secondo. L’ambiente della stanza in cui la misura è stata condotta dà, con lo stesso strumento, circa 255 conteggi al secondo.
Per fondere e vetrificare la sabbia sono necessarie temperature di migliaia di gradi, questo ci dà un’idea di cosa voglia dire trovarsi coinvolti in un’esplosione nucleare. E ricordiamoci che l’ordigno di Trinity, così come quelli sganciati in Giappone, erano “giocattoli” rispetto alle bombe termonucleari a fusione testate fino all’inizio degli Anni ’60, capaci di liberare un’energia fino a 2500 volte maggiore.
E’ un bene per tutti che di cose simili non si senta più parlare.
Se vogliamo trovare un collegamento tra bombe atomiche e reattori nucleari per uso civile possiamo parlare del progetto “Megatons to Megawatts”, grazie al quale 500 tonnellate di Uranio altamente arricchito, proveniente dall’arsenale bellico ex sovietico, vennero convertite in 15,000 tonnellate di combustibile per centrali nucleari, dando elettricità a un decimo delle case americane nell’arco di 20 anni e liberando il mondo da qualcosa come 20,000 testate nucleari che sarebbero servite a tutt’altro [9,10].
Le cose sono buone o cattive a seconda dell’uso che ne facciamo, vale anche per l’Uranio.
Si sente spesso parlare di radiazioni come di qualcosa di nefasto. Forse a causa di un istintivo timore dell’uomo nei confronti di ciò che non riusciamo né a vedere né a percepire, eppure costantemente presente. I cellulari, il sole, le banane, sono sempre lì, pronti a bombardarci con i loro invisibili fasci.
La radiazione altro non è che un fenomeno di emissione e propagazione di energia. Il mare, il metabolismo di una cellula, l’ardere di una stella, tutti questi fenomeni parlano di energia. Un concetto piuttosto ampio per essere stigmatizzato. Proprio quelle radiazioni che ci fanno così inorridire sono le stesse utilizzate come strumento di diagnosi e di cura negli ospedali ai diversi angoli del mondo.
La Fisica e i suoi strumenti sono infatti un alleato prezioso per la Medicina, dove rivelatori e acceleratori di particelle sono ormai una realtà di successo.
Il protagonista di questo aperitivo nucleare è il protone, un proiettile piccolissimo per bombardare un problema enorme: il cancro.
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Il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti ed i suoi laboratori nazionali stanno supportando la ricerca e lo sviluppo di un’ampia gamma di nuove tecnologie avanzate per i reattori, che potrebbero rappresentare una svolta per l’industria nucleare. Questi sistemi innovativi saranno più puliti, più sicuri e più efficienti rispetto alle generazioni precedenti.
Curiosi?
Ecco tre dei progetti su cui stiamo attualmente lavorando con partner del settore per aiutare a soddisfare le nostre future esigenze energetiche in modo competitivo in termini di costi.
Reattore veloce raffreddato a sodio
Figura 1 Gli SFR sono progettati per la gestione di rifiuti ad alto livello di radioattività e, in particolare, per la gestione del plutonio e di altri attinidi. Idaho National Laboratory
Il reattore veloce raffreddato a sodio (SFR, dall’inglese “Sodium-cooled Fast Reactor”) usa metallo liquido (sodio) come refrigerante invece dell’acqua che viene normalmente utilizzata nelle centrali elettriche commerciali statunitensi. Ciò consente al liquido di raffreddamento di funzionare a temperature più elevate e a pressioni molto minori rispetto ai reattori attuali, migliorando l’efficienza e la sicurezza del sistema.
L’SFR utilizza anche uno spettro di neutroni veloce, il che significa che i neutroni possono causare fissione senza essere prima rallentati come nei reattori attuali.Ciò potrebbe consentire agli SFR di utilizzare sia materiale fissile che combustibile esaurito dagli attuali reattori per produrre elettricità.
Reattore ad altissima temperatura
Figura 2 I VHTR offrono una vasta gamma di applicazioni per il calore di processo e una possibilità di produzione di elettricità ad alta efficienza. Idaho National Laboratory.
Il reattore ad altissima temperatura (VHTR dall’inglese “Very High Temperature Reactor”) è raffreddato da un afflusso di gas ed è progettato per funzionare a temperature elevate, producendo elettricità in modo estremamente efficiente. Il gas ad alta temperatura potrebbe anche essere utilizzato in processi ad alta intensità energetica che attualmente si basano su combustibili fossili, come produzione di idrogeno, dissalazione, teleriscaldamento, raffinazione del petrolio e produzione di ammoniaca. I reattori ad altissima temperatura offrono notevoli caratteristiche di sicurezza e possono essere facili da costruire e convenienti da mantenere.
Reattore a sali fusi
Figura 3 I MSR hanno un ciclo di carburante chiuso che può essere personalizzato per un’efficiente combustione di plutonio e attinidi minori. Idaho National Laboratory
I reattori a sale fuso (MSR dall’inglese “Molten Salt Reactor”) usano fluoro fuso o sali di cloruro come refrigerante. Il refrigerante può fluire su combustibile solido come in altri reattori oppure i materiali fissili possono essere disciolti direttamente nel refrigerante primario in modo che la fissione riscaldi direttamente il sale.
Gli MSR sono progettati per utilizzare meno carburante e produrre rifiuti radioattivi di più breve durata rispetto ad altri tipi di reattori. Hanno il potenziale per cambiare in modo significativo la sicurezza e i costi della produzione di energia nucleare processando carburante in tempo reale, rimuovendo prodotti di scarto e aggiungendo carburante fresco senza lunghe interruzioni di rifornimento.
Il loro funzionamento può essere adattato per ottenere un’efficace combustione di plutonio e attinidi minori, cosa che potrebbe consentire agli MSR di consumare rifiuti nucleariprodotti da altri reattori.
Il sistema può essere utilizzato anche per la produzione di elettricità o idrogeno.
Note e riferimenti:
[1]L’Italia partecipa al consorzio in quanto membro della Comunità europea dell’energia atomica (Euratom).
Quando si ha voglia di una giornata di relax, tra i primi luoghi che vengono in mente ci sono le terme con le loro acque dai poteri benefici che riescono a curare il corpo e rinfrancare lo spirito. Ma cosa hanno di particolare le acque che sgorgano da alcune delle più famose sorgenti termali? La risposta potrà sembrare inaspettata e andare contro ciò che il buonsenso suggerisce: le radiazioni.
Partiamo con un esempio: Le terme di Merano. Consultando il sito web della famosa località si trova la seguente affermazione: “Il granito caratterizza il Monte San Virgilio e arricchisce di radon, fluoro e metalli rari l’acqua piovana che si deposita all’interno della roccia”. Il primo elemento che viene citato è il radon, di cosa si tratta? Il radon è un gas nobile scoperto durante i primi studi sulla radioattività all’inizio del XX secolo e fa parte della catena di decadimento dell’uranio 238 (radioisotopo che fa parte del combustibile di alcuni tipi di reattori nucleari). È inodore, incolore ed insapore e poco attivo chimicamente per cui non si deposita nei polmoni né viene assorbito dai tessuti biologici. Le sostanze più pericolose per la salute dell’uomo sono i suoi “figli”, atomi a loro volta radioattivi ma non più gassosi. Questi si attaccano al pulviscolo atmosferico e vengono inalati con la respirazione. Da qui questi atomi si ritrovano nei polmoni e le radiazioni che emettono colpiscono le cellule e possono danneggiarle, portando alla formazione di un tumore.
La correlazione tumore ai polmoni-radon fu individuata per la prima volta negli anni 50, sebbene già nel 1500 Paracelso notò l’alta mortalità causata da problemi polmonari tra i lavoratori delle miniere di Schneeberg. Infatti, il radon, come nel Monte San Virgilio, si trova prevalentemente nelle rocce e quindi nel suolo tanto che i lavoratori delle miniere sono considerati come una categoria esposta a radiazioni e devono costantemente monitorare i livelli delle radiazioni con appositi rilevatori.
Soltanto nel 1993 l’ICRP (la Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica) ha promulgato specifiche raccomandazioni sul rischio per la salute e sulla protezione da radon negli ambienti di vita e di lavoro.
Nonostante ciò al radon vengono attribuite numerose proprietà benefiche. I balneologhi attribuiscono al gas nobile, somministrato in piccole dosi, proprietà antinfiammatorie e antidolorifiche. Sostengono che prove scientifiche dimostrano come i raggi alfa migliorino la capacità delle cellule di riparare i danni genetici e che il radon, con i suoi prodotti di decadimento, possa aumentare la produzione di ormoni portando ad una scarica di endorfine con conseguente effetto antidolorifico. Il radon inoltre, svolgerebbe un’azione positiva sul sistema immunitario e aumenterebbe la produzione dei catturatori dei radicali liberi.
La convinzione che il radon fosse una medicina si diffuse tra il 1920 ed il 1930. In questo periodo fu realizzato dal Bailey Radium Laboratory nel New Jersey il “Radithor”, un preparato che consisteva di acqua distillata a cui veniva aggiunta una piccola quantità di Radio (da cui discende il radon).
Questo medicinale veniva somministrato in forma di pasticche, pozioni e creme e tra i suoi consumatori vi furono il sindaco di New York James Walker ed il golfista ed imprenditore statunitense Eben Mayers. A quest’ultimo il medico suggerì il radithor dopo una caduta che gli portò un dolore insistente al braccio. Era il 1927 e da quel momento Byers cominciò a bere tre bottigliette al giorno di acqua arricchita di radio. Morì nel 1932 all’età di 51 anni, dopo due anni di sofferenze. Questo episodio contribuì al ritiro del Radithor dal commercio.
Prima degli anni 2000 anche la pubblicità delle terme di Merano era molto diversa. Si trovava infatti la seguente didascalia:
“Qualità terapeutiche dell’acqua al radon:
Azione sedativa ed analgesica sia sul sistema nervoso centrale sia su quello periferico, particolarmente indicata quindi nell’osteoartrosi e molte patologie dell’apparato osteo-artro-muscolare. La terapia viene effettuata mediante bagno in vasca singola della durata di 15-20 minuti per un ciclo di 6-12 sedute alla temperatura di 35-37°C.
Azione vasodilatatrice periferica ed ipotensiva, particolarmente indicata per le donne che soffrono di flebopatia cronica (varici, capillari ectasici ecc.) La terapia viene effettuata mediante bagno in vasca singola della durata di 15-20 minuti per un ciclo di 6-12 sedute.
Azione sulle vie respiratorie perché rafforza soprattutto la difesa aspecifica della mucosa respiratoria (fortifica le capacità di difesa delle vie respiratorie). La terapia viene effettuata mediante inalazioni (aerosol e getto di vapore) 2 sedute per volta per un ciclo di 6-12 giorni.
Miglioramento in caso di allergie, poiché l’acqua contenente radon ha un effetto leggermente desensibilizzante nei confronti di alcuni antigeni. Queste terapie sono effettuabili solo dopo visita medica di ammissione del direttore sanitario delle Terme Merano.”
Ma le terme di Merano non sono le uniche. Sul sito di Lurisia nella descrizione si trova ancora adesso l’esaltazione di un’acqua “radioemanante, analgesica, antinfiammatoria e depurativa”.
La domanda che a questo punto sorge spontanea è: “se vado alle terme, rischio di avere un tumore ai polmoni?” La risposta è no.
La concentrazione di Radon in acqua si misura in Bq/l (Bequerel su litro) e la raccomandazione della commissione Euratom (Comunità europea dell’energia atomica) del 20 dicembre 2001 sulla tutela della popolazione contro l’esposizione al radon nell’acqua potabile riporta, per le concentrazioni di radon, un limite di 1000 Bq/l. Il radon presente nell’acqua di Monte San Virgilio è di 481 Bq/l, molto al di sotto del limite.
Le terme di Lurisia presentano invece un’elevata radioattività naturale che aveva attirato anche la curiosità di Marie Curie che andò in visita nel 1918. Nella grotta sono presenti le sorgenti Santa Barbara e Garbarino; esternamente alla grotta sgorga la sorgente Santa Barbara Zucco Alto. L’ARPA Piemonte alla fine del ‘900 aveva effettuato delle analisi sulla quantità di radon disciolto in acqua, constatando che la sorgente Garbarino conteneva concentrazioni fino a 25000 Bq/l, mentre la sorgente Santa Barbara conteneva concentrazioni pari a 1000 Bq/l. Per questo motivo la gestione delle terme (aperte dagli anni ’40 del Novecento) ha messo in atto un sistema di degassamento e di miscelazione prima dell’utilizzo. Questo ha portato i valori di concentrazione di radon sotto i 500 Bq/l e nell’acqua venduta sotto i 100 Bq/l. In questo modo è scongiurato qualsiasi danno alla salute.
Una considerazione che resta da fare è che tutti noi quotidianamente siamo esposti a radiazioni (le banane sono radioattive, lo sapevate?) e ci sono zone sulla Terra con rocce così ricche di isotopi radioattivi che la popolazione potrebbe sembrare a rischio di mutazioni genetiche ma l’osservazione ci mostra come tutte queste persone vivono bene e a lungo e dopo una giornata alle terme chiunque si sente rinvigorito.
Paracelso affermava: «Tutto è veleno: nulla esiste di non velenoso. Solo la dose fa in modo che il veleno non faccia effetto.»
È possibile dire allo stesso modo che piccole dosi di radiazioni hanno un effetto benefico sull’uomo? Scienziati continuano a interrogarsi su questi ed altri quesiti e probabilmente in futuro avremo una risposta. Nel frattempo, se vi sentite stanchi le terme rimangono un ottimo modo per fuggire dalla frenesia quotidiana.
La notizia su Paracelso che notò l’alta mortalità dei minatori a Scheeberg l’ho letto nel libro : “Radiastesia. Elettromagnetismi. Naturopatia” di Moreno Diolaiti e P.Luigi Banti
