Qualche chilo di Uranio per trasferirsi su Marte

di Martina Gallarati

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.

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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.

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.

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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!

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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]
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Figura 6. Immagine futurista del network di reattori Kilopower che garantirebbero l’alimentazione di una postazione su Marte. [NASA]

Per saperne di più:

Immagini:

1. https://www.nasa.gov/archive/content/solar-arrays-on-the-international-space-station

2. https://www.jpl.nasa.gov/missions/cassini-huygens/

3. https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/images/history/December2004.html

4. https://www.nasa.gov/content/buzz-aldrin-deploys-apollo-11-experiments

5. https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/space-nuclear-power-seriously/

6. https://aerospaceamerica.aiaa.org/departments/space-nuclear-power-seriously/

Quarto aperitivo nucleare in vista

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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Razzi Nucleari

di Pasquale Barbato

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.

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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.

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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.

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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.

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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

Informazioni sul progetto ROVER sono disponibili in

In particolare, si rimanda al seguente autore per l’elenco completo dei test eseguiti nell’ambito del progetto

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L’estate entra nel vivo? Gli aperitivi nucleari non si fermano! Terzo appuntamento il 24 luglio.

Non solo energia: i reattori di ricerca

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.

17.07

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Aperitivi nucleari: pronti per il bis? Appuntamento il 26 giugno!

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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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Aperitivi Nucleari: primo brindisi il 29 Maggio

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Aperitivi Nucleari: primo brindisi il 29 Maggio

UN REATTORE PER ACCENDERE UNA STELLA
Relatore: Alessandro Maffini
Diretta sui nostri canali
FBYoutube
https://www.facebook.com/nucleareeragione/
https://www.youtube.com/channel/UCWXXLCqQHTyGh_fEmoEijIA

Nel tempo che impiegherete a leggere queste righe il nostro Sole avrà rilasciato nello spazio una quantità di energia pari a circa 50 milioni di volte il consumo energetico degli Stati Uniti in un intero anno.

Lo fa da quasi 5 miliardi di anni, e continuerà per altri 5 miliardi.

Chi tiene acceso il Sole e le altre stelle sono le reazioni di Fusione Nucleare.

Non stupisce che Scienziati e Ingegneri stiano provando da più di sessant’anni a sfruttarle qui sulla terra per ottenere una fonte di energia pulita e inesauribile.

Le sfide da affrontare per poter imbrigliare la potenza delle stelle in un reattore sono tante eppure mai come oggi ci siamo avvicinati a questo ambizioso traguardo.

Ne parleremo in questo viaggio che dall’infinitamente piccolo dei nuclei atomici ci porterà a parlare di ciambelle di plasma, enormi magneti e laser potentissimi, fino ad affacciarci sul futuro energetico dell’umanità.

Scarica il documento!

Deposito Nazionale: evento per soci CNeR

[Formazione nucleare ai tempi del CoVid-19]

Domani 21 Maggio avremo un incontro dedicato ai nostri soci con SOGIN, la Società pubblica responsabile del decommissioning degli impianti nucleari italiani e della gestione dei rifiuti radioattivi.

Con i Dott. Chiaravalli e Colosi parleremo di Deposito Nazionale, dal punto di vista tecnico e comunicativo!

Non ti vuoi perdere questo e i prossimi appuntamenti? Entra nell’associazione!
https://nucleareeragione.org/modulo-associativo-2020/

 

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