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Liquid Fluoride Thorium Reactors!!!!!

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“A lungo termine l'Umanità avrà bisogno di sorgenti di energia alternative a quelle fossili. In tale quadro, il ricorso

al nucleare, oltre che al solare, sembra assolutamente inevitabile.”

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Carlo Rubbia, premio nobel per la fisica 1984.!!!!!!!!

Riccardo Cocci,!a.s. 2013/2014!

Liceo Scientifico Keplero, Roma.!!

La mattina del 6 agosto 1945, il bombardiere statunitense Enola Gay sganciò il suo carico di 4 tonnellate sulla città portuale di Hiroshima nell'isola di Honshu, la più grande del Giappone. Tale carico cadde per 43 secondi prima di detonare a una quota di 580 metri sopra la città. Esplose dapprima una piccola carica convenzionale posizionata vicino alle pinne di coda. Lo scoppio deflagrò verso il basso, entro un cilindro metallico cavo, un proiettile di uranio altamente arricchito contro un secondo blocco di uranio in prossimità dell’ogiva della bomba. All'urto delle due masse, un iniziatore di berillio-polonio iniettò nell'uranio i neutroni che innescarono la reazione a catena. I primi neutroni produssero la scissione di pochi nuclei di uranio, ma i neutroni a loro volta rilasciati nel processo andarono a scindere ulteriori nuclei, liberando altri neutroni. Con l'aumentare dell'intensità della reazione, quantità sempre maggiori di energia vennero liberate finché la bomba non esplose nel cielo. Pochi istanti più tardi la città era nascosta dietro un'altissima nube a forma di fungo.!Nel 1980 Freeman Dyson, che aveva lavorato come analista per il British Bomber Command durante la seconda guerra mondiale, rilasciò in un documentario televisivo la seguente dichiarazione: “L’ho avvertito io stesso, lo scintillio delle armi nucleari. E’ irresistibile, se ci si accosta ad esso da scienziati. Sentire che lì, nelle tue mani, c'è il potere di scatenare la stessa energia che fa brillare le stelle. Averla ai tuoi ordini. Compiere miracoli di questa portata, sollevare un milione di tonnellate di roccia fino al cielo. E’ qualcosa che conferisce l’illusione di un potere sconfinato; e questo qualcosa è, da un certo punto di vista, responsabile di tutti i nostri guai; questo qualcosa, che potremmo chiamare l’arroganza della tecnica, può sopraffare le persone, quando queste capiscono che cosa possono fare con il potere della mente.”!Terminata la guerra, si cominciò a guardare alla fisica sotto una nuova luce. Il conflitto aveva dimostrato, oltre ogni dubbio, che le scoperte in quel campo influenzavano il corso degli eventi in ogni suo passaggio. Era chiaro a tutti quale prezzo comportassero ritardi nella ricerca e il mancato raggiungimento di una scoperta e la possibilità di sfruttarla prima di altri.!!Quando si parla di nucleare si pensa immediatamente alla bomba atomica, sganciata su Hiroshima e Nagasaki, e al disastro di Chernobyl. L’opinione pubblica rabbrividisce al solo pensiero delle immagini derivanti da queste due “tragedie”.In Italia lo sfruttamento del nucleare ha avuto luogo tra il 1963 e il 1990 e ha subito la sua capitolazione finale con il referendum del 1987. Tra il 2005 e il 2008 si era aperto un dibattito sulla reintroduzione dell’energia nucleare, un dibattito che però è stato chiuso con il referendum, abrogativo, del 2011, in base al quale sono state abrogate le normative per l’ambito nucleare da elettroproduzione.!Alla luce dei fatti che hanno determinato la storia del nucleare chiediamoci: è sicura l’energia nucleare? La risposta che darebbe sicuramente un fisico è: quale tipo? !Ci sono centinaia di modi diversi di produrre energia nucleare.!!

L’idea di un Reattore nucleare a sali fusi non è nuova. Enrico Fermi, che già nel 1942 aveva creato il primo reattore nucleare, riuscì nel 1944, due anni dopo, ad avviare un reattore nucleare a sali fusi che usava il solfato di uranio dissolto in acqua.!Quando Fermi costruì il suo reattore nucleare l’uranio era il carburante più ovvio (l’unico allora conosciuto sulla terra) e solo più tardi si scoprì che usare u n a p i c c o l a q u a n t i t à d i Uranio-235 con una quantità m a g g i o r e d i U r a n i o - 2 3 8 generava altri prodotti tra cui il Plutonio-239. Secondo lo stesso cr i ter io d i t ras formazione l’isotopo non fissile Torio-232 può essere convertito nel fissile Uranio-233.!Quando il Torio-232 assorbe un neutrone, il prodotto, Torio-233, subisce due decadimenti beta e f o r m a l ’ U r a n i o - 2 3 3 ( n e l d e c a d i m e n t o b e t a v i è l’emissione di un elettrone e la trasformazione di un neutrone in protone). L’Uranio-233 è fissile ed è perfetto per essere usato

come carburante.!I vantaggi del ciclo Torio/Uranio, rispetto al ciclo Uranio/Plutonio hanno letteralmente mobilitato la comunità scientifica mondiale. Spiegare il funzionamento di questo ciclo, toccando argomenti di fisica e chimica, sarà l’obiettivo di questa tesi.!In fisica le reazioni nucleari di maggior interesse dal punto di vista della produzione di energia si possono suddividere in due gruppi:!• reazioni di fusione, in cui due o più nuclei leggeri di uniscono;!• reazioni di fissione, in cui un nucleo pesante si spezza in due o più nuclei.!La reazione che ci interessa, parlando del Torio, è la fissione nucleare. Nel 1938 si vide che bombardando l’Uranio-235 (un isotopo che costituisce lo 0,79% dell’uranio che si trova in natura) con neutroni rallentati, l’atomo di uranio si spezzava in due atomi più leggeri, si producevano tre neutroni e si liberava dell’energia. In questa reazione di rottura in due dell’atomo di uranio (appunto, reazione di fissione) si

produceva energia, ma quello che era più interessante era che si producevano anche tre neutroni che potevano andare a colpire altri tre atomi di uranio per romperli; dalla rottura di questi tre atomi si ricavano altri nove neutroni che avrebbero poi prodotto altri ventisette neutroni e così via. Quello che avviene è una reazione a catena: partiamo da un neutrone e dopo dieci passaggi abbiamo come proiettili 59.049 neutroni che continuano la loro azione. Naturalmente questa reazione continua alla massima velocità solo se i neutroni nel loro cammino incontrano atomi di uranio da colpire; questo avviene se essi non escono dal campione e cioè se il campione di uranio è tanto grande che solo pochi neutroni riescono ad uscire da esso. La massa minima di uranio che permette la massima velocità del processo di fissione si chiama massa critica.!Abbiamo visto che in ogni passaggio, cioè ogni volta che un atomo di uranio viene scisso, si libera energia e che in pochissimo tempo tantissimi atomi di uranio vengono scissi; possiamo dedurne che una volta che la reazione è innescata, essa procede sempre più velocemente producendo in brevissimo tempo un’enorme quantità di energia. Da un kg di uranio fissionabile si ottiene in un milionesimo di secondo la stessa quantità di energia che si ottiene bruciando duemila tonnellate di carbone.!

Per illustrare brevemente la struttura del Reattore a Torio ai fluoruri fusi dobbiamo metterlo in parallelo con il tipico reattore nucleare ad acqua leggera.!Nella figura a sinistra troviamo il reattore tradizionale che consiste in barre di combustibile, barre di controllo, moderatore d’acqua e liquido di raffreddamento. Il reattore a Torio invece è composto da un nocciolo (la parte in arancione nella figura) che contiene il fissile Uranio-233 in un sale di fluoruro fuso. Questo nocciolo è circondato da una coltre di sale fluoruro fuso (parte verde) contenente il Torio-232. I neutroni in eccesso prodotti dalla fissione nel nocciolo sono assorbiti dal Torio-232 nella coltre, che generano Uranio-233 per trasmutazione. L’Uranio-233 e altri prodotti della fissione sono recuperati e proprio quest’ultimo viene reindirizzato verso il nocciolo, dove permette la reazione a catena.!

Per capire realmente i pregi del ciclo Torio/Uranio basta far parlare le immagini.

Come abbiamo già detto in precedenza nella maggior parte dei reattori per sostenere una reazione a catena occorre il rarissimo Uranio-235 che deve essere purificato o arricchito a partire dall’uranio naturale composto al 99,7% di Uranio-238 e solo 0,7% di Uranio-235. Questi reattori poi si lasciano alle spalle il Plutonio-239, (usato per la produzione di ordigni nucleari da cui i pericoli di proliferazione nucleare).!Possono essere identificati tre punti principali a favore dell’uso del Torio nella produzione di energia nucleare:!!1. Il Torio abbonda in natura, solo gli Stati Uniti ne hanno almeno 175mila

tonnellate, non richiede una lavorazione dispendiosa e, come combustibile nucleare, è molto efficiente (basterebbero 500 tonnellate di Torio per produrre l’energia che serve agli USA in un anno). Mentre decade nel nocciolo di un reattore i suoi sottoprodotti danno origine ad un numero di neutroni maggiore rispetto ad un reattore che usa uranio. Maggiore è il suo numero di neutroni per collisione, maggiore è l’energia generata, minore è la quantità di combustibile usato nel complesso, e minori sono le scorie. Un vantaggio evidente è quindi quello riguardante le scorie. Il “combustibile” esausto scaricato da un reattore autofertilizzante al Torio ha una radiotossicità estremamente più bassa (di svariati ordini di grandezza) rispetto a un qualunque reattore basato sul ciclo Uranio/Plutonio. Dopo meno di un secolo è infatti inferiore a quella dell’uranio naturale. Si ritiene per tanto che le scorie di un reattore che usa il torio come

combustibile andrebbero confinate solamente per circa 300 anni (meno di quanto ne serva per molti prodotti dell’industria chimica). In pratica occorre confinarle come si fa oggi per i residui radioattivi di basso livello, come quelli proveniente dagli ospedali e da altri centri. !

2. Il Torio, in questo nuovo tipo di reattore, non presenta rischi di fusione del nocciolo. Il Torio si dissolve come fluoruro di Torio in una miscela liquida contenente sali di berillio e litio. Questa miscela viene fatta passare entro dei tubi nel nocciolo del reattore formato da un moderatore di grafite dove avviene la reazione nucleare a catena. I reattori a sali fusi operano ad una temperatura superiore a quelli ad acqua leggera ma hanno un rendimento termodinamico superiore e, cosa fondamentale, operano ad una pressione molto bassa, vicino alla pressione atmosferica. Ciò riduce lo stress meccanico, e semplifica la progettazione dell’impianto, migliorando di molto la sua sicurezza. Nel caso di qualsiasi incidente infatti non si disperderebbe materiale radioattivo nell’ambiente circostante, come avviene nei reattori ad acqua leggera che operano con pressioni nel nocciolo di diverse decine o centinaia di atmosfere. In linea teorica ciò rende possibile costruire reattori al Torio più economici delle attuali centrali a carbone. !

3. Un reattore a sali fusi si autoregola automaticamente. Il sistema di sicurezza passiva è basato sul fatto che la reazione a catena avviene nel fluido di sali fusi che passa nel moderatore attraverso innumerevoli tubi. Il moderatore rallenta i neutroni che quindi sono assorbiti dal Torio che decade fino a formare Uranio-233 fissile che è combustile nucleare del reattore. Se per qualche ragione il nocciolo del reattore si scalda troppo, il liquido di sali fusi aumenta di volume e quindi si diluisce. Nel nocciolo rallenta quindi il processo di fissione a catena e il reattore si raffredda spontaneamente. !

!La più grande fonte mondiale di Torio, l’India, non ha ancora reattori commerciali che utilizzino il Torio ma ha annunciato piani per accrescere il suo potenziale di energia nucleare: ora nel paese il fabbisogno energetico è coperto solo al 9% dal nucleare, ma il governo si aspetta che entro il 2050 si arrivi al 25% e che il Torio ne generi una larga parte. !In Francia, dove il 75% dell’energia elettrica è frutto del nucleare, il Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie ha costruito diverse varianti del modello di reattori a sali fusi.!La Cina pianifica di costruire nel decennio a venire decine di reattori nucleari e si è recentemente mossa per accumulare ingenti riserve di Torio.!!I critici fanno notare che il maggiore dei vantaggi del Torio (la sua grande efficienza) in realtà presenta anche dei rischi: la reazione continua molto a lungo, quindi il combustibile necessita di contenitori speciali assai durevoli e resistenti. La combinazione tra alcune leghe resistenti alla corrosione e la grafite sembra

soddisfare questi requisiti, ma il sistema deve ancora essere testato sulla distanza dei decenni.!Solamente nel 2007 abbiamo usato 5 miliardi di tonnellate di carbone, 31 miliardi di barili di petrolio, 5 trilioni di metri cubi di gas e 65.000 tonnellate di Uranio per produrre energia nel mondo.5.000 tonnellate di Torio basterebbero a soddisfare il fabbisogno energetico mondiale per un anno.!Non possiamo esaurire questa risorsa, il Torio è quattro volte più comune nella crosta terrestre rispetto all’uranio. E’ così “energicamente” denso che si potrebbe tenere sul palmo della mano una quantità di Torio sufficiente a provvedere al fabbisogno energetico totale della vita di una persona.!

!!!!!!!!!!!!!!!Bibliografia: http://it.wikipedia.org/wiki/Chicago_Pile-1 http://it.wikipedia.org/wiki/Energia_nucleare_in_Italia http://it.wikipedia.org/wiki/Reattore_nucleare_a_sali_fusi http://www.thoriumenergyalliance.com http://www.energyfromthorium.com http://www.americanscientist.org Liquide Fluoride Thorium Reactors, Robert Hargraves and Ralph Moir, American Scientists, 2010 July-August. Thorium in five minutes, http://www.youtube.com/watch?v=uK367T7h6ZY I vantaggi del reattore al Fluoruro di Torio Liquido, Giuseppe Filipponi. Higgs e il suo borsone La caccia alla particella di Dio, Ian Simple, edito il Saggiatore.