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La geotermia in California il problema acqua.

23 luglio 2010 15 commenti

Una delle forme più interessanti di energia verde rinnovabile è quella geotermica che sfrutta il calore naturale all’interno della Terra per fornire calore ed elettricità. Purtroppo, l´energia geotermica è praticabile solo in aree limitate in tutto il mondo, a causa dello spessore della crosta terrestre e del tipo strati. Uno di questi luoghi fortunati è il sud-ovest americano, la parte orientale della California e gli stati del Nevada, Arizona, New Mexico e Colorado. Giá sedici impianti geotermici sono presenti in California nella Imperial Valley e sono tra i primi segni di quello che la California spera diventere con un boom delle energie rinnovabili. Ma senza acqua questi impianti non possono generare energia e la loro acqua viene da lontano dal fiume Colorado.

Risorse geotermali nelle valli di Napa e Sonoma in california

Ci sono 24 paesi in tutto il mondo che producono 10.000 MW cioé abbastanza energia elettrica affidabile per soddisfare le esigenze di 60 milioni di persone. La Repubblica delle Filippine genera il 23% della sua elettricità da energia geotermica ed è il secondo produttore mondiale dopo gli USA. L’energia geotermica può preservare l’ambiente nei paesi in via di sviluppo e possono fornire energia stabile per le case, l’industria e per l’indipendenza energetica nazionale. La geotermia ha aiutato i paesi in via di sviluppo come l’Indonesia, Messico, Guatemala, Costa Rica e Filippine.

In altri paesi, le prospettive di sfruttamento dell’energia geotermica sono molteplici. L’Australia ha scoperto nei territori interni un enorme deposito di rocce calde che potrebbero fornire energia verde in futuro. In Africa, alcuni esperti pensano che la Rift Valley, che si estende dalla parte nord del Mar Rosso fino al Mozambico, è ideale per la produzione di energia geotermica. L’United Nations Environment Programme, con sede a Nairobi, pensa che il potenziale geotermico della Rift Valley è 14.000 MW, ma fino ad oggi solo 200 MW in realtà viene catturata. Gli appassionati di potenza geotermica dicono che potrebbe fornire il 10-25% di energia della regione entro il 2030.

Gli Stati Uniti continuano a produrre energia elettrica geotermica più di ogni altro paese, circa il 30% del totale mondiale. La disponibilità di energia geotermica negli Stati Uniti è essenzialmente limitata al sud-ovest e Rocky Mountain e poche altre parti del paese, come si può vedere dalla mappa qui sotto.

Nella figura la temperatura delle rocce a 6 Km. di profonditá.

Nel 2007, la energia geotermica è stata la terza maggiore fonte di energia rinnovabile negli Stati Uniti. Oggi gli Stati Uniti hanno circa 3.000 MW di energia geotermica collegato alla rete. L’energia geotermica prodotta é di 14.885 gigawattora di elettricità nel 2007, che rappresentavano il 4% del consumo di energia elettrica rinnovabile di energia negli Stati Uniti.

In California, lo stato con la più grande quantità di energia geotermica on-line, l´energia elettrica da risorse geotermiche rappresentava il 5% della produzione di elettricità dello Stato nel 2003.

I ricercatori del US Department of Energy’s stimano che sfruttando una linea di faglia al di sotto della Imperial Valley iavrebbe fornito circa 2.300 MW di potenza, l’equivalente di un grande impianto di energia nucleare. Per una serie di ragioni, gli impiantinon possono utilizzare l’acqua dal mare ma devono sfruttare la stessa fonte di acqua che rende la Imperial Valley una delle zone agricole più produttive nel mondo.
Gli impianti geotermici della Imperial velley utilizzano pozzi profondi per arrivare a migliaia di metri sotto terra fino alle rocce surriscaldate. Alcuni degli impianti usano un processo chiamato lampeggiante, in cui la calda salamoia che è già presente nella roccia viene estratta a pressione. Una volta portato in superficie, la variazione di pressione fa sì che la salamoia calda diventa vapore che fa girare poi le turbine per generare elettricità.

Un impianto geotermico lampeggiante

Gli impianti lampeggianti hanno relativamente poco bisogno di acqua per il raffreddamento, ma funzionano solo se li impianto si trova direttamente sopra la parte più calda del campo geotermico, che in questo caso è proprio sulle rive del Mar Salton.Per sfruttare appieno il potenziale geotermico della regione deve essere utilizzato un diverso tipo di impianto chiamato un impianto a ciclo binario.
In un impianto a ciclo binario, il calore dell´acqua geotermica è utilizzata per la vaporizzazione di un “fluido di lavoro.” Il vapore poi alimenta un generatore a turbina. Siccome gli impianti a ciclo binario sono in grado di produrre energia a temperature più basse, possono essere costruiti quasi ovunque nella valle.

Per un funzionamento efficiente si richiede che l´acqua venga iniettata in profonditá (2-5 km) fino alle rocce calde con temperature tipicamente di circa 200 ° C. Al fine di consentire il flusso di acqua in piccole fratture sono costruiti degli scambiatori di calore sotterranei. Quando l’acqua passa attraverso lo scambiatore di calore, viene rapidamente riscaldata ad alta temperatura per contatto con la roccia calda. L’acqua surriscaldata viene quindi mandata verso la superficie dove l’energia termica viene convertita in energia elettrica.

Per oltre 100 anni la California  dipendeva dall´acqua esistente dall’altra parte delle Montagne Rocciose. Per il funzionamento, i nuovi stabilimenti geotermici richiedono della stessa acqua che irriga le colture nella Imperial valley e che fornisce anche l’acqua agli abitanti assetati di Los Angeles: il fiume Colorado.
Il problema ora é che la stessa acqua deve far fronte ad una enorme domanda con poca offerta.

Nel sud-ovest americano, il problema energetico è l’acqua e le richieste per la fornitura di acqua raggiungerà un punto critico nel 2021. Sembra cosí che la rivoluzione energetica verde stia per morire di sete prima ancora di crescere.
Il Colorado è anche una grande fonte di energia idroelettrica che alimenta la Southwest, con gran parte della sua energia. Al di là dell’energia che proviene direttamente sotto forma di energia idroelettrica, le acque del fiume sono inoltre essenziali per il funzionamento di centrali termoelettriche, che si basano su di esso per il raffreddamento.
Quando l´Hoover Dam è stato terminato nel 1936, è stata la più grande diga del mondo e una meraviglia moderna. Un´altra diga è nel National Historic Landmark ed è stata considerata come una delle sette meraviglie della ingegneria moderna e non si limita a fornire acqua per i generatori di Hoover Dam, il suo serbatoio fornisce il 90% dell’acqua di Las Vegas.

Dal 1999, il lago Mead è sceso dell’1% circa all’anno. Oggi la linea d’acqua che si ritira ha esposto un’ampia striscia bianca di calcite che è stato ribattezzato “anello vasca” dalla gente del posto. Esso serve ad evidenziare la difficile situazione di contrazione del lago di contrazione. Entro il 2012, la superficie del lago potrebbe scendere al di sotto della condotta esistente che fornisce acqua a Las Vegas.

Le 17 turbine di Hooper Dam hanno una capacità di generazione combinata di 2080 MW, quando il serbatoio è pieno al suo livello normale. A febbraio, il declino del lago ha ridotto la capacità della diga di un quinto. Quando il livello del lago diminuisce. la pressione dell’acqua, che guida le turbine del generatore, scende anche e ad un certo punto che si formano delle bolle di aria tra le pale delle turbine che fanno tremare le eliche e fanno tremare l´intero edificio.
Le vibrazioni possono danneggiare le turbine per cui gli ingegneri devono fermare i generatori. Gli stati interessati dalla diga stanno investendo milioni di dollari in nuove turbine per ridurre la minaccia di formazioni di bolle di aria e farle funzionare con altezze inferiori del livello del lago.

Sul lato Arizona del lago, una stazione di pompaggio tira l’acqua da un brand sotto la superficie del lago per raffreddare il Navajo Generating Station, un impianto da 2,25 gigawatt a carbone situato nella riserva Navajo Nation. E ‘stato costruito per fornire elettricità per le città da Tucson a Los Angeles. L’impianto Navajo dipende dall’acqua del fiume Colorado per raffreddare il vapore dalle sue turbine, per l’acqua di condensazione nelle caldaie e per il riutilizzo dello stabilimento.

I Navajo Generating Station.

Il Sud-ovest americano ha vissuto anni di siccità nel passato, la siccità che ha ucciso la cultura Anasazi. L’insorgenza di tali periodi di siccità non ha nulla a che fare con il riscaldamento globale, ma una nuova siccità prolungata potrebbe sicuramente provocare gravi interruzioni nello sviluppo delle energie rinnovabili. La generazione di energia idroelettrica sarebbe ovviamente colpita, ma sarebbe colpita anche la nuova energia geotermica verde e pure gli mpianti solari a concentrazione.
La Nazione Navajo si è unita ad altri leader nativi americani assalendo gli ambientalisti che hanno cercato di bloccare o spegnere le centrali a carbone che offrono posti di lavoro vitali e delle entrate per le tribù del nord Arizona. Il risultato è un conflitto che contrappone ambientalismo contro i diritti dei nativi.

Coltivazioni nella Imperial Valley e gli impianti geotermici che competono per l´acqua

I nativi americani e il presidente della Navajo Nation, Joe Shirley Jr., hanno espresso un forte sostegno per una risoluzione della tribù Hopi che dichiarano i gruppi ambientalisti sgraditi sui loro territori. Ed hanno dichiarato che gli attivisti ambientalisti e le loro organizzazioni sono tra le più grandi minacce alla sovranità tribale, alla auto-determinazione tribale e alla loro ricerca per l’indipendenza.

C’è una tempestiva soluzione a tutti questi problemi:  la Hyperion Power Generation ha sviluppato un reattore nucleare in miniatura in grado di alimentare 25.000 abitazioni.
http://en.wikipedia.org/wiki/Hyperion_Power_Generation

http://www.hyperionpowergeneration.com/

(Vorrei segnalare all´amico Elmar questi siti per sapere cosa ne pensa lui che di questi argomenti é certamente piú dotto di me e se questa tecnologia merita un articolo da parte sua )

Non ha bisogno di acqua e non produce emissioni.  Purtroppo, burocrati miopi del DOE statunitense e l’amministrazione Obama hanno preferito concentrarsi sul “carbone pulito” ,  tecnologia che richiede più acqua dolce e piú fonti di energia di quanto riesca a produrne.

SAND-RIO

Categorie:Energie

C14

20 luglio 2010 33 commenti

Il C14 è un isotopo del carbonio.

I’isotopo principale del carbonio è il C12. Il suo nucleo è composto da 6 protoni e 6 neutroni. Poi c’è il C13 con 6 protoni e 7 neutroni nel nucleo. C12 e C13 sono stabili e si trovano in natura in un rapporto di 98,9% C12 e 1,1% C13.

Il C14 è un isotopo del carbonio con 6 protoni e 8 neutroni nel nucleo. Non è stabile. Si trasforma in azoto 14. Nel suo nucleo uno dei neutroni, che ovviamente è di troppo, si trasforma in un protone. Il nucleo che nasce, cioè quello del N14 (azoto 14) è composto da 7 protoni e 7 neutroni. La trasformazione del neutrone in un protone avviene con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino. Il C14 decade direttamente nello stato fondamentale del N14. Questo ha la conseguenza che questo decadimento non è accompagnato da un’emissione di raggi gamma. Il decadimento con l’emissione di un elettrone e un antineutrino si chiama decadimento beta meno.

Da dove viene il C14?

In 5568 anni metà dei nuclei di C14 si si trasformano in N14. La nostra terra è vecchia circa 4,5 miliardi di anni. Gli elementi che compongono la nostra terra sono nati in una supernova poco prima. Del C14 di allora non c’è neanche più una traccia. Eppure si trova in concentrazioni che vanno da circa 1 parte su un milione di miliardi di C12 fino a circa 3 parti su mille miliardi.

Ci sono meccanismi che creano il C14. Il meccanismo principale si trova nell’atmosfera in altitudini da 9 a 15 km. Raggi cosmico urtano nuclei dell’atmosfera. L’energia d’urto può essere molto alta. Cioè molto più alta dell’energia di legame dei nuclei. I nuclei colpiti si disintegrano (“spallation”), i componenti volani in giro. Tra questi ci sono neutroni. Neutroni colpiscono nuclei di azoto 14. Dal nucleo di azoto 14 vola via un protone. Così il nucleo di azoto 14 è diventato un nucleo carbonio 14.

Se la radiazione cosmica è costante, troviamo nell’atmosfera una concentrazione costante di C14. Il carbonio 14 si ossida e diventa parte dell’anidride carbonica dell’atmosfera, che è la materia prima per la fotosintesi. La piante la assorbono e la trasformano in una varietà di sostanze organiche. Queste sono la base per la vita di tutti gli essere viventi. Tutti gli esseri viventi sono caratterizzati da una concentrazione di carbonio 14 uguale (incirca) a quella dell’atmosfera.

Dopo la morte non c’è più scambio con l’anidride carbonica dell’atmosfera. La concentrazione di carbonio 14 è costante durante la vita e diminuisce dopo la morte. Misurare la concentrazione del carbonio 14 serve a determinare il momento che un organismo ha smesso di vivere. Willard Frank Libby ha preso il premio Nobel nel 1960 per questo metodo.

I problemi

Il metodo C14 per la determinazione dell’età di oggetti di origine organica si basa sull’assunzione che il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera, quindi nelle piante viventi e quindi negli animali che si nutrono dalle piante sia costante. Non è vero.

Problema 1: I test nucleari

Intorno all’anno 1960 nell’atmosfera terrestre sono stati eseguiti test di bombe nucleari. Questi hanno prodotto un notevole numero di neutroni. Questi neutroni hanno reagito con nuclei di azoto 14 e li hanno trasformati in nuclei di carbonio 14. Il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera è raddoppiato.

Il grafico mostra che la concentrazione di C14 nell’atmosfera dal 1955 al 1963 – 1965 è raddoppiato.

1962: Accordo USA – Unione Sovietica a non eseguire più test nucleari nell’atmosfera. I picchi di concentrazione di carbonio 14 sono ritardati rispetto alla cessazione degli esperimenti. Ovviamente a causa di un ritardo nella distribuzione sul globo intero. Significa però che localmente le concentrazioni erano più alte.

La curva mostra deviazioni da un andamento esponenziale probabilmente a cause di esplosioni nucleari nell’atmosfera da parte della Francia nel 1974 e da parte della Cina nel 1980. Ma forse erano quantitativamente insignificanti rispetto alle 2044 esplosioni precedenti.

Il contenuto di carbonio 14 nell’atmosfera, che si trova integralmente nell’anidride carbonica, decade con una tempistica che ha niente a che fare con il decadimento radioattivo del carbonio 14. La diminuzione della concentrazione dell’anidride carbonica nell’atmosfera è causata dalla fotosintesi delle piante e dalla solubilizzazione nell’acqua.

Nei testi di climatologia che parlano dell’effetto serra causato dall’anidride carbonica si trovano valori sull’eliminazione dell’anidride carbonica dall’atmosfera estremamente discrepanti. Vanno da 10 a 100 anni di emivita. L’immissione artificiale di carbonio 14 nell’atmosfera tramite esplosioni nucleari, ha fornito i dati necessari per la determinazione della permanenza dell’anidride carbonica nell’atmosfera.

Risultato 1:

L’anidride carbonica nell’atmosfera ha un’emivita di 20 anni. L’incertezza di questo valore è dell’ordine di grandezza di un anno.

Risultato 2:

La formazione dell’equilibrio del contenuto di anidride carbonica tra l’emisfero nord e l’emisfero sud richiede circa due anni.

Risultato 3:

Il metodo C14 fa riferimento a BP (Before Present, si intende prima del 1950). Per campioni dopo il 1950 il metodo non potrà essere usato per diecine di migliaia di anni. I valore diventano ambigui.

Problema 2: La variazione dei raggi cosmici

Il campo magnetico del sole fa una parziale deviazione dei raggi cosmici. Quando il campo magnetico solare è debole, la terra è esposta di più ai raggi cosmici. L’aumento dei raggi cosmici fa aumentare la concentrazione del carbonio 14 nell’atmosfera.

Il grafico è rovescio. Sull’ordinata i valori più alti si trovano in basso. Il valore storicamente più alto (prima degli esperimenti nucleari dell’uomo) si trova alla fine del minimo di Maunder. L’aumento del circa 2% non corrisponde all’aumento dell’intensità della radiazione cosmica. Il motivo: La radiazione cosmica ad energia altissima non viene deviata dal campo magnetico solare. Ma è quella che produce più neutroni, che sono la causa della nascita del carbonio 14. Per gli acceleratori vale la regola che i neutroni vengono prodotti in misura di un neutrone ogni 25 MeV di energia del proiettile incidente.

La variazione di concentrazione del carbonio 14 causata dalla variazione della radiazione cosmica è modesta ed è possibile correggerla. Con l’aiuto di altri metodi di datazione è stata costruita una curva per la correzione dei dati:

Problema 3: La variazione del contenuto di C14 nelle piante

Le piante assorbono l’anidride carbonica dall’atmosfera, ma sono selettive per il carbonio 14 in maniera disuguale. Le bestie sono selettive nel mangiare le piante. Conseguenza: Il contenuto di carbonio 14 negli esseri viventi corrisponde al contenuto di C14 nell’anidride carbonica nell’atmosfera solo con approssimazione. Questo allarga le tolleranze nella determinazione dell’età con il metodo C14.

Problema 4: Il carbonio 14 che non proviene dalla vita

Rocce su base silice non sono mai state vive. Rocce calcaree, carbone fossile o petrolio sono nati da depositi di esseri viventi diecine o centinaia di anni fa. Tutti questi materiali non dovrebbero contenere carbonio 14. Eppure il carbonio 14, in concentrazione minima, è presente.

L’origine del carbonio 14 in questi materiali non può essere nell’anidride carbonica dell’atmosfera. Ci sono altre reazioni nucleari che l’hanno creato:

  • Radiazione cosmica non fermata dall’atmosfera
  • Fissione spontanea dell’uranio 238, dell’uranio 235 e del torio 232. Dopo ogni fissione nascono neutroni che possono trasformare azoto 14 in carbonio 14.
  • Bombardamento di elementi leggeri con particelle alfa. Le sorgenti di neutroni più classiche nei laboratori sono fatte da radio e berillio.

Nuclei che fanno decadimenti alfa sono presenti in natura: Uranio 238, uranio 235, torio 232 e le catene di decadimenti che nascono da questi.

Come determinare l’età di un oggetto con il C14

Se il contenuto di carbonio 14 nella materia vivente ha un rapporto fisso con il carbonio 12, e se dopo la vita il rapporto tra le concentrazioni di C14 e C12 diminuisce in maniera esponenziale (emivita del carbonio 14: 5568 anni), basta determinare questo rapporto per sapere quando un materiale ha smesso di partecipare al metabolismo della vita.

In Wikipedia c’era la notizia: Si usa un contatore Geiger e si misura la radioattività di una sostanza e si calcola l’età. Qualcuno diceva anche appoggio un contatore Geiger sulle pagine di un libro e dico l’età del libo. Sbagliato, così non va proprio.

Il metodo radioattivo

Nella trasformazione del nucleo del carbonio 14 in un nucleo di azoto 14 si libera un’energia di 667,474 keV. La trasformazione, un decadimento beta meno, avviene con l’emissione di un elettrone e un antineutrino. Per la creazione dell’elettrone servono 510,999 keV. Il resto dell’energia, 156,475 keV, si divide in energia cinetica dell’elettrone e dell’antineutrino. La divisione è casuale, cioè l’elettrone può muoversi con un’energia cinetica che va da zero a 156,475 keV. L’energia media degli elettroni è 49,47 keV. A queste energie gli elettroni non penetrano un bel niente (1,5 mm in aria). In materiali come l’alluminio fanno percorsi dell’ordine di grandezza del micron. Non è possibile fare finestre per i contatori che facciano passare questi elettroni. Con un normale contatore Geiger si vede niente.

La radioattività dei campioni è bassa. Un campione di carbonio del 1950, appena uscito dal ciclo della vita, ha una radioattività del carbonio 14 di 14 decadimenti al minuto per grammo. Un campione di materiale vecchio, al limite del metodo, è circa mille volte meno radioattivo.

Per vedere qualcosa ci vogliono campioni grandi, per materiale recente qualche grammo. Per materiale vecchio di più. Il problema con i campioni è che gli elettroni del decadimento beta non escono dal campione. Si fermano prima.

Per vedere qualcosa occorre mettere il campione dentro il contatore, in distribuzione molecolare. Si usano due tipi di contatore: uno, riempito di gas con un filo elettrico al centro, usato come “contatore proporzionale” (un contatore Geiger fa la stessa altezza di impulso per ogni energia di particella, in un contatore proporzionale l’impulso elettrico è proporzionale all’energia della particella), l’altro riempito con uno scintillatore liquido, che produce lampi di luce proporzionali all’energia delle particelle. Questi lampi di luce microscopici vengono percepiti da opportuni sensori di luce, per esempio da fotomoltiplicatori.

Gli elettroni che sono sotto la soglia (in questo caso 156,475 keV) non sono distinguibili da elettroni che vengono da altri decadimenti nucleari. Questo rende necessario lavorare con strumentazione e in ambienti con bassissima attività di fondo. In reazioni che producono anche raggi gamma distinguere le reazioni è molto più facile: I raggi gamma sono monoenergetici e un sensore ad alta risoluzione li distingue benissimo. Ma il decadimento beta del carbonio 14 avviene senza emissione successiva di raggi gamma.

Il metodo spettrometria di massa

Il metodo radioattivo è stato usato per la determinazione dell’età dei materiali nei primi decenni . Dopo è stato sostituito. Invece di contare i nuclei che decadono, misurando gli elettroni prodotti, si contano tutti i nuclei di carbonio 14 prima che facciano un decadimento radioattivo. Il metodo è la spettroscopia di massa. Il carbonio va portato alla forma di gas e ionizzato. Gli ioni di carbonio vanno accelerati con un campo elettrico. Il raggio di carbonio poi va in un magnete. Il campo magnetico curva le traiettorie. Nuclei con una massa maggiore fanno un raggio di curvatura maggiore. Così si dividono i nuclei di C12 da quelli di C14 e si contano. Per materiale fresco il rapporto è uno su mille miliardi. Il limite del metodo è un po’ prima di uno su un milione di miliardi.

Per il metodo radioattivo ci vogliono campioni di qualche grammo, per la spettroscopia di massa basta qualche milligrammo.

Elmar Pfletschinger

SCORIE NUCLEARI 1 – i fenomeni

28 giugno 2010 47 commenti

Questo articolo si occupa unicamente delle scorie ad alta radioattività (HLW, High Level Waste), che sono gli elementi di combustibile esauriti dei reattori nucleari.

Sono da distinguere due gruppi di elementi radioattivi nel combustibile esaurito:

  • Prodotti di fissione
  • Transuranici

Prodotti di fissione

Nella fissione nucleare i nuclei di uranio 235, plutonio 239 o uranio 233 (attualmente non in uso, nasce dal torio 232) si spezzano in due in maniera caotica. Nascono oltre 80 nuclei diversi con masse da 73 a 159 unità atomiche. Questi nuclei contengono troppi neutroni per essere stabili. Al loro interno quindi i neutroni di troppo si trasformano in protoni, con l’emissione di un elettrone e un antineutrino, questi nuclei fanno un decadimento beta per ogni neutrone di troppo, fino a circa otto. Il tipo di radioattività dei prodotti di fissione, cioè dei frammenti, è di tipo beta meno. Con un’eccezione: Capita che all’inizio di questa catena di decadimenti un nucleo che nasce è talmente eccitato che può emettere un neutrone. Ci vuole un’energia di eccitazione da 8 MeV in su. Ma questo dopo tre secondi dalla fissione è finito. Questi “neutroni ritardati”, che sono lo 0,6% dei neutroni creati dalle fissioni, non si trovano nelle scorie, ma sono essenziali per il controllo dei reattori nucleari. Reattori nucleari diventano critici solo con i neutroni ritardati. Questo li distingue da una bomba, che è critica senza neutroni ritardati e fa quindi una reazione a catena veloce.

I decadimenti beta di solito non portano allo stato fondamentale del nucleo figlio, ma a livelli eccitati, che decadono con l’emissione di raggi gamma in livelli più bassi.

L’energia degli elettroni dai decadimenti beta e l’energia dei raggi gamma successivi fanno incirca il 5% della potenza di un reattore nucleare. Questo 5% di potenza resta attivo anche quando si spegne il reattore. L’elevatissima radioattività beta e gamma del combustibile nucleare esaurito rende necessario un raffreddamento prolungato dopo l’estrazione dal reattore. Il combustibile esaurito va raffreddato in vasche di acqua per 6 mesi. Quest’acqua contiene acido borico, che assorbe neutroni per evitare che possano ancora nascere reazioni di fissione a catena.

Circa il tre percento dell’energia prodotta dalla fissione nucleare va via con gli antineutrini dei decadimenti beta. Per una centrale di 1 Gigawatt elettrica questo è qualcosa come 100 000 kW. Non si conosce alcuna conseguenza di questa radiazione di antineutrini. Tentativi di spiegare l’aumentata frequenza di leucemie infantili nella vicinanza dei reattori con l’emissione degli antineutrini falliscono. Le reazioni indotte (sarebbe il fosforo nelle ossa) succedono con una frequenza totalmente trascurabile.

In un incidente nucleare come quello di Cernobyl si trovano nell’ambiente anche gli elementi beta instabili di vita breve come lo iodio 131, con una semivita di 8 giorni. Causa tumori alla tiroide.

Per le scorie nucleari dobbiamo preoccuparci dei nuclei beta-instabili di media longevità. Ci sono due che sono importanti:

  • Il Cesio 137
  • Lo stronzio 90

Il cesio nasce nel 6,337 % dei casi di fissione dell’uranio 235. Una delle percentuali più alte. Ha una semivita di 30,23 anni. Questo significa che tra 300 anni possiamo finire di preoccuparci. Fa raggi beta e gamma di alta energia. Il cesio 137 attualmente è la maggior causa di pericolo intorno a Cernobyl. Dopo l’incidente di Cernobyl l’inquinamento medio da cesio 137 in Germania era da 2000 a 4000 Becquerel al metro quadro (1 Becquerel = 1 decadimento nucleare al secondo). Il cesio è chimicamente simile al potassio. Va dappertutto, soprattutto nei muscoli. Il corpo se ne libera con una semivita di 70 giorni (semivita biologica). Dopo due anni non c’è più.

Lo stronzio 90 nasce nel 5,835% delle fissioni dell’uranio 235. Fa due decadimenti beta con successivi decadimenti gamma. I decadimenti gamma sono trascurabili, i decadimenti beta sono robusti. Un grammo di stronzio 90 sviluppa 0,94 W di energia termica e può essere usato per generatori termici di energia elettrica. E’ chimicamente simile al calcio. I corpo lo mette nell’osso invece del calcio. Lo preferisce, tanto che lo stronzio naturale, non radioattivo (soprattutto Sr 88) viene usato con successo nella terapia dell’osteoporosi.

Prima degli esperimenti e incidenti nucleari le ossa non erano radioattive. La radioattività naturale del corpo umano, causata soprattutto dal potassio 40 (4000 decadimenti al secondo in un corpo umano) non si trovava nelle ossa. Non contengono potassio. All’interno delle ossa c’è il midollo, che produce sangue. Tempo fa questo era protetto dalla radioattività, l’osso faceva da schermo e non era radioattivo. Era. Adesso non è più così. Tutti hanno stronzio 90 nelle ossa. La conseguenza: Tumori ossei e leucemie sono aumentati.

Non ci sono frammenti di fissione con semivite da 100 fino a 200 000 anni. Ce ne sono con semivite più lunghe, ma quelli preoccupano poco.

Transuranici

I transuranici sono il vero problema di stoccaggio a lungo termine per i reattori all’uranio 235 e al plutonio 239. Il problema è praticamente assente nei reattori al torio 232.

I transuranici nascono da reazioni con neutroni sia dell’uranio 235 sia dell’uranio 238. L’uranio 235, dopo l’assorbimento di un neutrone termico, cioè lento, si rompe in due, fa una fissione nell’82% dei casi. Nel 18% dei casi l’uranio 236 che nasce dall’assorbimento del neutrone non si spacca, ma emette radiazione gamma, liberandosi dall’energia di eccitazione. Nel suo stato fondamentale l’uranio 236 è radioattivo, decade con l’emissione di una particella alfa con una semivita di 23 milioni di anni in torio 232. All’interno del reattori, esposto a un intenso flusso di neutroni l’uranio 236 si trasforma in uranio 237, che è decisamente instabile. Con una semivita di 6,75 giorni, con l’emissione di un elettrone e un antineutrino, cioè un decadimento beta meno, si trasforma in nettunio 237.

Il nettunio 237 è uno dei transuranici più pericolosi. Ha una semivita di 2,144 milioni di anni. Il nettunio fa facilmente ioni molto solubili, migra, va dappertutto. Se andasse nell’acqua potabile sarebbe causa di tumori al fegato, ai reni e altro.

Il problema dei transuranici è molto più accentuato di quello causato dai frammenti di fissione. Perché?

I transuranici per i quali il nettunio è un esempio, ma che sono tanti, sono tutti radioattivi. Il modo dominante di decadimento è l’emissione di una particella alfa. L’energia della particelle alfa, tipicamente intorno ai 5 MeV, è molto più alta di quello dei decadimenti beta, tipicamente intorno a un MeV. Se ingeriti, i nuclei con decadimenti alfa sono fisiologicamente molto più pericolosi. Per la valutazione del danno biologico (nella trasformazione dai Gray ai Sievert) la loro energia va moltiplicata con un fattore di 20. Poi sono tutti quanti capostipiti di lunghe catene di decadimenti, prevalentemente di tipo alfa. La catena dei decadimenti del nettunio 237 si presenta così, gli altri transuranici si comportano in maniera simile:

Np 237 → Pa 233 + alfa + 4,7 MeV    (Pa = Protattinio)    semivita 2 144 000 anni

Pa 233 → U 233 + elettrone + antineutrino + 0,6 Mev    semivita 27 giorni

U 233  → Th 229 + alfa + 4,7 MeV                                            semivita 159 200 anni

Th 229 → Ra 225 + alfa + 4,6 MeV (Ra = Radio)                  semivita 75 400 anni

Ra 225 → Ac 225 + elettrone + antineutrino + 0,4 MeV semivita 14,8 giorni

Ac 225 → Fr 221 + alfa + 5,83 MeV                                          semivita 10,0 giorni

Fr 221 → At 217 + alfa + 6,34 MeV                                          semivita 4,9 minuti

At 217 → Bi 213 + alfa + 7,07 MeV                                          semivita 32,3 millisecondi

Bi 213 → Po 213 + elettroni + antineutrino + 1,3 Mev     semivita 45,59 minuti

Po 213 → Pb 209 + alfa + 8,38 MeV                                        semivita 4,2 microsecondi

Pb 209 → Bi 209 + elettrone + antineutrino + 0,6 MeV  semivita 3,253 ore

Bi 209 → è stabile

I decadimenti sono normalmente accompagnati da emissioni gamma robuste.

Si può concludere che un atomo transuranico è biologicamente circa 500 volte più pericoloso di un frammento di fissione.

Il nettunio 237 resta di concentrazione effettivamente invariata nelle scorie nucleari per un milione di anni. Quello che sparisce per decadimento viene reintegrato dal decadimento alfa dell’americio 241, un altro transuranico presente nelle scorie.

Il decadimento alfa del nettunio 237 però non è l’unico modo di trasformazione. L’altro modo, e questo è comune a tutti i transuranici: Fissione spontanea. Il nucleo si spezza in due in maniera spontanea. L’energia liberata è incirca 5 volte superiore a quella di tutti gli altri decadimenti dello stesso nucleo insieme. La fissione spontanea è seguito da un’emissione di due o tre neutroni e da una quindicina di decadimenti beta con successiva forte emissioni di raggi gamma. I neutroni sono difficilmente schermabili e rendono l’ambiente radioattivo. La pericolosità biologica della fissioni spontanea è circa 10 volte superiore a quella degli altri decadimenti insieme.

La maggior parte dei transuranici nasce dopo l’assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238. L’uranio 238 con un neutrone termico non è fissile, diventa uranio 239. L’uranio 239 fa un decadimento beta meno con una semivita di 23,5 minuti e diventa nettunio 239. Questo fa un altro decadimento beta meno e diventa plutonio 239. Semivita del nettunio 239: 2,335 giorni.

Il plutonio 239 è fissile. Può essere usato in reattori nucleari e in bombe a fissione (la bomba che ha distrutto Nagasaki era al plutonio 239). I reattori attuali ricavano circa il 40% della loro potenza dalla fissione del plutonio 239.

Sono stati concepiti reattori che producono più plutonio 239 di quello che consumano. Sono chiamati “reattori autofertilizzanti”. A Grenoble erano in funzione due reattori di questo tipo, il Phoenix e il Superphoenix. Sono stati spenti a causa di pericolosità eccessiva. La Germania ha costruito uno: Il “Kalkar”, che non è stato acceso. Un tribunale l’ha proibito a causa di pericolosità eccessiva.

Il plutonio 239 è un nucleo fissile abbastanza cattivo. Fa la fissione solo in circa due terzi dei casi di assorbimento di un neutrone termico. Un terzo diventa plutonio 240. Questo è un potente veleno per i reattori. Assorbe neutroni senza fare fissioni. Rovina il bilancio di neutroni. L’accumulo di plutonio 240 nei reattori determina la fine dell’utilizzo degli elementi combustibile. Non è l’esaurimento del uranio 235. Negli elementi di combustibile nucleare esauriti c’è ancora più del 20% dell’uranio 235 iniziale, che non è più utilizzabile a causa della presenza del plutonio 240.

Ci sono reattori che servono per la produzione di plutonio 239 a scopi militari, per bombe a fissione. In questo caso il contenuto di plutonio 240 dev’essere basso, altrimenti le bombe non funzionano. Si espone l’uranio 238 al flusso dei neutroni in nel reattore solo per un tempo breve per evitare la formazione del plutonio 240. Le bombe nucleari a bordo di sommergibili sono di plutonio 239 molto puro. Sono quelli che danneggiano di meno le persone a bordo.

Normalmente il plutonio negli elementi di combustibile nucleare esauriti non è usabile per la costruzione di bombe. E’ troppo avvelenato. Questo è importante per la non proliferazione delle armi nucleari. Ma non tiene all’infinito. Il Plutonio 240 ha la vita più breve del plutonio 239. Tra migliaia di anni il plutonio troppo avvelenato diventa usabile per bombe nucleari. Basta una separazione chimica.

Il plutonio chimicamente è simile al calcio e viene depositato nelle ossa. Lì resta e fa danni. Soprattutto leucemie e tumori ossei.

Elmar Pfletschinger

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