Heavy Milk of MagnesiaL'idrossido di magnesio ha formula Mg(OH)2 ed è una sostanza solida che si dissocia in ossido di Magnesio ( MgO) ed acqua (H2O) a partire dai 300 °C circa. L'idrossido di magnesio si trova in natura ed è chiamato brucite ed é usato anche come sostanza medicinale. La sospensione in acqua della polvere dell'idrossido di magnesio si chiama latte di magnesia perché ha l'apparenza di un latte bianco e lo si ingerisce per combattere l'acidità di stomaco. Ovviamente l'idrossido di magnesio non è assolutamente tossico.Il suo peso atomico è di 58.3 ; questo perché il magnesio, che ha numero atomico 12, è una miscela di tre isotopi stabili ossia il 24 con percentuale del 78.99%, il 25 con percentuale del 10.00% e il 26 con percentuale dell 11.01%. La sezione microscopica di assorbimento termico del magnesio è molto piccola ossia 0.066 barn. Un barn corrisponde all'area di 10−24 cm2 ossia di 10−28 m2. I tre isotopi del magnesio hanno sezioni d'urto diverse ossia il 24Mg ha σa = 0.053 barn; il 25Mg ha σa =0.201 barn; il 26Mg ha σa = 0.038 barn ( il magnesio naturale ha dunque σa = 0.066 barn ). In via ipotetica, riuscendo ad eliminare l'isotopo di peso atomico 25 con processi di separazione isotopica si riuscirebbe ad ottenere un magnesio catturante praticamente la metà di quello naturale. Il processo però da applicare, se fosse economicamente proponibile, sarebbe quello di produrre un magnesio leggero ossia composto dal solo isotopo 24 perché in questo caso anche la rara cattura di uno o addirittura di ben due neutroni non renderebbe radioattivo il magnesio stesso. Da notare che l'isotopo artificiale 27Mg prodotto dalla cattura di un neutrone da parte del 26Mg decade con una emivita brevissima di soli 9.45 minuti ovvero una qualsiasi massa di 27Mg si trasmuta ovvero decade per la metà in soli 547 secondi e quindi il magnesio naturale, irraggiato, perde grossa parte della sua radioattività in poche ore. Notare che il 27Mg decade emettendo un raggio β− ( un normale elettrone ) e si trasforma in 27Al ossia nell'alluminio naturale che, a sua volta, cattura pochissimo i neutroni perché ha una σa di soli 0.230 barn. Per capire quanto detto in seguito bisogna possedere alcune nozioni elementari di neutronica. Per attutire ovvero schermare una data radiazione, in particolare un flusso di neutroni che si muovono come un gas a temperatura ambiente supponiamo di realizzare una parete che divida in due lo spazio ( tecnicamente si parla di una parete infinita ossia di una slab ). Siccome il materiale della parete assorbe la radiazione ecco che dall'altra parte della parete ( a valle della parete ) il flusso di neutroni sarà minore del flusso a monte. Quale è la legge con cui si attenua la radiazione ? E' la seguente: n(x) = n(0)·e−Σa·x dove e = 2.718281828459045 rappresenta la costante di Eulero, n(0) è la densità dei neutroni a monte della slab ed n(x) è la densità dei neutroni a valle della slab ovvero parete, se la parete è spessa x ( metri o centimetri a seconda dell'unità di misura usata). Dunque l'attenuazione della radiazione dipende molto dalla Σa che si chiama sigma macroscopica. La sigma macroscopica ha, dimensionalmente, le dimensioni dell'inverso di una lunghezza, ( cm o m ) perché l'esponente della funzione esponenziale deve essere un numero puro ed ovviamente lo spessore della parete rappresenta una lunghezza. In un reattore nucleare a canali, come il CIRENE, queste nozioni sono importanti perché la radiazione neutronica ( il flusso neutronico ) prodotto da un canale ( i neutroni prodotti dalla fissione del combustibile ) può andare a generare fissioni nel canale stesso, dopo essere stata moderata ossia rallentata dal moderatore, oppure può andare a fare fissioni in un canale adiacente. Ma per arrivare al combustibile del canale adiacente deve attraversare il moderatore ovvero il materiale che, se fosse perfetto, rallenterebbe i neutroni ma senza assorbirli. Ma non esiste, in natura, un materiale che non assorbe neutroni e dunque parte dei neutroni vengono catturati. L'acqua naturale è un ottimo moderatore ma l'idrogeno di cui è fatta è un isotopo piuttosto assorbente e quindi, l'acqua naturale va bene come moderatore tra barrette molto vicine ma assorbe troppo se i canali sono tra loro distanti decine di cm come nel CIRENE. Per questo, nel CIRENE e nei reattori canadesi CANDU, molto simili al CIRENE, si usa acqua pesante ossia acqua fatta con l'isotopo pesante dell'idrogeno, solitamente chiamato deuterio. Qualche numero: per 1H la σa = 0.332 barn mentre per 2H altrimenti detto D, la σa = 0.00051 barn ossia è quasi tre ordini di grandezza inferiore. Il deuterio ossia l'idrogeno pesante rallenta meno dell'idrogeno leggero e quindi per rallentare i neutroni che nascono velocissimi da una fissione ma che, per farne una altra devono andare lenti, quasi alla velocità di agitazione termica dei gas, bisogna usare molto più deuterio che idrogeno leggero ossia i canali del CIRENE debbono essere distanziati alquanto per permettere ai neutroni veloci di fare molti urti e di diventare termici e rientrare nel canale nativo o in un canale adiacente a fare una nuova fissione e continuare la reazione a catena. Per calcolare la Σa di una sostanza bisogna conoscere la sua formula chimica e la sua densità e naturalmente le varie σa degli isotopi presenti nella formula chimica. Ad esempio l'acqua può essere di tre tipi ossia H2O oppure HDO oppure D2O ma ad essere pignoli, dato che l'ossigeno ha tre isotopi stabili ossia 16O, 17O e 18O in realtà esistono ben nove tipi distinti di acqua. Il fatto è che queste nove acque sono in natura mescolate in una maniera difficilissima da modificare e dunque all'acqua naturale si può attribuire una sezione d'urto microscopica di assorbimento media e dunque, nota la densità dell'acqua, una sezione d'urto macroscopica media da usarsi nella formula citata per calcolare l'attenuazione della radiazione neutronica. Prima di proseguire riporto le sigma microscopiche dei tre isotopi dell'ossigeno e dell'unico isotopo stabile del fluoro perché verranno utili nelle considerazioni successive. Per l' 16O la σa vale 0.00019 barn, Per l' 17O la σa vale 0.00054 barn, per l' 18O la σa vale 0.00016 barn ed infine per il fluoro ossia l' 19F σa vale 0.0095 barn. Dunque il fluoro assorbe più di un ordine di grandezza di qualsiasi isotopo dell'ossigeno ma comunque tutti, complessivamente, assorbono molto poco e molto meno dell'idrogeno leggero che, ripeto, ha una σa di 0.333 barn. Notare che, in termini comparativi anche l'idrogeno leggero assorbe pochissimo perché, a titolo orientativo l'uranio leggero, quello fissile ossia l' 235U ha una σa complessiva di 680 barn! A questo punto occorre disporre della formula che consente di calcolare la sezione d'urto macroscopica di un dato composto essendo note la sua formula o miscela di formule e la densità del materiale stesso. La formula che occorre richiede vari passi: calcolare la densità molare della molecola e quindi, nota la sezione d'urto microscopica molecolare ottenuta sommando le sezioni d'urto microscopiche dei singoli atomi nella molecola, calcolare la sezione d'urto macroscopica molecolare moltiplicando la sezione d'urto microscopica molecolare per la densità molare della molecola. In formule si ha:
Tra i dati che servono per calcolare la Σa mancano le densità dei materiali. Dai dati disponibili su internet estraiamo la densità dell'acqua pesante ossia D2O ovvero ρ = 1.106 [ g/cm3 ]; la densità del magnesio Mg ossia ρ = 1.738 [ g/cm3 ]; la densità dell'ossido di magnesio MgO ossia ρ = 3.58 [ g/cm3 ]; la densità dell'idrossido di magnesio naturale Mg(OH)2 ossia ρ = 2.38 [ g/cm3 ]; la densità del fluoruro di magnesio MgF2 ossia ρ = 3.15 [ g/cm3 ] In letteratura ovviamente non è reperibile la densità dell'idrossido pesante di magnesio ossia con i due atomi di idrogeno leggero sostituiti da due atomi di idrogeno pesante ovvero deuterio. Dato che, per quanto riguarda i pesi atomici, possiamo assumere, con buona approssimazione 1 per l'idrogeno leggero, 2 per il deuterio, 16 per l'ossigeno, 19 per il fluoro e 24.3 per il magnesio dove conta la presenza in natura degli isotopi 25 e 26, si vede che l'idrossido leggero di magnesio ha peso molecolare M = 24.3 + 32 + 2 = 58.3 mentre l'idrossido pesante di magnesio ha peso molecolare M = 24.3 + 32 + 4 = 60.3 ossia dovrebbe essere più pesante del 3.43% e dunque la sua densità dovrebbe essere ρ = 2.462 [ g/cm3 ]. Per le altre molecole interessanti, l'acqua leggera ossia normale ha peso molecolare M = 18, quella pesante invece ha M = 20, l'ossido di magnesio ha M = 24.3 + 16 = 40.3 mentre il fluoruro di magnesio ha M = 24.3 + 38 = 62.3. A questo punto siamo in grado di calcolare le sezioni d'urto macroscopiche delle varie molecole di interesse e di confrontare l'idrossido di magnesio con l'acqua leggera e con l'acqua pesante. Acqua leggeraSezione d'urto macroscopica di assorbimento Σa = 0.022 [cm−1].Acqua pesanteSezione d'urto macroscopica di assorbimento Σa = 0.000 [cm−1].MagnesioSezione d'urto macroscopica di assorbimento Σa = 0.0028 [cm−1].Ossido di magnesioSezione d'urto macroscopica di assorbimento Σa = 0.0035 [cm−1].Idrossido pesante di magnesioSezione d'urto macroscopica di assorbimento Σa = 0.0016 [cm−1].Fluoruro di magnesioSezione d'urto macroscopica di assorbimento Σa = 0.0025 [cm−1].Da quanto si legge sopra, si deduce che, tra i materiali strutturali il fluoruro di magnesio è migliore del magnesio stesso perché ha una sezione di assorbimento minore ed oltretutto non è infiammabile. Ancora migliore risulta essere l'idrossido pesante di magnesio che però, contenendo deuterio, oltre ad assorbire poco i neutroni ha la proprietà di rallentarli ossia di termalizzarli. La densità di deuterio nell'idrossido pesante di magnesio vale 0.163 [ g/cm3 ] mentre nell'acqua pesante la densità di deuterio vale 0.221 [ g/cm3 ] e dunque nell'idrossido pesante di magnesio le proprietà moderanti sono lo 73.7 % di quelle dell'acqua pesante. Si tratta di una riduzione che può essere significativa per rendere un reticolo di canali, spaziato per ottimizzare l'efficacia del moderatore, la D2O, parzialmente svuotato per i 3/4 dalla D2O. In queste condizioni l'acqua leggera usata come refrigerante, pur essendo, per sua natura un leggero assorbitore di neutroni comincia a svolgere anche una sempre più importante funzione di moderatore integrativo. Dunque, oltre un certo limite l'incremento di reattività dovuto alla migliore moderazione prevalgono sul decremento di reattività causato dal fatto che l'acqua naturale è un debole assorbitore. In altre parole la variazione di reattività per mancanza di refrigerante, che nel CIRENE classico è pericolosamente positiva diventa, usando una appropriata miscela di acqua pesante, idrossido pesante di magnesio e fluoruro di magnesio... negativa senza bisogno di intervenire sulla geometria del nocciolo ossia senza bisogno di diminuire il quantitativo di acqua pesante rendendo più piccolo il passo del reticolo dei canali. In conclusione è teoricamente possibile rendere intrinsecamente sicuro il reattore CIRENE costruito a Latina semplicemente riempendo lo spazio esistente tra i canali non di sola acqua pesante ma di una opportuna miscela di acqua pesante, fluoruro di magnesio e idrossido pesante di magnesio. Naturalmente, per determinare l'esatta miscela e calcolare anche l'arricchimento del combustibile necessario a compensare il calo di reattività causato dal non usare solo acqua pesante pura occorre effettuare calcoli di cella che sarebbero fattibili anche usando il codice pensato decenni fa da Bonalumi, Palazzi e Pierini ossia il codice PROCELLA [ THE PROCELLA METHOD FOR HEAVY WATER LATTICES. Creator/Author, Bonalumi, R. ; Palazzi, F. ; Pierini, G. Publication Date, 1968 Jan 01 ] Conclusioni e proposteAnalogamente a quanto propongono i canadesi con il loro progetto di CANDU avanzato ( ACR-700 e ACR-1000 dove 700 o 1000 è la potenza elettrica generabile dal nocciolo ossia 700 MWe o 1000 MWe a seconda della configurazione ) in cui nei canali fluisce acqua leggera pressurizzata e non acqua pesante pressurizzata, è possibile ottenere anche per il CIRENE un coefficiente di reattività per svuotamento dei canali NEGATIVO ossia rendere il CIRENE INTRINSECAMENTE SICURO. Imitando quanto fanno i canadesi che agiscono riducendo il passo quadrato del reticolo ossia usando canali più vicini tra loro basterebbe fare esattamente lo stesso anche nel CIRENE che però ormai è stato realizzato e tenuto in naftalina a Latina. Per diminuire il quantitativo di D2O del nocciolo la mia prima idea è stata quella di introdurre dei tubi vuoti e sigillati in zirconio. Si sarebbe trattato solo di calcolare il diametro di questi tubi cavi posti all'incrocio delle celle tra i canali ( dove al centro di ogni cella passa il tubo del canale contenente il combustibile ). Incidentalmente, questi tubi vuoti potrebbero avere una funzione di smorzamento dell'onda d'urto in caso del più grave degli incidenti ipotizzabile ossia lo scoppio di un canale. Interponendosi, seppure parzialmente, i tubi cavi potrebbero impedire che lo scoppio di un canale danneggi i canali adiacenti provocando lo scoppio a catena di diversi canali.Il prof. Riccardo Bonalumi, da me consultato via posta elettronica in Canada ha però notato che la presenza di vuoti nel nocciolo è fonte di rischi ed ha proposto l'uso di tubi massicci di zirconio, piuttosto che di alluminio. A questo punto, consultando le fonti in mio possesso [ ISBN 0849304865: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 86th Edition - David R Lide Editor], mi è venuto in mente di usare il magnesio, come nei reattori Magnox inglesi ma essendo il magnesio infiammabile ho subito pensato all'ossido di magnesio prima e al fluoruro di magnesio poi. Passare dall'ossido all'idrossido pesante di magnesio è stato un passo naturale e logico. A mio parere, dunque, sarebbe ragionevole trasformare il CIRENE in un reattore intrinsecamente sicuro e questa trasformazione non sarebbe fine a se stessa ossia un tentativo di rendere produttivo un piccolo reattore di soli 40 MWe ma avrebbe obbiettivi molto più ambiziosi. Si tratterebbe di pensare a includere il concetto del CIRENE tra i reattori di quarta generazione. Il brutto dei reattori a tubi, come il CANDU e il CIRENE è che si prestano alla proliferazione ossia alla produzione illegale di plutonio. Dato che il reattore è costituito da una grande vasca attraversata da tubi in pressione ma dato che l'acqua pesante nella vasca non è in pressione ecco che risulta facile inserire tubi per far circolare una soluzione di uranio naturale o impoverito che, in presenza dell'intenso flusso neutronico, si trasforma in plutonio. Tenendo costantemente pulito dal plutanio l'uranio che circola in questi tubi illegali, ecco che il plutonio può venire estratto a ciclo continuo ed è plutonio dell'isotopo 239 non degradato da plutonio 240 o 241 o 242. In altre parole è il plutonio ideale per fare bombe atomiche. L'aspetto bello dei reattori a tubi sarebbe però il fatto che è relativamente facile sostituire i tubi dopo 10 o 20 o 30 anni di funzionamento e conseguente irraggiamento. Dunque è possibile puntare ad un REATTORE ETERNO perché costantemente ringiovanito dalla sostituzione delle parti usurate dalla radiazione neutronica. Le parti in cemento armato... quelle... possono resistere centinaia di anni separando per secoli il mondo potenzialmente radioattivo dal mondo esterno, adatto ai viventi. Questo fatto della lunga durata degli investimenti potrebbe cambiare completamente l'ottica di realizzazione dell'intera centrale. Il grande contenitore ( magari doppio come nell' EPR ) fatto per durare centinaia di anni, potrebbe essere progettato per essere ancora più robusto, molto più del millenario Pantheon di Roma che, vagamente, assomiglia al contenitore di una centrale nucleare ( a parte il buco in cima alla volta ). Dunque un CIRENE di quarta generazione dovrebbe essere un reattore dall'eterna giovinezza e ... pensato per rendere più difficili operazioni illegali. L'usare un moderatore solido invece che la semplice D2O renderebbe più facilmente scopribile una manipolazione volta ad introdurre nel nocciolo uranio impoverito in modo da produrre plutonio adatto all'uso bellico. La struttura solida del moderatore proteggerebbe reciprocamente i canali dallo scoppio di uno di essi causato dall'alta pressione del refrigerante. Insomma ... un nuovo concetto di reattore intrinsecamente sicuro. Certo le mie sono ipotesi che andrebbero maggiormente meditate, approfondite e sostenute da precisi calcoli neutronici e strutturali. Tuttavia l'idea di un CIRENE di quarta generazione, intrinsecamente sicuro, redditizio ed eterno mi affascina. Cosa ne dite, a voi no ? Amike Giampaolo Bottoni Riferimenti ipertestualiit.wikipedia.org/wiki/Bruciteen.wikipedia.org/wiki/Magnesium_hydroxide it.wikipedia.org/wiki/Ossido_di_magnesio en.wikipedia.org/wiki/Magnesium_fluoride it.wikipedia.org/wiki/Magnesio it.wikipedia.org/wiki/Acqua_pesante http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=4506560 THE PROCELLA METHOD FOR HEAVY WATER LATTICES http://www.osti.gov/energycitations/searchresults.jsp?Author='Bonalumi,%20R.' http://www.osti.gov/energycitations/searchresults.jsp?Author='Palazzi,%20F.' http://www.osti.gov/energycitations/searchresults.jsp?Author='Pierini,%20G.' |