thesis

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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.!
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Riccardo Cocci,!
a.s. 2013/2014!
Liceo Scientifico Keplero, Roma.!
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2. 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.!
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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.!
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3. 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
criterio di trasformazione
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

4. 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.!

5. 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:!
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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

6. 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. !
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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.!
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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

7. 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.!
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!!!!!!!!!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.