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Fukushima11-30 marzo 2011
una primavera senza hanamy
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enry moore nuclear energy
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fuku
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Sept 10
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Preators
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Tutti i reattori sono progettati per resistere asismi previsti su basi storicheesaminati dopo il terremoto Miyagi del 1978(accelerazione 122 Gal per 30 s) non hannopatito danni
nel 2008 la resistenza sismica è stata portata adaccelerazioni fra 441 e 489 Gal, a seconda delleunità
la centrale è protetta dai tsunami da un muroverso il mare alto 5,7 m
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Giappone
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Energia elettronucleare in Giappone(dati 2009)
reattori in rete 54potenza intallata 47,5 GWeenergia prodotta 263 TWhfrazione necleare 29,2 %
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il terremoto e lo tsumaniAlle 14.46 (ora locale) dell’11 marzo un terremoto dimagnitudine 9 MMS con epicentro in mare a 130 kmdalla città di Sendai sulla costa orientale dell’isoladi Honshu- energia liberata 1,9 × 1017 J, come 45.000 bombe su Hiroshima- accelerazione 29,33 Gal- tsunami con onde alte fino a 29,6 mIl terremoto ha avuto un precursore il 9 marzo(magnitudo 7,2 MMS)e finora è stato seguito da oltre 850 scosse superiori a4,5 MMS.
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terr1
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Map trmt
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Pterr 22
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Ultins trm
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Energia sissma
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Tsunami avis
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Tsunami 2
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Reator titul
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impianto
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atomo
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Bohr 1913
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atomo
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- il nucleo degli atomi è piccolissimo raggio del nucleo/raggio atomo ~ 10-5
- il nucleo ha carica elettrica positiva, a bilanciare quella negativa degli elettroni- il nucleo è composto da due tipi di particelle molto simili a parte la carica elettrica, i nucleoni: * protone, carico positivamente * neutrone, neutrodeve esistere una forza fra i nucleoniestremamente intensa da compattarli in uno spaziopiccolissimo vincendo la repulsione elettrostaticadei protoni – la forza nucleare
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- una specie atomica (elemento) è individuata dal numero di elettroni – quindi di protoni- uno stesso elemento si presenta con un numero varibile di neutroni – gli isotopi- per distinguere gli isotopi si precisa oltre al nome o simbolo dell’elemento il numero totale di nucleoni presenti nel nucleo isotopi differenti dello stesso elemento hanno lestesse proprietà chimiche, ma possono avere enormidifferenze fisiche
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Uranio naturale Z=92tre isotopi
U-238 99,2745% T1/2 4,468 109 anni
U-235 0,72% T1/2 7,038 108 anni
U-234 0,0055% T1/2 2,455 105 anni
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decadimento
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fissione
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Hahn e Lise
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Reazioni di fissione
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sorpresa!
è l’uranio-235 [l’isotopo raro] a subirefissione
Niels Bohr, primavera 1939
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energia fissione
combustione di un atomo di carbonio 4,2 eVesplosione molecola TNT 11 eVradioattività alfa 4 MeVreazioni di fusione 20 MeVfissione uranio-235 200 MeV
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L’elettronvolt eV è l’unità d’energiaper i fenomeni atomici e nucleariè estremamente piccola per il mondoordinario1 eV equivale a 1,6 × 10-19 jouleo a 3,822 × 10-20 calorie
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Pavee
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il numero di atomi in una massa didimensioni ordinarie è enorme
ci sono 2,58 × 1024 atomi in 1 kg diuranio
“accene più di millanta che tuttanotte canta”
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Energia dalla fissione di 1 kg diuranio-235
E = 2,58 × 1024 atomi × 200 MeV = 2,58×1024 × 200×106 × 1,6×10-19 J = 8,256×1013 J ~ 20 GWh ~ 18 kton
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una centrale elettronucleareda 1GWe “brucia” l’uraniolentamente: bastanocirca 47 mg di uranio-235 al secondo,~1,3 t all’annoper produrre annualmente ~ 26 TWh
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Il fattore 20 milioni
- quantità minime di combustibile- quantità minime di scorie⇒ limitati trasporti di materiale
- enorme concentrazione di potenza ⇒ problemi di sicurezza ⇒ alti costi d’impianto ⇒ personale altamente qualificato
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Confronto quantità
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un reattore da 1GWe “brucia”circa 47 mg di uranio-235 al secondo,ossia ci sono 1,21×1020 fissioni al secondoe servono 1,21×1020 neutroni liberi alsecondonon esiste modo di fornirli dall’esternovengono generati nel combustibilepoiché la reazione procede “a catena”
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fermi
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reazione a catena
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Condizioni per una reazione a catena
• in ogni fissione deve venir generato più di un neutrone• i neutroni devono interagire con i nuclei fissili; anche se questi materiali sono molto densi, gli atomi sono quasi tutti vuoti e i neutroni possono sfuggire senza trovare nuclei fissili sul loro cammino• a seguito dell’interazione devono produrre fissione e non processi alternativi• i neutroni non devono venir assorbiti da impurità
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Il parametro caratteristico della reazione acatena è il fattore k di moltiplicazione deineutroni:k = rapporto fra il numero di neutroni nellagenerazione corrente e quello nellagenerazione precedentek < 1 condizione sottocritica
la reazione a catena si spegnek = 1 condizione critica la reazione a catena si mantienek > 1 condizione supercritica
la reazione a catena cresce fuori controllo
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visuale dei neutroni nell’uranio
- il raggio dei nuclei è ~ 12 fm- la densità dell’uranio è ~ 19 g/cc- il numero di nuclei di uranio per cc è ~ 4,9 1022
- la distanza fra nuclei è ~ 2,7 10-10 m
~22 000 volte il raggio del nucleo
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Visuale neutroni
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Processi alternativinell’interazione neutrone-uranio
• diffusione elastica• diffusione con perdita di energia• assorbimento senza fissione• reazioni nucleari
- ogni processo avviene con una precisa probabilità- le probabilità dipendono dall’energia del neutrone
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Neutroni veloci e neutroni termici
• i neutroni emessi nella fissione sono “veloci” - energia media 2 MeV - velocità media 20 000 km/s
• neutroni “termici” hanno l’energia dell’agitazione alla temperatura ambiente - energia media 0,025 eV - velocità media < 2 km/s
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probabilità
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energia n 1943
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onde
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sigma
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termalizzare i neutroni
- diffondere i neutroni da nuclei leggeri: idrogeno, deuterio, carbonio- ridurre al minimo l’assorbimento- inserire l’uranio in un moderatore: acqua / acqua pesante/ grafite struttura di molti metri cubi- aspettare che avvengano gli urti necessari: 18 con idrogeno, 31 con deuterio, 118 con carbonio; 40 µs di intervallo fra due interazioni successive con uranio
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A catena
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il fattore tempo e la bomba
- un neutrone impiega tipicamente 0,01µs a interagire con un nucleo- dopo 40 generazioni (0,4 µs) l’energia prodotta diventa enorme e il materiale si riscalda a ~40 ×106 °C e tende a sublimare e a disperdersi a ~106 m/s- un’espansione di pochi centimetri basta a diminuire la densità sotto il limite critico e a spegnere la reazione a catena- del borraggio attorno all’uranio rallenta l’espansione- la catena deve avvenire entro ~0,5µs
non c’è tempo per termalizzare i neutroni
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evoluzione
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le via della bomba
- neutroni veloci senza moderatore- bassa frequenza di fissioni- bassa efficienza- materiale estremamente arricchito in uranio-235 (uranio militare arricchito a oltre il 90%)- dimensioni compatte- reazione veloce libera- esplosione della bomba
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centrifuga
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centrifuga
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meccanismi di detonazione
- l’ordigno deve rimanere inerte e sicuro fino all’innesco della reazione a catena (fattore di moltiplicazione k inferiore a 1)- l’innesco deve creare in tempi rapidissimi le condizioni per una reazione a catena divergente (fattore di moltiplicazione k superiore a 2)- occorre introdurre un fiotto di neutroni alle condizioni ottimali- va evitata una predetonazione- va impedita la dispersione dell’esplosivo prima della fissione della quantità necessaria per un dato effetto
tempo utile di innesco < 0,4ms
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moebius
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la via del reattore
neutroni termici con un moderatore- alta frequenza di fissioni- alta efficienza- uranio naturale o poco arricchito (LEU< 5%)- reazione lenta e controllata- il calore prodotto estratto da un refrigerante- grandi dimensioni- produzione di energia elettrica in una centrale termica- una reazione nucleare esplosiva è impossibile
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I reattori naturali di Oklo (Gabon)
- 1950 milioni di anni fa- 17 reattori naturali intermittenti per oltre 150000 anni
- consumate fra 5 e 6 tonnellate di uranio- generati 500 gigajoule di energia (come un reattore nucleare da 1000 MWe in circa 5 anni)
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oklo1
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nei reattori la reazione deve mantenersi in modocontrollato, né spegnersi, né, soprattutto, divergere
la condizione k = 1 è instabile e richiederebbecontinui delicati aggiustamenti- rischioso e inaccettabile da ogni buon ingegnere
- i reattori “salvati” dai neutroni ritardatilo 0,65% dei neutroni sono emessi dopo ~10 s
- si può operare in condizione sottocritica lasciando ai neutroni ritardati il compito di mantenere la reazione a catena
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equilibrio
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fattore intriseco di sicurezza
se la reazione inizia a divergere (k > 1)o viene meno il refrigerante- l’uranio-238 si riscalda e cresce l’agitazione termica delle molecole- l’assorbimento risonante di neutroni avviene non solo per energie “speciali” ma per ampi valori di energia (effetto Doppler)- la reazione a catena tende a spegnarsi
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dal nocciolo alla rete
la struttura logica di un impianto elettronucleare
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elementi strutturali di una centralenucleare
- nocciolo ove si sviluppa la reazione a catena e si produce calore- sistema di estrazione del calore- schermatura per contenere le radiazioni- sistemi di regolazione della potenza mediante controllo della reazione a catena- materiali che riflettano all’interno i neutroni che raggiungono le pareti- vasca per gli elementi di combustibile esausto
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schemanucleo
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generazioni
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Tipo di reattori sigla combustibile moderatore refrigerante
Reattori ad acquapressurizzata
PWR LEU UO2 acqua acqua
Reattori ad acqua bollente BWR LEU UO2 acqua acqua
Reattori raffreddati a gas Magnox U naturalemetallico
grafite CO2
CANDU PHWR UO2 naturale acquapesante
acquapesante
Reattori ad acqua e grafite RBMK LEU UO2 grafite acqua
Reattori a neutroni veloci FBR UO2 PuO2 nessuno sodioliquido
Tipi di impianti elettronucleari in operazione
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fattore intriseco di sicurezza dei reattori moderati erefrigerati ad acqua o acqua pesante: reazione negativa fra reattività e vapore
se la reazione inizia a divergere (k > 1)o viene meno il raffreddamento- l’acqua del moderatore si riscalda ed evapora- il vapore non è in grado di moderare i neutroni- la reazione a catena si spegne
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Elementi di combustibile
- pastiglie di ossido di uranio UO2 ceramiche 1 cm diametro e 1,5 cm lunghezza - barre di combustibile lunghe alcuni metri in un tubo di zirconio permeabile ai neutroni e resistente alla corrosione - nei reattori ad acqua rifornimento a reattore spento solitamente ogni 2 anni - nei reattori a grafite o acqua pesante ogni elemento estraibile indipendentemente
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combustibile
- ossido di uranio leggermente arricchito~ 2,5% per i BWR~ 4,5% per i PWR
- MOX miscela di ossidi di uranio naturale o impoverito con ~ 5% di plutonio
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ciclo
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storage
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Plutonio
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Plutonio
![Page 78: Fukushima 11-30 marzo 2011 una primavera senza hanamypascolin/fusione/fuku1.pdf · Giappone. Energia elettronucleare in Giappone (dati 2009) reattori in rete 54 potenza intallata](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070112/605535f477186e2a6243a681/html5/thumbnails/78.jpg)
Reattori ad acqua in pressione (PWR)
- originati per reattori navali - due circuiti di refrigerante separati - 150-250 elementi di combustibile composti da 200-300 barre per 80-100 t di uranio - temperatura dell’acqua ~325 C - pressione dell’acqua 150 atmosfere - nocciolo alto 15 m e diametro 5 m
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PWR
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Reattori ad acqua bollente (BWR)
- unico circuito di raffreddamento primario - l’acqua bollendo genera il vapore per le turbine - temperatura dell’acqua ~285 °C - pressione dell’acqua ~75 atmosfere - nocciolo alto ~20 m e diametro 6 m - 750 elementi di combustibile di 90-100 barre carico totale 165 t di combustibile - vapore nella parte superiore del reattore viene essicato prima di uscire dal “vessel”
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BWR
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reattore
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nucleo
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nucleoBWR
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barra
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Elementi combustibile
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Modulo comb
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Sezione nocciolo
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Schema BWR
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Autoregolazione dei BWR
- la parte superiore degli elementi di combustibile è immersa in una miscela bifase acqua-vapore che riduce l’effetto di moderazione dei neutroni e la densità di potenza - autoregolazione: si può variare la potenza senza agire sulle barre di controllo aumentando o riducedo il flusso d’acqua in modo da variare il livello della parte in acqua del combustibile e quindi la frequenza delle reazioni
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Sistemi di raffreddamento
In condizioni operative normali operano duesistemi di raffreddamento:- il sistema primario introduce acqua a bassa temperatura nel nocciolo a mantenere costante il livello e compensare il vapore generato che viene estratto per far girare le turbine;- il sistema secondario raffredda il vapore all’uscita dalle turbine condensandolo in acqua che viene ripompata nel nocciolo;il calore residuo del circuito secondario vienedisperso in mare o in torri di raffreddamento.
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BWRmarkI
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cicloacqua
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A reazione spenta
La refrigerazione del nocciolo deve continuareanche a reattore spento:la radioattività del combustibile, dei prodotti difissione e del materiale attivato dai neutroniproduce caloreil reattore conserva una potenza residua, che allospegnimento raggiunge tipicamente il 6% dellapotenza d’esercizio, per ridursi nel giro di qualchegiorno ai valori minimi della configurazione di“spegnimento freddo”, se la refrigerazione continuaregolarmente.
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Decay heat
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Rischi del riscaldamento del nocciolo
- l’acqua evapora scoprendo le barre - lo zirconio reagisce col vapore producendo idrogeno - l’idrogeno in presenza di ossigeno libero può incendiarsi o esplodere - le barre possono perdere la protezione e liberare sostanze radioattive - le barre in parte o in toto possono fondere liberando radiazione e danneggiando gli schermi di contenimento
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disastro1
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disastro2
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deposizione degli elementi dicombustibile esausto
- le barre di combustibile esausto calde e radioattive vengono estratte dall’alto con gru mantenendole immerse in acqua - sono riposte in cisterne di acqua sopra il reattore - rimangono immerse in acqua borata di livello molte volte la loro lunghezza - le barre vengono conservate in strutture rigide a distanze adeguate a impedire il raggiungimento di condizioni di criticità
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Problemi nelle vasche delcombustibile esausto
- in mancanza di raffreddamento evapora parte dell’acqua di copertura- a temperature sopra ~ 300 °C si innesca la reazione del zirconio con l’acqua producendo ossido di zirconio e idrogeno- l’idrogeno può incendiarsi in aria e produrre esplosioni- materiale radioattivo dalle barre si diffonde nell’ambiente
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caorso
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vasca
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reattore
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Pierot