Quattro reattori nucleari e principi di sicurezza
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Quattro reattori nucleari e principi di sicurezza

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Presentazione del prof Walter Ambrosini sull'energia nucleare. una panoramica delle tecnologie di reattori, del costo e approvvigionamento dell'uranio, delle scorie e della radioattività.

Presentazione del prof Walter Ambrosini sull'energia nucleare. una panoramica delle tecnologie di reattori, del costo e approvvigionamento dell'uranio, delle scorie e della radioattività.

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Quattro reattori nucleari e principi di sicurezza Presentation Transcript

  • 1. Università di Pisa Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione Le quattro generazioni di reattori nucleari e i loro principi di sicurezza Walter Ambrosini Professore Associato nel s.s.d. “Impianti Nucleari” presso l’Università di Pisa CRONOBIE 08 Bologna, 21 Novembre 2008
  • 2. SOMMARIO • Energia dai nuclei • I reattori nucleari • I principali tipi di reattori • Filosofia di sicurezza • L’energia da fissione oggi • Temi frequentemente dibattuti • Prospettive future • Un tocco artistico ed uno di poesia…
  • 3. ENERGIA DAI NUCLEI Alcune tappe storiche importanti 1896: scoperta della radioattività (Becquerel) 1898: Pierre e Marie Curie isolano il Radio 1905: teoria speciale della relatività di Einstein 1911: modello atomico di Rutherford 1913: modello atomico di Bohr 1926: sviluppo della meccanica quantistica (Schrödinger) 1932: scoperta del neutrone (Chadwick) 1934: scoperta della radioattività artificiale (Joliot-Curie) 1938: scoperta della fissione (Hahn e Strassmann)
  • 4. ENERGIA DAI NUCLEI La fissione e la reazione a catena • La fissione è una reazione nucleare, cioè che coinvolge i nuclei degli atomi • Nella fissione, un nucleo pesante (ad es., uranio) si scinde in due nuclei più leggeri, emettendo 2 o tre neutroni E = ∆mc 2 • Poiché la massa dei prodotti di reazione è inferiore a quella del nucleo iniziale e del neutrone incidente, si ha produzione di energia (circa 200 MeV)
  • 5. ENERGIA DAI NUCLEI La fissione e la reazione a catena • La fissione produce nuclei più leggeri diversi che vengono detti “prodotti di fissione” • Essi posseggono l’80% dell’energia prodotta dalla fissione sotto forma di energia cinetica • Tale energia cinetica viene trasformata in calore quando i prodotti di fissione interagiscono con il materiale circostante • I prodotti di fissione sono radioattivi; emettono quindi radiazioni che a loro volta lasciano parte della loro energia nel materiale sotto forma di calore LA FISSIONE PUÒ ESSERE QUINDI USATA PER PRODURRE CALORE
  • 6. ENERGIA DAI NUCLEI La fissione e la reazione a catena • Poiché la fissione produce anche neutroni, questi possono a loro volta “fissionare” altri nuclei di uranio e così via, producendo una “reazione a catena” che può autosostenersi
  • 7. I REATTORI NUCLEARI La “pila” di Fermi • Il 2 Dicembre 1942, in un campo di “squash” di Chicago, il primo reattore nucleare del mondo raggiunse la criticità (v. in seguito) • Il premio Nobel Enrico Fermi, fuggito negli Stati Uniti dall’Italia fascista, era il leader del progetto Arthur Compton sintetizzò l’avvenimento dicendo: • In quel memorabile pomeriggio la “…il navigatore italiano “pila” di Fermi, denominata CP-1, funzionò per circa 4.5 minuti alla Mondo” è appena sbarcato nel Nuovo potenza di 1.5 Watt
  • 8. I REATTORI NUCLEARI La “pila” di Fermi • Quel giorno il gruppo di Fermi riuscì ad ottenere per la prima volta una reazione di fissione a catena con elementi di uranio sparsi in una matrice di grafite • Questo permette di rilasciare quantità di energia enormi – combustibili fossili: ∼ 5×107 J/kg – combustione dell’idrogeno: 1.4×108 J/kg – fissione dell’U235: 8×1013 J/kg • La possibilità di controllare la reazione a catena è legata al fatto che i neutroni vengono prodotti come; – “neutroni pronti” (quasi immediatamente) – “neutroni ritardati” ⇒ sono pochi ma hanno un ruolo chiave!!!
  • 9. I REATTORI NUCLEARI Il flusso di materiali coinvolto In Francia, i rifiuti nucleari sono circa lo 0.3% del totale prodotto dall’industria, meno di un 1 kg per abitante all’anno, di cui 900 g a bassa attività (Special Issue di “les défis du CEA”, Radioactive Waste, July 2005) (Dal testo di Ian Hore-Lacy citato in calce) Moltiplicando per circa 106 si ottengono i valori per una centrale da 1000 MWe (8760 GWh)
  • 10. I REATTORI NUCLEARI Come funziona un reattore a fissione In un reattore nucleare a fissione sono presenti materiali che permettono lo stabilirsi della reazione a catena: • materiali “fissili”, cioè che fissionano con i neutroni: U235, Pu239, U233 • materiali di controllo, che assorbono neutroni: B, leghe Ag-In-Cd • moderatori, che rallentano i neutroni perché possano più facilmente reagire con il materiale fissile: H2O, D2O, Grafite • materiali “fertili”, che catturando neutroni si trasformano in fissili U238 +n→ Np239 → Pu239 Th232 +n→Pa233 → U233 • materiali strutturali, necessari a mantenere in posizione le varie parti (acciaio, leghe di zirconio, ecc.)
  • 11. I REATTORI NUCLEARI Come funziona un reattore a fissione • Nel reattore si deve realizzare l’equilibrio tra: 2.5 – neutroni prodotti dalle fissioni Supercritical Reactor – neutroni perduti attraverso la superficie esterna del reattore Critical Reactor Dimensionless Power 2 – neutroni catturati dai materiali presenti (fissili e non) Subcritical Reactor 1.5 • Il fattore di moltiplicazione effettivo, Keff, è il rapporto tra i neutroni di una “generazione” e quelli della generazione precedente 1 – se Keff > 1, il numero di neutroni cresce: reattore sopracritico – se Keff = 1, il numero di neutroni resta costante: reattore critico 0.5 – se Keff < 1, il numero di neutroni diminuisce: reattore sottocritico 0 • Nei reattori nucleari, in condizioni stazionarie, si deve avere Keff = 1, come Fermi riuscì ad ottenere nella “pila200 0 50 100 150 ” Dimensionless Time
  • 12. I REATTORI NUCLEARI Come funziona un reattore a fissione • Per realizzare questo equilibrio, generalmente, si varia la quantità di materiale assorbitore di neutroni presente nel reattore, ad esempio muovendo le barre di controllo più assorbimento meno assorbimento
  • 13. I REATTORI NUCLEARI Come funziona un reattore a fissione • Il numero di neutroni e, quindi, di fissioni prodotte in un secondo determina la potenza prodotta dal reattore • Anche dopo lo spegnimento della reazione a catena, viene prodotto calore di decadimento dei prodotti di fissione che deve essere asportato per evitare surriscaldamenti • Anche dopo lo SCRAM (tutte le barre dentro!) il reattore deve essere raffreddato • Questo comporta la necessità di avere sistemi di refrigerazione a lungo termine (Residual Heat Removal)
  • 14. I PRINCIPALI TIPI DI REATTORI ELETTRICITÀ DALLA FISSIONE • Visto che la fissione produce calore, le centrali nucleari non differiscono molto da quelle convenzionali: – al posto della caldaia c’è il “nocciolo” contenente elementi di combustibile, barre di controllo, refrigerante, ecc. – è necessario avere un circuito utilizzatore contenente una turbina ed un alternatore • Ciononostante, per il fatto di contenere materiale radioattivo, le centrali nucleari furono sin dall’inizio progettate con criteri diversi LA SICUREZZA È STATA FIN DALL’INIZIO IL FATTORE PIÙ IMPORTANTE
  • 15. I PRINCIPALI TIPI DI REATTORI Generazioni di Reattori
  • 16. I PRINCIPALI TIPI DI REATTORI ATTUALMENTE IN FUNZIONE BWR PWR CANDU AGR LMFBR RBMK VVER
  • 17. I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO Alcune tra le Proposte Recenti ATTUALI AP1000 EPR FUTURI ADS IRIS
  • 18. I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione: Obiettivi (1)
  • 19. I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione: Obiettivi (2)
  • 20. I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione • Si tratta di sei progetti attualmente allo studio, dai quali verranno selezionati i reattori da dispiegare nel 2020 – 2030 – un reattore autofertilizzante refrigerato a gas (GCFR); – un reattore a gas ad alta temperatura (VHGTR); – un reattore (termico o veloce) ad acqua supercritica (SCWR); – un reattore veloce refrigerato a sodio (SCFR); – un reattore veloce refrigerato a piombo (LFR); – un reattore con spettro epiternico refrigerato a sali fusi (MSR). • Questi progetti, che sono attualmente oggetto di studio e ricerca in tutto il mondo, sono in varia misura promettenti solo in quanto basati sulla tecnologia attuale
  • 21. I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione: Reattori
  • 22. FILOSOFIA DI SICUREZZA Obiettivi della progettazione dei reattori • Una regola d’oro nella progettazione dei reattori dice che in un nocciolo si può produrre pressoché qualunque potenza si voglia, ma si deve essere in grado di estrarla in sicurezza • Il progetto di un reattore è allora finalizzato a garantire una estrazione efficiente e sicura della potenza prodotta dalla fissione – progetto meccanico dei componenti per sopportare i carichi previsti – progetto termoidraulico del reattore e dei circuiti per garantire che non vengano superati i limiti di temperatura previsti – progetto neutronico del reattore per ottimizzare la distribuzione della potenza prodotta • In ogni Paese, sono disponibili norme e linee guida per poter rilasciare la licenza di esercizio (“licensing”) ai reattori nucleari, norme che comprendono anche specifici “criteri di progetto”
  • 23. FILOSOFIA DI SICUREZZA Progettare in Sicurezza Difesa in Profondità 1. Progettare per il massimo di sicurezza in condizioni normali con elevati margini di tolleranza per i possibili malfunzionamenti QUALITÀ, RIDONDANZA, ISPEZIONABILITÀ, TESTABILITÀ, SICUREZZA INTRINSECA, DIVERSIFICAZIONE 2. Assumere che gli incidenti possano accadere nonostante la cura adottata nel progetto, nella costruzione e nell’esercizio INTRODURRE SALVAGUARDIE PER FRONTEGGIARE GUASTI (ECCS, POTENZA “OFF” e “ON-SITE”, SCRAM RIDONDANTE) 3. Introdurre sistemi di sicurezza aggiuntivi basati sulla valutazione di incidenti ipotetici, nei quali avvenga il guasto simultaneo dei sistemi di protezione SALVAGUARDIE AGGIUNTIVE PER FRONTEGGIARE GLI INCIDENTI DI BASE DI PROGETTO
  • 24. FILOSOFIA DI SICUREZZA Progettare in Sicurezza Barriere Multiple La fuoriuscita di materiale radioattivo viene prevenuta da barriere fisiche: • il combustibile • l’incamiciatura • il circuito in pressione del reattore • il sistema di contenimento
  • 25. FILOSOFIA DI SICUREZZA La Localizzazione degli Impianti Nucleari • La scelta del sito su cui costruire un reattore può avere importanti conseguenze nel caso di possibili incidenti ed è anche rilevante per la distribuzione dell’energia elettrica • Si devono considerare i seguenti aspetti: – la densità di popolazione: • area di esclusione • zona a bassa densità di popolazione – la meteorologia del sito: • la distribuzione dei venti ha influenza sulle conseguenze di un incidente • la possibilità che si verifichino piene o trombe d’aria deve essere considerata – le caratteristiche sismiche della regione (definizione dei TRA e TRB) – la rete stradale – la disponibilità di un pozzo di calore (fiume o mare)
  • 26. FILOSOFIA DI SICUREZZA Incidenti Considerati nel Progetto • Il principio di “difesa in profondità” richiede che vengano definiti incidenti possibili ma, generalmente, altamente improbabili da prendere a riferimento nel progetto del reattore • Viene definito un vasto spettro di incidenti; grossolanamente, si considerano due categorie: – Incidenti di Perdita di Refrigerante (LOCAs) • anche quando la reazione a catena è spenta il calore di decadimento deve essere asportato, altrimenti il combustibile si riscalda e fonde • si considerano diversi tipi di rottura dalle piccole perdite alla rottura a ghigliottina della tubazione di più grosso, diametro • per fronteggiare questi eventi vengono introdotti nell’impianto sistemi di refrigerazione di emergenza (ECCS) – Incidenti di Reattività • essi vengono evitati progettando noccioli intrinsecamente stabili • si utilizzano anche sistemi multipli di spegnimento della razione a catena (barre, boro liquido)
  • 27. FILOSOFIA DI SICUREZZA Early Fatalities according to WASH-1400 Analisi della Sicurezza • Il “Rischio” derivante da un’attività industriale è definito come il numero di “conseguenze” attese per unità di tempo NUREG-1150  consequences  System B  System C  System D System E  consequences  System A events  = frequency  unit time  × magnitude  ofevent Risk   Failure a    unit time    Complex System • In campo nucleare vengono normalmente Pusate tecniche di analisi di sicurezza allo scopo di valutare ed ottimizzare il livello E1 PD1 di sicurezza raggiunto in Succeeds un dato impianto POR E2 – alberi degli eventi: per identificare la probabilitàPdi scenari incidentali Probabilities of Initiating E3 PC1 – alberi dei guasti:Event valutare la probabilitD2 of guasto dei vari sistemi per Failure di Pà each individual Failure of PE4 PA Subsystem A Subsystem B • Tra gli studi svolti per valutare la sicurezza dei reattori scenario si ricorda: PE5 – il WASH-1400 (1974) commissionato dall’Autorità di sicurezza degli AND Stati Uniti al Prof. Norman Rasmussen del MIT PE6 PD3 Fails P – il NUREG-1150 (1990) che Bha analizzato in dettaglio il rischio dovuto PE7 a 5 reattori negli Stati Uniti Failure of Failure of PC2 Subsystem D Subsystem C PD4 PE8 • Questi studi hanno mostrato che i reattori nucleari danno luogo a rischi che sono ben al di sotto di quelli coinvolti in molte altre attività umane
  • 28. FILOSOFIA DI SICUREZZA La radioprotezione • Siamo quotidianamente esposti alle radiazioni presenti in natura, dovute a: – radionuclidi presenti nella crosta terrestre (e.g., K40, Rb87, Th232, U238) – raggi cosmici – radionuclidi nel corpo umano Radiation Sources [mSv/yr] Natural sources • 2.0 Indoor Radon • 0.28 Terrestrial radiation • 0.27 Valori Annuali Cosmic rays • 0.39 Radionuclides in the body 3.0 Total natural (rounded) Medical sources • 0.39 Diagnostic X-rays • 0.14 Medical treatments Consumer products 0.1 (building materials and water supply) Nuclear fuel cycle 0.0005 Total (rounded) 3.6 Data reported by D.Bodansky, Nuclear Energy – Principles, Practices and Perspectives, American Institute of Physics Press, New York, 1996 Applicable for USA in the years 1980 - 1982
  • 29. FILOSOFIA DI SICUREZZA La radioprotezione • Organizzazioni nazionali ed internazionali (ad es., la ICRP) deliberano gli “standards” per la protezione contro le radiazioni ionizzanti • In generale, i principi adottati per la protezione dalle radiazioni sonoipotesi molto conservativa adottata in radioprotezione è Un’ tre: quella detta di “linear no threshold (LNT)giustificata senza che ne – nessuna esposizione deliberata a radiazioni è ” secondo la quale provenga un beneficio non esisterebbe una soglia inferiore al danno da radiazioni e il GIUSTIFICAZIONE – tutte le esposizioni devono essere ridotte al popolazioni ed danno sarebbe cumulativo su intere minimo ragionevole (“as estrapolabile linearmente da quello osservato alla alte dosi low as reasonably achievable”) OTTIMIZZAZIONE (ALARA) SI TRATTA DI UN’IPOTESI ANCORA APPLICATA DALLE – in ogni caso le dosi non devono superare alcuni limiti stabiliti per i vari ORGANIZZAZIONI INTERNAZIONALI (ICRP) gruppi di popolazione: CHE COMINCIALIMITAZIONE CRITICATA AD ESSERE SI DEVONO RISPETTARE LE DOSI MASSIME AMMISSIBILI STABILITE PER POSSIBILE MANCANZA DI REALISMO DOSI ESTRAPOLANDO CONSERVATIVAMENTE GLI EFFETTI NOTI AD ALTE
  • 30. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Alcuni Dati 120 OPERATING REACTORS BY COUNTRY AND TYPE Data from ANS quot;Nuclear Newsquot;, March LGR 100 Updated at Dec. GCR LMFBR Total Number = 443 PHWR Number of Reactors 80 PWR BWR 60 40 20 0 A A M IL IA AACD EM EY Y S N A A IA A A A NAO S AN NND N IN NI IU AZ R AD IN LI AN NC AN AR NDI IRA PA ANI IC ND TA ANI SSI AK ENI RIC RE PAI DE AN WA AIN DO TE NT ME LG BR GA AN CH PUB NL RA RM NG A U E X L A IS M V AF KO S WE RL AI R G TA I UV JHM R AK RO E R LO LO LC FI T UK IN S G AR BE FE S ZE U RE T BU S TH TH LI HE P K ED GH S AR IT ED IT U OU H T W E C OS IT UN S E S N CZ UN
  • 31. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Alcuni Dati FORTHCOMING REACTORS BY COUNTRY AND TYPE 25 Data from ANS quot;Nuclear Newsquot;, March 2008 Updated at Dec. 2007 LGR 20 GCR Total Number = 61 LMFBR Number of Reactors PHWR 15 PWR BWR 10 5 0 SN Y M IL IA IC E YA E S A A A N AA AN A D N A DN N A A M A O IN N I IU AZ R A D IN BL AN NC AN A R DI RA PA NI IC ND TA NI SSI KI N I IC RE A I DE A N A A IN DO TE NT ME LG BR GA A N CH PU NL RA RM NG A UA EX LA IS MA U L AIW R I A VE FR O SP E IN A GT R LOV LO JH RT K E SW ZE LC E FI UK KIN D S M ER AK RO A G AR BE F E HU BU T S TH UTH LI R G R P S IT H D ITE A CH T UO E SW NE SO S IT UN ZE UN C
  • 32. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Alcuni Dati U.S. U.K. Ukraine Data from NEI - Year 2005 Switzerland Sweden Total World Share in 2005 = 16 % Spain South Africa Slovenia Slovakia Russia Romania Pakistan Netherlands Mexico Lithuania Korea Rep. Japan India Hungary Germany France Finland Czech RP China* Canada Bulgaria Brazil Belgium Armenia Argentina 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Share of Electricity Generated by Nuclear Reactors in Each Country [%]
  • 33. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Alcuni Dati POWER OF OPERATING REACTORS BY TYPE Total Installed Power = 376,341.2 MWe GCR LGR LMFBR 2.6% 3.0% 0.2% BWR PHWR 22.8% 6.7% PWR 64.7% Data from ANS quot;Nuclear Newsquot;, March 2008 Updated at Dec. 2007
  • 34. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Alcuni Dati NUMBER OF LICENSE RENEWALS IN USA Lifetimes extended up to 2029 - 2046 Total Number of Operating Reactors = 104 Balance, 25 Approved, 48 Expected Applications, 20 Applications Under Review, 11 Data from ANS quot;Nuclear Newsquot;, March 2008 Updated at Dec. 2007
  • 35. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Alcuni Dati World Net Electricity Generation by Type, 2004 Data from US DOE Energy Information Administration International Energy Annual 2005 Geothermal, Solar, Wind, and Wood and Waste, Nuclear, 341.45 TWh 2,615.01 TWh 2% 16% Hydroelectric 2,759.16 TWh Conventional Thermal, 17% 10,934.59 TWh 65%
  • 36. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Competitività Economica (http://www.world-nuclear.org/info/inf02.html)
  • 37. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Competitività Economica (http://www.world-nuclear.org/info/inf02.html)
  • 38. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Competitività Economica Contributi al Costo del kWh Nucleare Ciclo del Combustibile Esercizio e Manutenzione 20% (Decommissioning 1-5%) 20% Uranio 5% Conversione 1% Arricchimento 6% Fabbricazione 3% Attività di fine ciclo 5% Investimento 60% Dati Nuclear Energy Agency (http://www.nea.fr/html/pub/nuclearenergytoday/welcome.html)
  • 39. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Provenienza dell’Uranio (Dal testo di Ian Hore-Lacy citato in bibliografia) NB: Risorse stimate al prezzo di US$ 80/kg U – Dati OECD NEA & IAEA
  • 40. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Costo ed Abbondanza dell’Uranio (Dal testo di Ian Hore-Lacy citato in bibliografia) Deve essere chiaro che, essendo l’Uranio così diffuso in natura ed essendo il suo costo poco importante per quello del KWh, la sua disponibilità effettiva è elevatissima
  • 41. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Cosa sono le scorie • Il punto di forza del nucleare in relazione alle scorie prodotte sono le piccole quantità di massa coinvolte a parità di energia prodotta • Le scorie vengono prodotte dalla fissione nucleare e sono costituite da isotopi radioattivi la cui vita media può essere anche molto lunga (fino migliaia o centinaia di migliaia di anni) • In particolare: – le scorie ad alta attività, le sole di cui ci si debba seriamente preoccupare, costituiscono il 3% del volume totale e contengono il 95% della radioattività; – le scorie a media attività sono il 7% in volume e contengono il 4& della radioattività; – le scorie a bassa attività costituiscono il 90% in volume e l’1% in radioattività
  • 42. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI La quantità delle scorie • Una centrale da 1000 MWe produce annualmente scorie ad alta attività per un totale di circa 6-10 tonnellate, includendo la matrice vetrosa che le ingloba • Se prodotta con carbone, la stessa energia darebbe luogo a centinaia di migliaia di tonnellate di ceneri e milioni di tonnellate di CO2 • Una celebre immagine (reperibile su internet) mostra la quantità di scorie ad alta attività inglobate in matrice vetrosa che risulta dalla produzione dell’energia necessaria per sopperire al consumo energetico di una persona in un paese industrializzato per tutta la vita
  • 43. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Il trattamento delle scorie • Le scorie nucleari possono essere inglobate in matrice inerte (vetro, cemento) a sua volta inclusa in recipienti (ad esempio di acciaio inox) che vengono sepolti in formazioni geologiche stabili (sale o granito) • Un deposito di questo genere è attivo dal 1999 nel New Mexico ed accoglierà scorie fino al 2035 (Waste Isolation Pilot Plant) • Gli Stati Uniti stanno Installazioni mettendo a punto la in superficie repository “retrievable” di Yucca Mountain Tunnel di accesso • Molti Paesi impegnati nel nucleare stanno individuando 300 – 1000 m siti per la deposizione finale delle scorie Tunnel Zona di deposito • Il riprocessamento del Bentonite in profondità combustibile, il partizionamento e la Contenitore trasmutazione permetteranno delle scorie tempi di decadimento più brevi e lo sfruttamento del Pu
  • 44. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Gli incidenti effettivamente accaduti • I reattori nucleari funzionanti hanno totalizzato più di 12000 anni- reattore di funzionamento sicuro IN INGEGNERIA E’ SICURO SOLO CIO’ CHE HA PROVATO DI ESSERLO • I due incidenti più importanti che si sono presentati nei reattori nucleari sono quello di Three Miles Island-2 (1979) e quello di Chernobyl (1986) – nell’incidente TMI-2, a fronte di un danno elevatissimo all’impianto, non vi sono state conseguenze radiologiche, grazie alla presenza del sistema di contenimento – nell’incidente di Chernobyl, invece, le conseguenze sono state severe (circa 30 morti immediate, tumori alla tiroide osservati e conseguenze statistiche attese) a causa di • carenze nella progettazione (nessun contenimento, instabilità di funzionamento) • negligenza nella gestione dell’impianto (estrazione di troppe barre di controllo violando principi di base di sicurezza) • L’incidente di Chernobyl, che avrebbe dovuto mettere in discussione il nucleare sovietico, ha invece avuto risonanza in occidente, laddove i reattori sono fatti ben diversamente
  • 45. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Il nucleare pacifico e le applicazioni militari • Come per molte altre tecnologie, le applicazioni pacifiche sono venute dopo quelle militari • Il plutonio prodotto nei reattori PWR e BWR (la maggioranza) non può essere utilizzato per scopi militari perché contiene isotopi di numero di massa pari che rendono altamente inefficienti gli ordigni • La produzione di plutonio per scopi bellici è avvenuta utilizzando reattori specificamente progettati a questo scopo • I reattori di quarta generazione si propongono una resistenza la proliferazione anche maggiore e il plutonio da essi prodotto dovrà essere utilizzato per scopi pacifici • Anche in questo caso, le paure suscitate da questo dibattito sono sproporzionate: esistono modi ben più semplici di nuocere senza ricorrere al nucleare (armi chimiche, batteriologiche, ecc.)
  • 46. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Il nucleare e l’ambiente • L’energia nucleare non produce praticamente gas serra • Essa è quindi considerata da nuove correnti ambientaliste (v. James Lovelock, che ha proposto la teoria di Gaia) l’unica fonte che può permettere in tempi brevi di evitare il “global warming” – le fonti rinnovabili rappresentano un’alternativa in cui investire per il futuro, ma al momento sono poco efficienti e non possono produrre il “carico di base” – il nucleare “è pronto”, le tecnologie per farlo in sicurezza esistono e stiamo fronteggiando un periodo di rinascita – il mondo ha sempre più bisogno di energia per soddifare le esigenze di chi chiede sviluppo e benessere (Cina, India, Africa) – in combinazione con l’idrogeno potrebbe considerevolmente soppiantare i combustibili fossili • Non si tratta di essere “pro” o “contro” il nucleare: si tratta di riconoscere che l’energia nucleare ha un ruolo che può svolgere proprio adesso nel modo più efficace per rendere sostenibile lo sviluppo
  • 47. L’ENERGIA DA FISSIONE OGGI Studiare Ingegneria Nucleare • In Italia esistono 5 Atenei coinvolti nell’insegnamento dell’energia nucleare (Pisa, Roma, Palermo e i Politecnici di Milano e Torino) • I 5 atenei, tramite il Consorzio CIRTEN sono inseriti della European Nuclear Education Network che favorisce la mobilità Europea degli studenti e dei docenti • Al momento attuale vi è una grande carenza di ingegneri nucleari e si tenta affannosamente di colmare il gap • Le matricole di Ingegneria Nucleare e della Sicurezza e Protezione di quest’anno a Pisa sono raddoppiate: ma sono ancora poche!!!
  • 48. Per maggiori informazioni visitate il sito YouNuclear http://younuclear.ing.unipi.it
  • 49. PROSPETTIVE FUTURE • Siamo in un clima di rinascita del nucleare, dovuta all’alto costo dei combustibili fossili e alle preoccupazioni ambientali • Purtroppo le scelte politiche nel settore energetico non sono chiare e l’atteggiamento dell’opinione pubblica è spesso affetto dalla sindrome del NIMBY (“not-in-my-backyard”) • L’Italia oggi importa circa il 13-16% del suo fabbisogno elettrico da Paesi come la Francia e la Svizzera che producono energia per via nucleare • L’Europa produce un terzo dell’energia elettrica per via nucleare • E’ difficile fare previsioni in un clima in cui persino i rifiuti urbani sono un problema irrisolto • E’ comunque certo che l’energia nucleare svolgerà un ruolo importante nel futuro, permettendo la produzione di energia in maniera pulita e compatibile con l’ambiente
  • 50. Fonti e Letture Consigliate Ingegneria Nucleare e Sicurezza • D. Bodansky, “Nuclear Energy – Principles, Practices and Prospects”, American Institute of Physics, New York, 1996. • J.R. Lamarsh, A.J. Baratta, “Introduction to Nuclear Engineering”, 3rd Edition, Prentice Hall, New Jersey, 2001. • E.E. Lewis, “Nuclear Power Reactor Safety”, John Wiley and Sons, New York, 1977. • Nuclear News, ANS. • Radioactive Waste – management according to the law, Special Issue of “les défis du CEA”, July 2005. Prospettiva storica sulla nascita dell’era nucleare e nuovo ambientalismo • R. Rhodes, “The Making of the Atomic Bomb”, Touchstone, 1988. • G. Cravens “Power to Save the World”, A.A. Knopf, New York, 2007 • J. Lovelock, “The Revenge of Gaia: Earth's Climate Crisis and the Fate of Humanity”, Perseus Books Group • Ian Hore-Lacy, Nuclear Energy in the 21st Century, World Nuclear University Press Informazioni generali sull’energia nucleare e non-nucleare • www.world-nuclear.org , www.uraniumsa.org, www.iaea.org, www.eia.doe.gov, • www.nei.org/
  • 51. Un tocco artistico… Il sonno della ragione genera mostri (Goya)
  • 52. Un tocco di poesia… …Oh chispa loca, y extendiendo en vez de los infiernos vuelve los pasos de los frutos, desatados a tu mortaja, separando de tu cólera, entiérrate montañas, en vez de la amenaza en tus mantos enderezando ríos, de tu terrible claridad, Riassumendo,fecundando, il significato della poesiaentréganos è che minerales, vuelve a ser piedra la scoperta e l’uso dell’energia nucleare átomo, sebbene tu sobrecogedora ciega, desbordada rebeldía abbiano portato immenso dolore in tempo dilos cereales, para guerra, desoye a los bandidos, copa colabora cósmica, in tempo di pace possono portare immensi magnetismo tu benefici tú, con la vida, con la vuelve desencadenado agricultura, a la paz del racimo, para fundar la paz entre suplanta los motores, a la velocidad de la los hombres, eleva la energía,questi benefici è a, alegrí l’impegno di chiasí no será infierno Conseguire y oggi è coinvolto fecunda los planetas. vuelve al recinto tu luz deslumbradora, Ya no tienes ricerca e de la naturaleza, dei reattorisino felicidad, nella nello sviluppo nucleari secreto, ponte a nuestro servicio, matutina esperanza, camina y en vez de las cenizas contribución terrestre. entre los hombres mortales sin máscara de tu máscara, terrible, PABLO NERUDA apresurando el paso (dall’ “Ode all’Atomo”)
  • 53. Grazie per l’attenzione ! walter.ambrosini@ing.unipi.it
  • 54. Materiale aggiuntivo
  • 55. ENERGIA DAI NUCLEI La radioattività • I nuclei degli atomi possono essere “radioattivi”, cioè emettere “radiazioni” che sono di tre tipi: – particelle alfa (nuclei di He) – particelle beta (elettroni) – raggi gamma (radiazioni elettromagnetiche ad alta energia) • Il “potere penetrante” di queste radiazioni è diverso e dipende dal meccanismo di interazione con la materia (Linear Energy Transfer) • La radioattività, che esiste in Non era però ancora chiaro se e natura o può essere generata come si potesse utilizzare artificialmente, mostrò che i questa energia nuclei possono liberare energia
  • 56. PRINCIPALI TIPI DI REATTORI Elemento di combustibile di un PWR
  • 57. LA FUSIONE NUCLEARE Brevi Puntualizzazioni (1) • Anche la reazione nucleare che comporta la fusione di nuclei leggeri per formarne uno pesante produce calore 17.6 MeV • Nel giugno 2005, i partners del consorzio ITER hanno deciso di costruire un prototipo di tokamak a Cadarache, in Francia • Il prototipo è progettato per produrre 500 MW di potenza ed è ancora sperimentale; il primo plasma era inizialmente previsto per il 2016
  • 58. LA FUSIONE NUCLEARE Brevi Puntualizzazioni (2) • ITER sarà un Tokamak, una macchina in cui il deuterio ed il trizio costituiranno un plasma riscaldato a 100 milioni di gradi per produrre la fusione nucleare, confinato da potenti campi magnetici • Lo scopo di ITER è mostrare la fattibilità scientifica e tecnologica dell’uso della fusione per scopi pacifici • Dovrà funzionare per circa 20 anni con qualche migliaio di impulsi da 10 s • Si pensa che ci vorranno circa 50 anni per risolvere i problemi tecnici coinvolti nell’uso commerciale dei tokamak (fonte www.iter.org )
  • 59. I REATTORI NUCLEARI La formula dei quattro fattori: storia di un neutrone • Nei reattori “termici”, quelli in cui le fissioni sono prodotte principalmente da neutroni di bassa energia, si ha: – la popolazione di neutroni è prodotta ad alta energia (mediamente 2 MeV) e subisce un incremento di un fattore ε per le fissioni che avvengono ad alta energia (“veloci”) – il moderatore rallenta il neutrone ma, prima che ciò avvenga, esso può essere assorbito: p è la probabilità di fuga all’assorbimento (di risonanza) – una volta rallentato (a frazioni di eV), il neutrone ha una probabilità f di essere assorbito nel combustibile anziché in altri materiali – infine, η è il numero di neutroni prodotti dalle fissioni per neutrone assorbito nel combustibile • Il prodotto K∞ = εpfη rappresenta il fattore di moltiplicazione per un reattore infinito. Introducendo la probabilità di non fuggire dal reattore, P, si ha: Keff = K∞ P = εpfη P
  • 60. I REATTORI NUCLEARI La formula dei quattro fattori: vita di un neutrone nel reattore Nε Neutrons after Fast Fission N Neutrons from Fission For criticality, the two generations must have the same population NεpfηPL Neutrons do not Nεp Neutrons Escape Leak from the Reactor Resonance Capture (as fast or slow neutrons) Nεpfη Neutrons Produced Nεpf Neutrons Absorbed from Thermal Fission in the Fuel
  • 61. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: Gas Cooled Fast Reactor
  • 62. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: Sodium Cooled Fast Reactor
  • 63. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: Supercritical Water Cooled Reactor
  • 64. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: Lead Cooled Fast Reactor
  • 65. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: Molten Salt Reactor
  • 66. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: Very High Temperature Reactor
  • 67. TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Il trattamento delle scorie • Le tecniche di trattamento delle scorie sono disponibili da tempo • Fin dal 1963 è stato messo a punto a Marcoule in Francia un procedimento per produrre vetro contenente materiale radioattivo usato successivamente a La Hague • Oggi le tecniche di trattamento permettono di ridurre notevolmente i volumi delle scorie rispetto al passato • I processi di partizionamento (Diamex, Samex, Calixarene) di attinidi minori (Am, Cm, Np, Pu) e di isotopi a lungo tempo di dimezzamento (Tc-99, Cs-135, I-129) permetteranno la trasmutazione in appositi reattori • Paesi che stanno attivamente compiendo scelte in questo campo sono gli USA, la Francia, il Belgio, la Finlandia, il Giappone, la Svezia e la Germania
  • 68. I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: la collaborazione internazionale • Uno degli aspetti caratterizzanti il progetto dei reattori di quarta generazione è la cooperazione internazionale che è stata messa in atto per svilupparli • Il Generation IV International Forum (GIF) è stato creato nel 2000 e conta oggi molti Paesi più l’Euratom – stabilisce obiettivi e scopi generali – include un “Policy Group” ed un “Experts Group” – ogni partecipante supporta i propri costi per sviluppare i progetti a cui è interessato – collabora con la IAEA (ONU) e la NEA (OECD) – quando possibile, distribuisce liberamente le informazioni
  • 69. FILOSOFIA DI SICUREZZA La Garanzia della Qualità • Per poter assicurare che un impianto nucleare risponda ai requisiti funzionali e di sicurezza richiesti, è necessario fare uso di un sistema di Garanzia della Qualità • La “Garanzia della Qualità” è l’insieme delle azioni pianificate e sistematiche atte a garantire che un prodotto abbia le caratteristiche richieste – qualità nella progettazione (“design review”) – qualità nell’approvvigionamento dei materiali (qualificazione dei fornitori) – qualità nella costruzione – qualità nell’esercizio • Ciò comporta un sistema complesso di gestione delle attività, con documentazione e revisione di ogni fase della vita dell’impianto