CHI HA PAURA DELL’ENERGIA NUCLEARE? Ricerca … · Nucleare forze nucleari N.B.: tutto viene dal...

CHI HA PAURA DELL’ENERGIA NUCLEARE? Ricerca fondamentale produzioneRicerca fondamentale, produzione

dell’energia e smaltimento delle scoriedell energia e smaltimento delle scorie radioattive

Gianni VanniniGianni Vannini

Dipartimento di Fisica, Università di BolognaIstituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Bologna, g

Inrformazioni e notizieo a o e o eGennaio 2007: Rapporto Commissione UE: effettoGennaio 2007: Rapporto Commissione UE: effetto serra e desertificazione del sud dell’Europa. Autunno 2007: Film e Conferenze di Al Gore.Autunno 2007: Film e Conferenze di Al Gore. Giornali, TV… l’enfasi è sull’aspetto economico (turismo !...); nessuno che si chieda il perché si è ( ); parrivati a questa situazione, né cosa si deve fare, se non generici inviti al risparmio e alle energie lt tialternative.

2008: c’è chi propone il nucleare perché è i t i teconomicamente conveniente.

Il problema non è l’economia!

Paura ?au aChimica ?Chimica ?

Chi si ricorda di Bhopal ? (4000 morti e 500000 intossicati per isocianato di metile)

Biologia ?Biologia ?Batteriologia ?

Nucleare ?Chi si ricorda di Chernobyl ? (58 morti e ……)y ( )

Da cosa nasce la paura? D l i hi l ? ODal rischio reale? Oppure…..Sindrome NIMBY (solo in Cina 5000 morti all’anno nelle miniere di carbone ma chi di noi fa il minatore?)di carbone, …. ma chi di noi fa il minatore?)

Il nucleo atomicou eo a o oPer poter parlare conPer poter parlare con razionalità dell’energia nucleare occorre saperenucleare occorre sapere che cosa è il nucleo atomicoatomico

Il nucleo atomicou eo a o oFissione

Reazioni Nucleariea o u ea

Reazioni nucleari:Reazioni nucleari:p+nucleo nuovo-nucleo+…pn+nucleo isotopo+… eventuale

nuovo nucleonuovo nucleoe+nucleo nuovo nucleo+…nucleo+nucleo nuovo nucleo+…

Si “creano” nuovi nuclei e quindi nuovi elementiNecessità di acceleratori di particelle

Trasmutazioneas u a o eGli elementi si possono

99Tc (2.1x105 y) + n99Tc (2.1x105 y) + n

Gli elementi si possonotrasmutare agendo sul nucleoatomico E’ ciò che avviene nelle

yyatomico. E ciò che avviene nellestelle! E’ il meccanismo che hapermesso la formazione di tutti gli

100Tc (16 sec)100Tc (16 sec)permesso la formazione di tutti glielementi naturali.

P ibilità di d

100R100R

Possibilità di rendere nonpericolosi elementi altamente

100Ru100Ruradioattivi. Problema: ci vuole unneutrone per ogni nucleo datrasmutare !

Necessità e problemie ess à e p ob eNecessità di cambiare i modi di produzioneNecessità di cambiare i modi di produzione dell’energia.Necessità di investire in studi e ricerca in tutteNecessità di investire in studi e ricerca in tutte le direzioni.Ci sono problemi tecnici ma il vero problema èCi sono problemi tecnici, ma il vero problema è quello della sopravvivenza del genere umanoumano.Problema etico-morale. Uno svedese

15000 kWh/ i 100consuma 15000 kWh/anno e un tanzaniano 100 kWh/anno. Legame strettissimo fra energia e povertà Possiamo continuare così?povertà. Possiamo continuare così?

Le leggi della Naturae egg de a a u aIl pianeta Terra è un sistema finitoIl pianeta Terra è un sistema finitoLa specie umana fa parte della natura e tutto quanto l’uomo fa è naturale e quindi ètutto quanto l uomo fa è naturale e quindi è soggetto alle leggi della natura!

Il vero nodo del problema di questi ultimi due secoli è l’energia e il fatto che l’umanità ne abbia necessità gin una particolare forma.

Si deve capire cosa significa “Produzione di Energia”.

Le leggi della Naturae egg de a a u aDue leggi fondamentali e generali che valgonoDue leggi fondamentali e generali che valgono

per tutto il nostro universo!

1. La conservazione dell’energia (produrla significa “prenderla da qualche parte”)prenderla da qualche parte )

2 L’aumento dell’entropia dell’universo2. L aumento dell entropia dell universo(produrre energia utilizzabile porta a conseguenze nel resto dell’universo: inquinamenti…)

Le leggi della Natura eLe leggi della Natura eil Pianeta Terraa e a e a

La Terra è non solo un sistema limitato ma è “inLa Terra è non solo un sistema limitato ma è “in espansione” (numero di abitanti, energia “ ” )“consumata”, …).

Due questioni determinanti:Due questioni determinanti:“conservazione delle risorse”(esaurimento riserve, fonti rinnovabili)“impatti ambientali”“impatti ambientali”(inquinamento, clima, …)( q , , )

Le leggi della Natura eLe leggi della Natura eil Pianeta Terra a e a e a

Che cosa si fa?Che cosa si fa?GuerreProtocollo di Kyoto (riduzione emissioni gasProtocollo di Kyoto (riduzione emissioni gas-serra) [1997, entrata in vigore 2005]Studi e ricercheStudi e ricerche

Cultura e conoscenza:S d ll l iSenza conoscenza delle leggi naturali non è possibile risolvere

l blalcun problema ![Fatti non foste a viver come bruti, …][ , ][Felix qui potuit rerum conoscere causa.]

Le leggi della Natura eLe leggi della Natura eil Pianeta Terraa e a e a

Due parole sulla RICERCA:Due parole sulla RICERCA:Non è una parola con cui riempirsi la bocca. Ricerca

significa studio, studio dei problemi, studio con un t d t d i tifimetodo, un metodo scientifico.

Significa anche investimenti (denaro e risorse), anche a lunghissimo termine e senza “guadagni” immediatilunghissimo termine e senza guadagni immediati. Altro che “beneficienze ed elemosine” !!

Significa studiare le leggi generali che governano i g gg g gfenomeni: i problemi singoli non si risolvono se non si conosce il generale. Quindi la ricerca di base, fondamentale è indispensabile per raggiungerefondamentale è indispensabile per raggiungere conoscenza e anche per trovare le soluzioni dei singoli problemi

La depressione della ricercaa dep ess o e de a e a

nTofnTofneutron time of flight facility @ CERNneutron time of flight facility @ CERN

Misure di sezione d’urto neutroniche ad alta risoluzioneMisure di sezione d urto neutroniche ad alta risoluzione ed in un largo intervallo energetico, di interesse per l’Astrofisica e per Applicazioni (ADS).l Astrofisica e per Applicazioni (ADS).

Collaborazione internazionale:130 ricercatori130 ricercatori40 istituzioni europee + 3 Usa + India

Partecipazione italiana:15 ricercatori di 4 sezioni INFN

(Bari Bologna LNL Trieste)(Bari, Bologna, LNL, Trieste)


• Neutroni prodotti da i di ll i direazione di spallazione di

protoni su bersaglio di piombo

•Base di volo di 200 metri

•Elevata risoluzione energeticaenergetica

La “Caccia all’Energia”a Ca a a e g aVita sulla Terra: energia dal sole, reazioni chimiche, ilVita sulla Terra: energia dal sole, reazioni chimiche, il fuoco, …Rivoluzione industriale: le macchine

Come si “estrae” l’energia? (Ricordarsi che “si conserva”)Sfruttando l’esistenza di particolari forze in naturap

GravitazionaleElettromagneticagDeboleForte, nucleare

Il principio di base per la produzione di energia è sempre lo stesso

La “Caccia all’Energia”a Ca a a e g aFar passare un insieme di corpi da uno stato “meno legato” a uno stato “più

l ” l “l ” è d ll l flegato”. E il “legame” è dovuto alla particolare forza.

Attualmente

Combustione reazioni chimiche (forze elm)

Idroelettrica E liEolicaGeotermica forza gravitazionaleMaree

Solare forze nucleari nel sole, poi onde elm, poi, sulla Terra, energia termica e reazioni chimichereazioni chimiche

Nucleare forze nucleari

N.B.: tutto viene dal sole che produce energia tramite reazioni nucleari

La “Caccia all’Energia”a Ca a a e g aLa legge dell’Aumento dell’Entropia mostra che qualunque sia il gg p q q

modo in cui si produce l’energia, si modifica il “Resto dell’Universo”, cioè, in particolare, “l’Ambiente”

Ogni produzione energetica comporta dei rischi: …incidenti, …,Ogni produzione energetica comporta dei rischi: …incidenti, …, inquinamenti, …, cambiamenti climatici, …

Attualmente la produzione energetica primaria mondiale è così distribuita (dati 2003)distribuita (dati 2003)

Petrolio 37,3%G l 23 9% bGas Naturale 23,9% combustione!Carbone 26,5%Idroelettrico 6,1%Idroelettrico 6,1%Nucleare 6,1%

La “Caccia all’Energia”in nero dati 2004 in rosso variazioni percentuali rispetto al 2003in nero dati 2004, in rosso variazioni percentuali rispetto al 2003

PetrolioGas

Naturale Carbone Nucleare IdroelettricoNord America 40,1 25,2 22,5 7,4 4,9

2,5% -3,5% 2,5% -1,9% -1,7%

America Centrale 46,5 21,2 3,8 1,0 27,5, , , , ,

e Meridionale -1,2% 8,7% 1,1% 6,8% 4,2%

Unione 39,9 23,2 17,9 12,5 6,6

E ropea 0 8% 4 6% 3 5% 1 0% 4 7%Europea 0,8% 4,6% 3,5% 1,0% -4,7%

Ex-URSS 19,8 50,8 19,3 5,3 4,9

zone di influenza 1,7% 3,0% 6,0% 3,2% -2,9%

Medio 50,4 47,0 2,0 -- 0,7

Oriente 0,8% 4,0% 2,4% -- 15,4%

Africa 40,2 20,1 32,4 1,0 6,3Africa 40,2 20,1 32,4 1,0 6,3

2,2% 8,3% 5,8% 3,4% 0,0%

Asia 36,1 10,7 44,9 3,6 4,7

4 0% 6% 6 9% 11 0% 1%4,0% 5,6% 6,9% -11,0% 5,1%

Mondo 37,3 23,9 26,5 6,1 6,1

2,2% 2,0% 6,9% -2,0% 0,4%

Gli usi prevalenti dell’energiaG us p e a e de e e g aIl fabbisogno prevalente di fonti energeticheIl fabbisogno prevalente di fonti energetiche riguarda:

la produzione diretta di mobilità (trasporti)la produzione diretta di calorela produzione diretta di elettricitàla produzione diretta di elettricità

Nei paesi industriali avanzatiNei paesi industriali avanzati

1/3 dell’energia primaria è utilizzato per produrre mobilitàg1/3 dell’energia primaria è utilizzato per produrre calore1/3 dell’energia primaria è utilizzato per produrre elettricità

La “Caccia all’Energia”a Ca a a e g a

Le conseguenzee o segue eNonostante alcuni di noi abbiano da decenni indicato il problema, solo ora sta

d l l h i b i b ibili f iliemergendo la consapevolezza che continuare a bruciare combustibili fossili rischia di portare il Pianeta in una condizione irreversibile di invivibilità per la specie umana.U d i bl i è l d i diUno dei problemi è la produzione di gas-serra,di CO2 in particolare (aumentato del 35% negli ultimi decenni).Tali emissioni stanno crescendo in tutto il mondoTali emissioni stanno crescendo in tutto il mondo. Questo problema ha portato al protocollo di Kyoto (impegno a ridurre le emissioni di gas serra entro il 2010 rispetto al 1990)il 2010 rispetto al 1990)

Unione Europea -8% ratificatoStati Uniti -7% non ratificatoGiappone -6% ratificatoGiappone 6% ratificatoAustralia +8% ratificatoRussia 0% ratificato

Le conseguenzee o segue e

Contributo di ogni Paese al totale delle emissione energetiche di CO2 in Europa (anno 2002)

Emissioni di CO2 dal sistema energetico in Italia ed in Europa (numeri indice 1990=100)(anno 2002) 1990 100)

ENEA:Rapporto Energia e Ambiente 2004

Le emissioni di CO2e e ss o d CO2

Esempi:Esempi: se bruciamo un blocco di Carbone di un chilo

3 5 K di COsi produce energia termica e 3.5 Kg di CO2 ! Il calore che si accumula per effetto serra della CO2 è 100 volte superiore al calore sviluppato dalla combustione !!!sviluppato dalla combustione !!!Ogni automobile emette ogni anno una massa di CO pari a 4 volte il suo peso !massa di CO2 pari a 4 volte il suo peso !Media europea: 27 kg al giorno a persona !!!

Le conseguenzeLe conseguenze (evidenze sperimentali)(e de e spe e a )

Studio del Goddard Institute for space studies: il suo direttore Jim Hansen

(calore assorbito dalla Terra) – (calore ceduto) = 0.85 Watt/m2

L’equivalente di mezzo milione di stazioni elettriche da 1000 MegaWatt!!!

Le conseguenzeLe conseguenze(evidenze sperimentali)(e de e spe e a )

t d ll COaumento della CO2

Aumento della temperatura atmosferica

Gas serra e TemperaturaGas se a e e pe a u a

Le conseguenzeLe conseguenze(evidenze sperimentali e previsioni)( p p )

Evidenze sperimentali:datiEvidenze sperimentali:dati 2006. Goddard Institute, NASA006 Godda d s u e, S

Global-average radiative forcing ti t destimates and ranges

Understanding and AttributingUnderstanding and Attributing Climate ChangeC a e C a ge

Scenari di previsione per leScenari di previsione per le emissioni di CO2e ss o d CO2

Le conseguenzeLe conseguenze(previsioni)(p e s o )

Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (USA) http://www.gfdl.noaa.gov

Le conseguenzeLe conseguenze(previsioni)(p e s o )

solo per dilatazione termica

Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (USA) http://www.gfdl.noaa.gov

IPCCIPCCIntergovernmental Panel on Climate ChangeIntergovernmental Panel on Climate Change

Istituita dall’ONU nel 1988, raccoglie scienziati di tutto il mondo.L ff i i d ll’IPCC i ifi h i b i f i iLe affermazioni dell’IPCC sono puramente scientifiche e si basano su misure e fatti accertati,

trasparenti e pubblicati.

Evidenze Attuali:1. Aumento della temperatura globale;2. Crescita delle precipitazioni continentali del 5-10%;3 E’ cresciuta la frequenza e l’intensità della siccità (Africa Asia e3. E cresciuta la frequenza e l intensità della siccità (Africa, Asia e

Amazzonia);4. I ghiacciai non polari si sono ritirati e la copertura nevosa è calata

del 10%;;5. Barriere corallifere “sbiancate” in molte parti del mondo;6. Il mare artico ha diminuito l’estensione di ghiaccio di circa il 10-15%

e il suo spessore di circa il 40% (si sta scaldando più del previsto!).e il suo spessore di circa il 40% (si sta scaldando più del previsto!).

Cosa sta producendo tutto ciò?Il gas se a (p incipalmente CO )Il gas serra (principalmente CO2)

Rio delle Amazzoni 2005

IPCCIPCCIntergovernmental Panel on Climate ChangeIntergovernmental Panel on Climate Change

Previsioni dell’IPCC (pubblicati nel 2005) se si continua come ora (p )a bruciare combustibili fossili:

1. Ulteriori aumenti della temperatura media: da 1,4 °c a 5,8 °c;2 Problema dell’acqua e delle irrigazioni agricole (in Asia il2. Problema dell acqua e delle irrigazioni agricole (in Asia il

problema sarà drammatico);3. Livelli dei mari innalzati: 10 cm – 1 m;

O d t di l4. Ondata di calore;5. Tassi di malattie infettive e respiratorie in grande aumento;6. Economie “dislocate”;6. Economie dislocate ;7. Tutte le forme di vita verranno influenzate

[nel 2100: 25% delle specie dei mammiferi estinto!!! Più del 50% degli insetti estinto!!! Circa il 15% degli uccellidel 50% degli insetti estinto!!! Circa il 15% degli uccelli estinto!!!];

8. Anche se tutti i paesi rispetteranno il protocollo di Kyoto (cosa molto molto difficile) le temperature continueranno admolto molto difficile) le temperature continueranno ad aumentare!

Impatti Ambientali:Impatti Ambientali:Ultime ricercheU e e e

Ist. Naz. Brasiliano per le ricerche sull’AmazzoniaIst. Naz. Brasiliano per le ricerche sull Amazzoniaemissioni di CO2 dalla diga Curuà-Una e di metano (piante marcite e decomposizione…) l’idroelettrico sporca

New York Academy of SciencesNew York Academy of SciencesThe Slow Motion Tsunami: How Climate Change Could Change the World. (marzo 2005)

OMS e FAOOMS e FAO ecosistema sconvolto previsione al 2100:

25% delle specie dei mammiferi estintoPiù del 50% degli insetti estintoPiù del 50% degli insetti estintoCirca il 15% degli uccelli estinto (04/04/2005)

National Oceanic and Atmospheric Administration (Usa)l t i di CO t t d il i ld tla concentrazione di CO2 sta aumentando e il riscaldamento non si fermerà.


P t d I tit t f Cli t I t R h (G ) DPotsdam Institute for Climate Impact Research (Germany). D. Schroeder, Science 2005: Modelli con vari tipi di scenari di emissioni di gas serra, previsioni da oggi al 2080 per gli ecosistemi europei:ecosistemi europei:

1. Aree Mediterranee, risorse idriche a rischio: fra il 20% e il 38% della popolazione dell’Europa meridionale (anche Italia) i t à i b i i id i i i ffi i ti l l isi troverà in bacini idrici insufficienti per la popolazione

2. Aree montuose, diminuzione di precipitazione nevose: inondazioni invernali, difficoltà di produzione di energia l d ll fl l

gelettrica e della navigazione fluviale

3. Bio-diversità: estinzioni di molte specie arboree (Pino marittimo, leccio, quercia da sughero, …), , q g , )UNEP (United Nations Environment program) World lake conference, Nairobi ottobre 2005:

1 Tutti i laghi africani si stanno restringendo (sono a rischio) in1. Tutti i laghi africani si stanno restringendo (sono a rischio) in particolare il Ciad e il Vittoria


NOAA 2006: nel 2005 la CO2 è arrivataNOAA 2006: nel 2005 la CO2 è arrivataa 381 ppm con un aumento di 2.6ppm/anno Nel 2000 il tasso era 1 5ppm/anno. Nel 2000 il tasso era 1.5ppm/anno !!!Science 2006 vol 311 2 articoli:Science 2006 vol 311, 2 articoli:entrambi concordano che i ghiacci dellaGroenlandia si sciolgono piùGroenlandia si sciolgono piùvelocemente del previsto. Il ghiaccioifl tt i i l iriflette i raggi solari meno

ghiaccio più riscaldamento!


Nature 2006 vol. 443: il permafrost (ghiaccio perenne) siberiano siNature 2006 vol. 443: il permafrost (ghiaccio perenne) siberiano sista sciogliendo a causa del riscaldamento dell’effetto serra e rilasciagrandi quantità di metano che, come gas-serra è 20 volte piùpotente della CO2, quindi accelerazione del surriscaldamento globale,Proceedings of the National Academies of Sciences degli USA,Settembre 2006: J. Hansen et al. (Goddard Institute for SpaceStudies, NASA): ora la Terra ha la temperatura più alta degli ultimi12000 anni ed è a solo un grado dalla temperatura più alta12000 anni ed è a solo un grado dalla temperatura più altadell’ultimo milione di anni; se crescesse di 2-3 gradi il pianetacambierebbe completamente aspetto (come 3 milioni di anni fa:mari 25 m più alti…). Il taglio delle emissioni della CO2 è vitale!p ) g 2Journal of Climate, Ottobre 2006, G. Marshall et al (British AntarticSurvey): prova diretta e inequivocabile che lo scioglimento deighiacci antartici è causato dal riscaldamento globale prodotto dalle

i i i diemissioni umane di gas serra.Global Change Biology, Gennaio 2008 (USA, Italia, Belgio,Inghilterra, Estonia): l’aumento dei livelli di CO2 nell’atmosferaagisce direttamente sul ciclo stagionale delle piante stravolgendoloagisce direttamente sul ciclo stagionale delle piante, stravolgendolo.


Emerging Technologies Conference del MIT(S tt b 2006)(Settembre 2006):

-“Se non iniziamo subito a privilegiare le alternative aicombustibili fossili non abbiamo nessuna possibilità dicombustibili fossili non abbiamo nessuna possibilità diarrestare i drammatici mutamenti che il nostro pianeta stasubendo.”

-“Se non curiamo il cancro, il mondo resterà lo stesso, senon curiamo l’AIDS, anche. Ma, se non risolviamo questasituazione entro venti anni il pianeta non sarà mai più losituazione entro venti anni, il pianeta non sarà mai più lostesso.”

-R. Armstrong (direttore dell’Energy Initiative del MIT): “LaR. Armstrong (direttore dell Energy Initiative del MIT): Lamaggior parte dei presenti vivrà abbastanza a lungo daconoscere quello che accadrà e ciò sarà causa di enormisensi di colpa ”; “Dobbiamo risolvere il problemasensi di colpa… ; Dobbiamo risolvere il problemaadesso o ci resterà un pianeta completamentedistrutto.”

Ultimo rapporto IPCCU o appo o CC

Climate Change 2007:Climate Change 2007: The Physical Science Basis

Working Group I Contribution to the IPCC Fourth Assessment ReportIPCC Fourth Assessment Report

Presented by R K Pachauri IPCC ChairR.K. Pachauri, IPCC Chair

andBubu Jallow, WG 1 Vice Chair

Nairobi, 6 February 2007

Ultimo rapporto IPCC (Aprile 2007)Ultimo rapporto IPCC (Aprile 2007)

Direct Observations of Recent Climate ChangeChange

Warming f th li t t i unequivocalWarming of the climate system is unequivocal

Is now evident from observations of increases inIs now evident from observations of increases in global average air and ocean temperatures, widespread melting of snow and ice and risingwidespread melting of snow and ice, and rising global mean sea level.

Le intuizioni delle femminee u o de e e e

VERSO IL FUTUROSO U U OStiamo esaurendo i combustibili fossili Stiamo producendo una catastrofe climatica (CO2 CH4 N2O CFC)Stiamo producendo una catastrofe climatica (CO2, CH4, N2O, CFC)Stiamo inquinando i mari e l’atmosfera (SO2, piogge acide, aerosol)

Tutto questo supponendo che il consumo di energia continui con il tasso attualeattuale,MA

I paesi in via di sviluppo e quelli poveri e arretrati hanno il diritto di avere più energia (1 6 miliardi di persone sono senza elettricitàdi avere più energia (1.6 miliardi di persone sono senza elettricità, 2.4 miliardi hanno come principale fonte energetica le tradizionali biomasse).L l i di l t ( l 2020 l 8La popolazione mondiale aumenta (nel 2020 saremo almeno 8 miliardi)

Allora, che fare?,1. Aumento dell’efficienza di utilizzo2. Produzione “sostenibile” : turbine a vento,

potenza marealepotenza mareale,energia solare, …

3. Nucleare (non è una scelta economica, è sopravvivenza!!!)

VERSO IL FUTURO: le riserveSO U U O e se e

Risorse: Stima durata aiRisorse: Stima durata ai ritmi attuali

Carbone 400 anni

P li 40 iPetrolio 40 anni

Gas naturale 70 anni

* al 2050 le energie rinnovabili

Gas naturale 70 anni

Nucleare >1000 anni

porteranno al massimo un contributo alla Nucleare >1000 anni

Rinnovabili * ∞

produzione di energia del 40%Rinnovabili ∞(rapporto IAEA)

VERSO IL FUTURO:VERSO IL FUTURO:un esempiou ese p o

Centrale da 1 Centrale da 1 GW

NucleareGW

Carbone

Superficie 15 ettari 30 ettaripoccupata

Combustibile bruciato

50 ton 2.5x106 ton

Emissioni annuali:Gas serra (CO2)SO2

--

6.5x106 ton900 ton2

NOx - 4000 ton

Consumo di ossigeno

- 5x106 tonossigeno

Scorie radioattive:A breve vita mediaA lunga vita media

400 ton700 Kg

TracceTracceA lunga vita media 700 Kg Tracce

Occupazione del suoloO upa o e de suo oUn impianto elettrico da 1000 MWe occupa le seguentiUn impianto elettrico da 1000 MWe occupa le seguenti

aree:Tipo di impianto Area occupata (ettari)

Nucleare 15Carbone 30Olio combustibile 20G ( i l bi t ) 12Gas (ciclo combinato) 12Solare (fotovoltaico) 200S l (t i tt A hi d ) 2 000Solare (termico, progetto Archimede) 2.000Eolico 12.500

Ruolo delle fonti rinnovabili inRuolo delle fonti rinnovabili in Italiaa a

Energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili in Italia nel 2002 : 17,25 ( )Mtep (7,2%).

Idroelettrica 9.067Legna e assimilati 6.487Geotermica 1.140CDR 267CDR 267Biocombustibili 222Eolica 51Solare 13Solare 13Totale 17.247

Il t ib t iù i ifi ti (16 7 Mt ) i d ll f ti i biliIl contributo più significativo (16,7 Mtep) proviene dalle fonti rinnovabili di tipo classico (idraulico, geotermico, legna da ardere).

Il t ib t d ll FER i l ll 0 09% d l f bbiIl contributo delle nuove FER equivale allo 0,09% del fabbisogno elettrico nazionale.

Contributo massimo ottenibileContributo massimo ottenibile fonti rinnovabilio o ab

Fonte Mtep Una stima del contributo massimo tt ibil d ll f ti i bili i

Idroelettrica 15.558Legna e assimilati 9.598G i 5 883

ottenibile dalle fonti rinnovabili in Italia era contenuta nel documento TERES II del programma ALTENER della Commissione Europea (1996).

Geotermica 5.883CDR 8.304Biocombustibili 6.198E li 2 878

Nelle condizioni di scenario più favorevole (best practice policies) il contributo teorico massimo daEolica 2.878

Solare 3.126

TOTALE 51 544

contributo teorico massimo da nuove FER raggiungibile in Italia nel 2020 è di 20,5 Mtep, cioè meno del 5% delTOTALE 51.544 del 5% del fabbisogno energetico nazionaleenergetico nazionale

Il “caso idrogeno”aso d oge oL’idrogeno esiste in natura allo stato gassoso in piccole percentualiL idrogeno esiste in natura allo stato gassoso in piccole percentuali nella composizione dell’aria, e quindi deve essere prodotto

per via termica dal metano (H2O + CH4 + Et → 2H2 + CO2)per via elettrolitica dall’acqua (2H2O + Et → 2H2 + O2)per via radiolitica dall’acqua (2H2O + Eγ → 2H2 + O2)

In tutti i casi è necessario un apporto di energia esterno, e nei primi due casi il bilancio economico-energetico complessivo è negativo.

L’idrogeno, quindi, non è una fonte di energia, ma un vettore energetico conveniente per altri motivi (impatto ambientaleenergetico, conveniente per altri motivi (impatto ambientale locale nullo) solo se si riesce a produrlo a basso costo.

L’ENERGIA NUCLEAREG UCIn Europa: 229 centrali nucleari (448 nel mondo)

“E le scorieE le scorie dove le

buttiamo?”

L’Italia abbandona il nucleare con il referendum del 1987Ancora presenti 4 reattori non più funzionanti: Caorso (Piacenza) Trino (Vercelli) Garigliano(Caserta) LatinaCaorso (Piacenza), Trino (Vercelli), Garigliano(Caserta), Latina

L’ENERGIA NUCLEARELENERGIA NUCLEARE,Cosa significa?Cosa significa?

“Produrre” energia sfruttando la forza forte che tiene legati i g gcostituenti del nucleo atomico (i protoni e i neutroni)

Fusione nucleareFusione nucleare Fissione nucleare

In entrambi i casi si passa da un sistema meno legato a un sistema più legato

Entrambe le reazioni sono state usate per produrre energia in modo esplosivo: bombe A e Hp

Solo la fissione è stata usata per produrre energia in modo controllato: Reattori Nuclearicontrollato: Reattori Nucleari

Reattori nucleari a fissioneea o uc ea a ss o eReattori termici

Combustibile: U che è una miscelaReattori veloci

C b tibil U PCombustibile: U che è una misceladi isotopi: 235U (0.7%) e 238U(99%), solo l’235U è fissile (siscinde se colpito da neutroni

Combustibile: U e Pun + 238U92

239U92 239Np

239Np 239Pu94scinde se colpito da neutronilenti [termici]) e dà luogo areazione a catena arricchirel’U portando il 235 al 5% Solo il

n+239Pu94

t i f ti di fi il U portando il 235 al 5%. Solo il5% del combustibile vieneutilizzato

Scorie:il 238 assorbe i neutroni e

neutroni + frammenti di fissione + energia

Si brucia tutto l’U e si può produrre più Pu di quanto se ne consumiScorie:il 238 assorbe i neutroni e

diventa 239Pu che è fissile econtribuisce a fornire energia,ma una parte rimane come

più Pu di quanto se ne consumi. Neutroni veloci e raffreddamento a metallo liquido.

Può recuperare più del 99%ma una parte rimane comescoria e una parte si trasforma inaltri nuclei pesantiradioattivi:a)238U, b)transuranici,

Può recuperare più del 99% dell’energia del combustibile esausto di un reattore termico

Sco ie P f ti di fi iradioattivi:a) U, b)transuranici,c) frammenti di fissione Scorie: Pu e frammenti di fissione

I problemip ob e

La sicurezza: impedire incidenti gravi conLa sicurezza: impedire incidenti gravi conrilascio di radioattività a lunghissima vita

di t ll d ll imedia, controllo della reazione.

Scorie: immagazzinamento sicuro.

Proliferazione: impedire e/o controllarep /armamenti nucleari.

L’ENERGIA NUCLEAREG UCCome si producono le scorie: Element Isotope Half-life Quantity Come si producono le scorie:

(quantity)p

(years)Q y(ton/year)

Plutonium(11 4

238Pu239P

882 4 104

0.196 53(11.4

ton/year)239Pu240Pu

2.4x104

6.5x103

6.532.52

Minor i id

237Np 2.1x106 0.48actinides(1.1 ton/year)

241Am243Am245Cm

4307.4x103

8.5x103

0.250.14

0.001

Fission products(39 ton/year)

135Cs99Tc93Zr

2.3x106

2.1x105

1.5x106

0.41.00.9

129I107Pd

1.0x107

5.5x106

0.20.25Fusione

Fissione

Formula semiempirica di massaFrom all the French reactors. NIM A(2003)

L’ENERGIA NUCLEAREG UCTutti i processi Il problema delle scorie radioattive:Tutti i processi precedenti portano a:

Scorie

Il problema delle scorie radioattive: elementi che emettono radiazioni ionizzanti

Combustibile esausto

L’ENERGIA NUCLEAREG UCUn esempio in Francia ogni anno si producono:Un esempio, in Francia ogni anno si producono:

• 1 Kg/abitante di scorie nucleari radioattive (di cui 20 g di scorie altamente radiotossiche); );

•2500 Kg/abitante di scorie chimiche tossiche (di cui 100 Kg scorie “eterne” come metalli pesanti)

Proiezione al 2010 delle quantità di scorie radioattive dai Reattori nucleari in tutto il mondo (circa 400 GWe) Uso civile:( e)

•Combustibile esausto 300’000 tons

•Isotopi del plutonio 3000 tons Uso Militare•Isotopi del plutonio 3000 tons

•Isotopi del Np 140 tons

•Am ed altri attinidi 120 tons

(testate nucleari)

?•Am ed altri attinidi 120 tons

•FF a lunga vita media (99Tc,135Cs, 129 In) 250+90+60 tons

L’ENERGIA NUCLEARE: leL ENERGIA NUCLEARE: le scories o e

Le problematiche connesse al combustibile nucleare esaurito riguardano: il

scorie Classificazione caratteristiche Depositi

volume occupato, il calore prodotto e la radioattività.

scorie Classificazione caratteristiche Depositi

U + elementi attivati short-lived wastel l

grande volume, radioattività bassa e modesto calore sprigionato

In loco presso il reattoreLow-level waste modesto calore sprigionato

Frammenti di fissione a breve vita

short-lived wasteLow-level waste

5% in volume, maggiori responsabili della radioattività e calore a breve

Depositi superficiali

mediaLow level waste

termine (50 anni)

Frammenti di fissione a lunga vita media

Long-lived wasteMedium-level waste

Es: I,Tc,Zr Vite medie >104 anni Pi l tità 4% i l

Depositi geologici profondi (>300 metri)

media Piccole quantità 4% in volume

Attinidi (Pu, Np, Am, Cm, …)

Long-lived wasteHigh level waste

Fissili, emettitori αPiccole quantità 0.2% in volume

Depositi geologici profondi (>300 metri)g q

Vite medie >104-5 anni

L’ENERGIA NUCLEAREG UCIl compito dei fisici è avere idee!

S i “t t ” li l tiSappiamo “trasmutare” gli elementiGrazie ai fisici vi è stato un grande sviluppo tecnologico nel campo degli acceleratori di particelle Conosciamo i meccanismi di produzione dei neutroni e delle reazioni nucleariAbbiamo conoscenza e familiarità con le più avanzate tecnicheAbbiamo conoscenza e familiarità con le più avanzate tecniche di calcolo e di simulazione

Allora:Possiamo utilizzare acceleratori per la trasmutazione di scoriePossiamo utilizzare acceleratori per la trasmutazione di scorie radioattive?Possiamo progettare un reattore che sia “intrinsecamente i ” h i b tibil t l d d hi tti idisicuro” e che usi un combustibile tale da produrre pochi attinidi

e a bassa tossicità?Possiamo utilizzare una tecnologia che non permetta il

lif d ll i l iproliferare delle armi nucleari

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,le scorie radioattivele scorie radioattive

L’immagazzinamento geologico risulta pericoloso per:CriticitàPossibilità di contaminazione faglie acquifereTerrorismo nucleare

Un esempio di t t iTerrorismo nucleare

99Tc (2.1x105 y) + n99Tc (2.1x105 y) + nAlternativa

trasmutazione:

Tc (2.1x10 y) nTc (2.1x10 y) n• Trasformazione nucleare (trasmutazione): neutroni (o altre particelle) inducono reazioni nucleari che trasformano i materiali indesiderati in

100Tc (16 sec)100Tc (16 sec)nucleari che trasformano i materiali indesiderati in specie nucleari accettabili

Attinidi: farli fissionare

100Ru100Ru

Frammenti di fissione: trasformarli da “a lunga vita media” a “a corta vita media” o stabili 100Ru100Rustabili

L’ENERGIA NUCLEARE: nuoveL ENERGIA NUCLEARE: nuove ideedee

Proposte di Carlo Rubbia:Proposte di Carlo Rubbia: Accelerator Driven System (ADS)

e l’Energy Amplifier (EA)

Proposte USA: nuovi reattori velociProposte USA: nuovi reattori veloci con trattamento pirometallurgico delle scorie e riciclo quasi totale

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,cicli di combustibile a confrontocicli di combustibile a confronto

Ciclo dell’uranio:Ciclo del torio:

l’ l t fi il d i d llCiclo dell uranio: l’elemento fissile deriva dalla reazione di cattura su 238U e 235U

l’elemento fissile deriva dalla reazione di cattura su 232Th

n + 235U 236U fissionen + 232Th 233Th β (22 min) 233Pa

β (27 giorni)

239Pu fissionen + 233U 233U

fi i

239Np

fissioneVantaggi:

Ri di t i i tip

n + 238U 239U

• Riserve di torio ingenti

• Th isotopo puro

• A(232Th) << A(238U) no bomba, pochissime scorie

L’ENERGIA NUCLEARE:nuoveL ENERGIA NUCLEARE:nuove idee sulla sicurezzadee su a s u e aIntroduzione di condizioni deterministiche piuttosto che

b b l h h b l’ d dprobabilistiche che proibiscono a priori l’accadere di eventi estremi (es:incidenti di criticità, come Chernobyl, eliminati se il reattore lavora in modo sottocritico ADS e ciclo del Torio)

Cicli chiusi del combustibile partendo da 238U o da 232Th cioè senza “arricchimenti” e con le scorie di attinidi recuperate esenza arricchimenti e con le scorie di attinidi recuperate e interamente riciclate. In queste condizioni tutto il combustibile viene bruciato e l’energia estratta è circa 200 volte quella dei reattori attuali. Poche scorie: piccole quantità di attinidi e p qframmenti di fissione, ma …possibilità di trasmutazione.

Utilizzando il ciclo del Torio non si producono quantità utilizzabiliUtilizzando il ciclo del Torio non si producono quantità utilizzabili di Pu e quindi non ci sono rischi di produzioni di armi nucleari.

ADS e TRASMUTATORES e S U O

Japanese Proposal (JAERI/KEK)

Nuclear Systemwith MOX Pub iburning

Incineration of Minor Actinides and Long Lived FFDisposal for ≈ 500 years C. Rubbia 2005

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,ADS e EAADS e EADalla relazione di Carlo Rubbia al International Symposium on y p

Neutrons in Basic Science and Nuclear Technologies n_BANT, CERN, Geneva - March 22-23, 2005 :

In a sub-critical operation the energy process is controlled and driven by some additional neutrons (typically ≈ 1% to 2%), externally supplied with a proton spallation target (ADS). pp p p g ( )In these conditions, the energy gain G is controlled and directly proportional to the power produced by the external accelerator. Because of the excellent neutron yield of the spallation process, high

l f G ibl t i ll i th f G b t 250 dvalues of G are possible, typically in the range of G between 250 and 500. This means that a thermal power in the GWatt range is controlled by a p-beam of only a few MWatt (a few mA) (EA). A realistic scenario in which an efficient separation and incineration of the ≈ 3.0 Ton of MA annually produced by the ≈ 60 French is feasible. The additionally installed thermal power in order to achieve such a

l t i i ti f MA’ i b t i l t t t d dcomplete incineration of MA’s is about equivalent to one more standard PWR (≈ 3 GWth).

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,la ricerca di basela ricerca di base


Misure di sezione d’urto neutroniche ad alta risoluzioneMisure di sezione d urto neutroniche ad alta risoluzione ed in un largo intervallo energetico, di interesse per l’Astrofisica e per Applicazioni (ADS).l Astrofisica e per Applicazioni (ADS).

Collaborazione internazionale:130 ricercatori130 ricercatori40 istituzioni europee + 3 Usa + India

Partecipazione italiana:15 ricercatori di 4 sezioni INFN

(Bari Bologna LNL Trieste)(Bari, Bologna, LNL, Trieste)

Problema Energeticoob e a e ge oE’ possibile una produzione “sostenibile” di energia?

Quello che è certo è cheIl fossile porterà in pochi anni a sconvolgimenti planetari Senza nuovi modi di produzione si va inevitabilmente al disastro

Si può fare una discussione razionale ed onesta?Si può distinguere la propaganda dettata da enormi interessi finanziari dalle

esigenze reali dell’umanità ?gQuale ruolo devono giocare i fisici nucleari?

Ricerca di base contributi alla ricerca sulle tecniche di bruciamento delle scorie radioattive e alla progettazione di ADSscorie radioattive e alla progettazione di ADSContribuire all’educazione dei cittadini nel comprendere le idee generali del rischioFornire una sorgente di conoscenza ed esperienza, addestrando giovani laureati

ll di i l i ll t i h di i l inella conoscenza di processi nucleari e nelle tecniche di rivelazione

E chi governa? Che ruolo deve assumere? Sulla base di che cosa d d id ?deve decidere?

CONCLUSIONICO C US ONon si devono fare scelte solo in base a criteriNon si devono fare scelte solo in base a criterieconomici.Solo la conoscenza delle leggi della natura puòSolo la conoscenza delle leggi della natura puòpermetterci di fare scelte consapevoli.Continuare a bruciare combustibili fossili porterà lapTerra in una situazione insostenibile per l’umanità:senza risorse e irreversibilmente inquinata.Non è un problema partitico, filosofico, intellettuale,economico, è una emergenza; si tratta dell’estinzioned l l d ll i iltàdel genere umano o per lo meno della civiltà comenoi la conosciamo.

CONCLUSIONICO C US O

Due priorità assolute e urgentissime:Due priorità assolute e urgentissime:

a) l’integrità della biosfera,

b) l di ità d ll it dib) la dignità della vita umana di tutti gli abitanti della Terra e non gsolo di una parte.

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,FissioneFissione

scoriescorie

n(lento) + 235U 144Ba+89K+3n+Energian(lento) + 235U 137Cs+96Rb+3n+Energian(lento) + 235U 137Cs+96Rb+3n+Energian(lento) + 235U FF+xn+EnergiaE i /fi i 200 M V 2*10 17KWhEnergia/fissione = 200 MeV =2*10-17KWh

1 Kg di 235U produce circa 25*106 KWhL’238U fissiona molto poco ma produce plutonio il quale,

se colpito da neutroni veloci, fissionan + 238U92

239U92 239Np93

239Pu94

I neutroni emessi nella fissione danno origine ad altre fissioni:I neutroni emessi nella fissione danno origine ad altre fissioni:Possibilità di reazioni a catena

L’ENERGIA NUCLEAREG UCIl bilanciamento fra:Il bilanciamento fra:

Quantità di combustibile (235U) [è il 4%-5%, il resto è 238U92]ModeratoriModeratoriMateriali assorbenti

porta alla costruzione dei reattori. Solo il 5% delporta alla costruzione dei reattori. Solo il 5% del combustibile è utilizzato

Ci sono anche i reattori veloci o autofertilizzanti: producono ppiù combustibile di quanto ne venga consumato.

n + 238U92239U92

239Np93239Pu94

n+239Pu94Scoriescorie

neutroni + frammenti di fissione + energia

L’ENERGIA NUCLEAREG UCIl concetto di massa criticaIl concetto di massa criticaPer l’235U Mcrit = 50 KgFare una bomba atomica è “facile”

L’235U è solo lo 0,7% dell’uranio naturale arricchimento dell’U

I neutroni devono essere lenti in un reattore ci devono essere dei “moderatori” (grafite, acqua pesante acqua naturale)pesante, acqua naturale)In un reattore devono esserci dei materiali assorbenti per i neutroni (B, In, Ag, Cd) per regolare il numero p ( , , g, ) p gdi quelli che danno fissione regolazione e guida del processo

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,nuove ideenuove ideeNuove idee per la produzioneNuove idee per la produzione

di energia e lo smaltimento delle scorie:Combustibile basato sul ciclo del torioReattore sottocritico (k ADSReattore sottocritico (keff~0.96)Trasmutazione delle scorie

ADS

Produzione di energia: necessario un fascio di neutroni prodotto con Trasmutazione delle scorie

a lunga vita mediap

acceleratori per sostenere un ciclo in reattori sottocritici

Misure necessarie:

Reazioni principali: 232Th(n,γ), 233U(n,γ), 233U(n,f)

R i i i 233P ( ) 233U( 2 )232U 232Th( 2 )231Th 231P ( )Reazioni concorrenti: 233Pa(n,γ), 233U(n,2n)232U, 232Th(n,2n)231Th, 231Pa(n,γ)

Materiali strutturali (sottoposti ad elevati flussi di neutroni) : Fe, Cr, Mn, Ni, Mo

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,il ciclo del torioil ciclo del torio

Occorre una conoscenza accurata delle sezioni d’urto fondamentali:

• Cattura neutronica

• Diffusione elastica

• Fissione indotta da neutroni


Lo smaltimento di rifiuti radioattivi (attinidi e frammenti di fissione) prodotti in reattori nucleari o dallo smaltimento di armi nucleari costituisce un grosso problema ambientale.

Solo in Francia sono prodotte oltre 50Solo in Francia, sono prodotte oltre 50 tonnellate all’anno di attinidi e frammenti di fissione a lunga vita media.

Se si assume un incremento pari al 2,3%/anno del consumo di energia a livello mondiale e che per il 2050 il contributo dell’energia nucleare sia del 30%, allora la produzione annua di , pscorie radioattive può essere stimata in 100000 ton/anno (corrispondente al riempimento di un centro di stoccaggio quale Yucca mountain ogni 8 mesi!)

Marchetti et al 1994Marchetti et al., 1994

L’ENERGIA NUCLEAREL ENERGIA NUCLEARE,la trasmutazione delle scorie radioattivela trasmutazione delle scorie radioattive

Sono allo studio sistemi per l’incenerimento nucleare delle scorie radioattiveSi possono utilizzare reazioni indotte da neutroni per trasmutare attinidi frammenti di fissione a lunga vita

media in isotopi stabili o a breve vita media

Spent fuel

800 ton/annoReprocessing

MA:1ton

FP:39 ton

Partitioning & Transmutation

LWR52 Units c52 Units

Stoccaggio definitivoRecovered U, Pu

780 ton/anno

Stoccaggio definitivo


Esempio di un tipico reattore LWR (1Gwatt) in funzione da 40 anniEsempio di un tipico reattore LWR (1Gwatt) in funzione da 40 anniFabbisogno minimo di neutroni per smaltire i prodotti di fissione più

preoccupanti

Isotopo MassaKg

Neutroni Kg1 kg di neutroni = 5.97x1026

Kg Kg99Tc 843 8.51

gneutroni!

En = 40 MeV/n = 6.4x10-12 Joule/n129I 196.2 1.9893Zr 810.4 8.71

1 kg di neutroni richiede:

•1.061x109 KWh (equivalente a:) Zr 810.4 8.71135Cs 442.2 3.27•3.029 MW di potenza di fascio

(durante i 40 anni di funzionamento d ll t l ) 0 3% d ll’ i 79Se 6.57 0.80della centrale) 0,3% dell’energia prodotta!

CHI HA PAURA DELL’ENERGIA NUCLEARE? Ricerca … · Nucleare forze nucleari N.B.: tutto viene dal...

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