L’Energia, per il futuro: nucleare e fonti rinnovabili”alimonti/press/docs/Pres_Cinotti.pdf ·...

Dipartimento di fisica Dipartimento di fisica –– Luciano Cinotti Luciano Cinotti Milano 8 OttobreMilano 8 Ottobre, 2006, 2006 Del Del Fungo Fungo GieraGiera EnergiaEnergia

““LL’’EnergiaEnergia, per , per ilil futurofuturo: : nuclearenucleare e e fontifontirinnovabilirinnovabili””

Reattori di nuova generazione per il nucleare del futuroReattori di nuova generazione per il nucleare del futuro

L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia

L’Uranio e la fissione nucleare

n + Uranio235

~ 2,5 neutroni

Energia (~ 200 MeV)

Due frammenti di fissione

L’evoluzione dei reattori nucleari

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La maggior parte degli attuali reattori è del tipo Pressurized Water Reactor (PWR)


IRIS adotta sistemi passivi ed una soluzione integrata per maggior sicurezza, compattezza e semplicità.

XX

XX

XXXX

XXXX

XXXX

XX


IRIS: un reattore Generation III+ raffreddato ad acqua in pressione

SECUREABB 1985-1986

ISISANSALDO 1988-1997

NILUSPOLITECNICO di Milano

1996-1999

IRISConsorzio IRIS dal

1999

ABB-ANSALDO 1987-1992

IRIS riprende molte soluzioni di origine italiana


Pebble Bed Modular Reactor: un reattore Generation III+ raffreddato ad elio


I limiti degli attuali reattori


La maggior parte degliattuali reattori usauranio arricchito al~ 3,5- 4% in U235

~ 24 tU/anno di uranio arricchito per un reattore da 1000 MWe

U235

U238

L’uranio naturale è un miscuglio di due isotopi: U235 0,7%, U238 99,3%~ 170 tU/anno per un reattore da 1000 MWe

Uranio impoveritodi scarso valorecommerciale

Mancato utilizzo dirisorse energetiche.

L’arricchimento


Rischio di proliferazionese il processoviene spinto verso alti arricchimenti

~ 23 t/anno di uranio.~ 0,9 t/anno di prodotti

di fissione.~ 0,2 t/anno di plutonio~ 0,04 t/anno di attinidi

minori

Rischio di proliferazione

NelReattore

Energia elettrica

~ 24 t/annodi uranio arricchito U235

U238

PuAttinidiminori

Il combustibile esaurito

Diretta

menteal d

eposito

Volume delle scorienon ottimizzato

Scorie a vita lunga

Prodotti di fissione

+ +

Riprocessam

ento

Scorie a vita lunga


Le nuove iniziative per lo sviluppo del nucleare futuro


�L’iniziativa Generation IV

�The Global Nuclear Energy Partnership

Generation IV International Forum (GIF) è stato costituito per lo sviluppo della prossima generazione di reattori nucleari. È stato sottoscritto da Argentina, Brasile, Canada, Francia, Giappone, Corea del Sud, Sud Africa, Svizzera, Regno Unito, USA, ed anche da Euratom.

Mappa dei Paesi aderenti a Generation IV


L’iniziativa Generation IV

Nel 2001 sono stati valutati circa 100 sistemi. L’esame ha messo in evidenza grandi potenzialità dell’energia nucleare e la necessità di lanciare tempestivamente i programmi di R&D.I sistemi più promettenti dal punto di vista tecnico sono stati suddivisi in due gruppi:

- International Near-Term Deployment;

- Reattori Generation IV, destinati asostituire i reattori attuali.

Nel dicembre 2002 viene pubblicata la Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems che:

- identifica sei sistemi;

- ne delinea il programma di R&D.


L’iniziativa Generation IV

GIF ha operato la selezione basandosi su:

- 4 Goals area,

- 8 Goals,

- 15 Criteria

- 24 Metrics


Molten Salt Reactor System

Supercritical-Water-Cooled Reactor System

Very-High-Temperature Reactor System

Tre sistemi scelti per GEN IV sono a flusso neutronio termico


Sodium-Cooled Fast Reactor System

Lead-Cooled Fast Reactor System

Gas-Cooled Fast Reactor System

Tre sistemi scelti per GEN IV sono a flusso neutronio veloce


Charles Forsberg

Claude Renault

R. Konings,MiloslavHron

MSR

Mike Modro

Yoon-Yeung Bae

Katsumi Yamada

Yoshiaki Oka

Marc Delpech

Thomas Schulenberg

HussaKhartabi

SCWR

Craig F. Smith

Kune Y. Suh

Mamoru Konomura

Luciano CinottiLFR

Bob HillTim Abram, Tom Lennox

Dohee Hahn

Masakazu Ichimiya

Shoji Kotake

Gian-Luigi Fiorini

J.-F. BabelotSFR

Kevan Weaver

Denis Every

Paul Coddington

Johan Slabber

Jonghwa Chang

Tomoyasu

MizunoJean-LouisCarbonnier

Didier HaasGFR

Finis Southworth

Tim Abram

Wolfgang Hoffelner

Dieter Matzner

Jonghwa Chang

Tetsuaki Takeda

Frank Carre

Werner Von Lensa

RomneyDuffey

VHTR

Rosso significa co-chair


Prismatic Block Modular Reactor

ANTARESIndirect Cycle

GT-MHR, GT-HTR300CDirect cycle


Produzione di Idrogeno col Nucleare

Ciclo Iodio / Zolfo Elettrolisi ad alta temperatura


Uso completo del combustibile

Bruciamento dei prodottiradioattivi a lunga vita

Promozione di tecnologienon proliferanti


The Global Nuclear Energy Partnership

The Global Nuclear Energy Partnerhip (GNEP) prevede:

- un riprocessamento che separi solo i prodotti di fissione.

U235

U238

PuAttinidiminori

Prodotti di fissione

+

- un reattore nucleare che possa esserealimentato in U238, Pu ed attinidi minori.

- l’inutilità degli impianti di arricchimento.

L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti – Del Fungo Giera Energia

La maggior parte degliattuali reattori usauranio arricchito al~ 3,5- 4% in U235

~ 24 tU/anno di uranio arricchito per un reattore da 1000 MWe

U235

U238

L’uranio naturale è un miscuglio di due isotopi: U235 0,7%, U238 99,3%~ 170 tU/anno per un reattore da 1000 MWe

Uranio impoveritodi scarso valorecommerciale

Mancato utilizzo dirisorse energetiche.

L’uranio impoverito è una risorsa per i FR

Utilizzo nei FR


Sustainability

Utilizzo delle risorse dicombustibile

Bruciamento delle scorie a vita lunga

675041

192

0

50

100

150

200

250

300

Coal Gas Oil Uranium U in FastReactors

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2500

Source: BP and IAEA data for 2003


Charles Forsberg

Claude Renault

R. Konings,MiloslavHron

MSR

Mike Modro

Yoon-Yeung Bae

Katsumi Yamada

Yoshiaki Oka

Marc Delpech

Thomas Schulenberg

HussaKhartabi

SCWR

Craig F. Smith

Kune Y. Suh

Mamoru Konomura

Luciano CinottiLFR

Bob HillTim Abram, Tom Lennox

Dohee Hahn

Masakazu Ichimiya

Shoji Kotake

Gian-Luigi Fiorini

J.-F. BabelotSFR

Kevan Weaver

Denis Every

Paul Coddington

Johan Slabber

Jonghwa Chang

Tomoyasu

MizunoJean-LouisCarbonnier

Didier HaasGFR

Finis Southworth

Tim Abram

Wolfgang Hoffelner

Dieter Matzner

Jonghwa Chang

Tetsuaki Takeda

Frank Carre

Werner Von Lensa

RomneyDuffey

VHTR

Red signifies co-chair



�� LL’’ItaliaItalia ha ha esperienzaesperienza di di progettazioneprogettazione di di reattorireattorisottocriticisottocritici raffreddartiraffreddarti a a piombopiombo..

�� NelNel centrocentro ENEA ENEA deldel BrasimoneBrasimone sono in sono in funzionefunzione due due circuiticircuiti sperimentalisperimentali in LBE in LBE eded unouno in in piombopiombo..

�� LL’’ItaliaItalia ha ha esperienzaesperienza didi progettazioneprogettazione e e realizzazionerealizzazionedidi reattorireattori velociveloci: PEC ed SPX1: PEC ed SPX1

Il ruolo dell’Italia nello sviluppo dei reattori raffreddati a piombo liquido

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A

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A

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0.00

23 ROTATING PLUG DRIVE

32 PURIFICATION UNIT (#2 units)

R.V.A.C.S. INLET/OUTLET DUCTS

TARGET UNIT: INNER SUPPORT

TARGET UNIT: OUTER SUPPORT

REACTOR CAVITY

PROTON BEAM PIPE

THERMAL SHIELDING

RADIAL PENETRATION FOR I.S.I.

R.V.A.C.S. HEAT EXCHANGER

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ROTOR LIFT MACHINE

GAS INJECTION PIPES

ANNULAR STRUCTURE

FAILED FUEL DETECTION UNIT (#2 units)

GAS INJECTION PIPES COLLECTOR

ABOVE CORE STRUCTURE DRIVE

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REACTOR CORE (#294 assemblies)

FUEL ZONE (#120 fuel assemblies)

REACTOR VESSEL SUPPORT

CYLINDRICAL INNER VESSEL

TRANSFER MACHINE GRIPPER

TARGET UNIT-WINDOWLESS OPTION

REACTOR VESSEL (Dex.=6000 mm; th.=40mm)

SAFETY VESSEL (Dex.=6780 mm; th.=40 mm)

INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER (#4 units)

ABOVE CORE STRUCTURE (ACS): upper part

ABOVE CORE STRUCTURE (ACS): lower part

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TRANSFER MACHINE

8

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4

REACTOR ROOF

ROTATING PLUG

RISER CHANNEL (# 24)

3

2

1

DIAGRID

80 MW LBE80 MW LBE--cooled XADS del FP5cooled XADS del FP5

LL’’ItaliaItalia ha ha esperienzaesperienza di di progettazioneprogettazione di di reattorireattorisottocriticisottocritici raffreddartiraffreddarti a a piombopiombo


80 MW LBE80 MW LBE--cooled XADScooled XADS

Core

Elemento di combustibile


beamscanning

LBE f low

8 cm scan

12cm duct width

Proton Beam Scanning

Target del 80 MW LBETarget del 80 MW LBE--cooled XADS del FP5cooled XADS del FP5


Nel FP5, in Europasono stati realizzativari circuiti a Pb o LBE(tre sono in Italia)

STELLA LoopCEA

CIRCE LoopENEA

TALL LoopKTH

CIRCO LoopCIEMAT

CorrWett LoopPSI

VICE LoopSCK-CEN

LECOR LoopENEA

LBE Test FacilitiesLBE Test Facilities

CHEOPE LoopENEA

LeadLead Test Test FacilitiesFacilities

+ Two Test Facilities

proposed in

+ one proposed in


L’Italia ha esperienza di progettazione e realizzazionedi reattori veloci: PEC ed SPX1SPX1

SistemaSistema primarioprimarioSPX1SPX1


Le parti in verde del sistema primario di SUPERPHENIX sono state fornite da aziende italiane.


Le parti in verde dei circuiti secondari di SUPERPHENIX sono state fornite da aziende italiane.


European LeadEuropean Lead--cooled System (ELSY)cooled System (ELSY)((ProgettoProgetto EuratomEuratom promossopromosso e e coordinatocoordinato dada aziendeaziende italianeitaliane) )

USAMITMassachusetts Institute of Technology

ITALIADELDel Fungo Giera Energia S.p.A.

COREASNUSeoul National University, Nuclear Engineering Department, Nuclear Transmutation Energy Research Centre of Korea

COREAKESRIKorea Electric Engineering and Science Research Institute

BELGIOSCK•CENStudiecentrum voor Kernenergie

SVIZZERAPSIPaul Scherrer Institut

REPUBBLICA CECA

UJVUstav jaderneho vyzkumu Rez, a.s. (NRI Rez, plc.)

OLANDANRGNuclear Research and Consultancy Group

SVEZIAKTHRoyal Institute of Technology-Stockholm

EUROPAJRCEuropean Commission, Joint Research Centre

ROMANIAINRInstitute for Nuclear Research

GERMANIAFZKForschungszentrum Karlsruhe GmbH

ITALIAENEAEnte per le Nuove Tecnologie, l‘Energia e l‘Ambiente

FRANCIAEDFElectricité de France

SPAGNAEAEmpresarios Agrupados Internacional S.A.

FRANCIACNRSCentre National de la Recherche Scientifique

ITALIACIRTENInter Universities Consortium for Nuclear Technological Research

ITALIACESICentro Elettrotecnico Sperimentale Italiano

POLONIAAGHAGH, Akademia Górniczo-Hutnicza

ITALIAANSALDOAnsaldo Nucleare S.p.A,

CountryParticipant List


Engineering Inherent features

Potential of removable in-vessel components

Simplicity

Transmutation of MAhomogeneously diluted in the fuel.

Breeding ratio close to 1

Risk to capital (Investment protection)

• Lead does not react with air or water;• lead has a very low vapour

pressure.

Life cycle cost

Economics

• Fast-neutron spectrum for operation as a burner.

Waste minimization and

management

• Lead is a low-moderating medium of low-absorption

cross section.Resource utilization

Sustainability

Goals achievable via

GoalsGoal Areas

ELSY Compliance with the Generation IV Goals


• Independent, redundant and diversified DHR loops

• Lead compatible with air and water.

Increased phys. protection against acts of terrorism

•Use of fuel containing MA•neutronics enables long-life

core.

Unattractive route for diversion of weapon-usable plutonium

Proliferation Resistance andPhysical Protection

• Lead density close to that of fuel (considerably reduced risk of re-criticality in case of core melt);• lead retains fission products.

No need of off-site emergency response

• Large fuel pin pitch;• decay heat removal by natural circulation;• primary pumps in the hot collector.

Lead has:• high heat transfer, specific heat and thermal expansion coefficients;• core with inherently negative reactivity feedback

Low likelihood and degree of core damage

Primary system:. at atmospheric pressure;• at low temperature

Lead has:• very high boiling point;• low vapour pressure;• high shielding capability.

Operation will excel in safety and reliability

Safety and Reliability

ELSY Compliance with the Generation IV Goals


ELSY - List of partners and persons for Work Package Co-ordination.

ENEAG. BenamatiWP6. LEAD TECHNOLOGY.

FZKD. StruweWP5. SAFETY AND TRANSIENT ANALYSIS.

DELL. CinottiWP4. SYSTEM INTEGRATION.

EAA. OrdenWP3. MAIN COMPONENTS AND SYSTEMS.

SCK•CENH. AïtAbderrahim

WP2. CORE DESIGN & PERFORMANCE ASSESSMENT.

JRC/IEH. WiderWP1. DESIGN OBJECTIVES, COST ESTIMATES, FUTURE R&D NEEDS AND COMPLIANCE WITHTHE WASTE TRANSMUTATION IN A CRITICALREACTOR AND WITH THE MORE GENERAL GOALS OF GEN IV.

PartnerLeaderWork Package

General coordination of ELSY: Ansaldo



ELSYELSYPropostaProposta italianaitaliana didi reattorereattore

raffreddatoraffreddato a a piombopiombo+ + economicoeconomico

+ + sicurosicuro

ELSY economics based onsimple and compact primary system

ELSY feasibility based on low-temperature thermal cycle

Temperature°C

327350

450

400

550

600

650

500

O2 control +alluminization

Vessel Internals Cladding400

480

~550

TechnologicalLimits

O2 control

Low O2

activity

outlet Core inlet

400 400Material embrittlement

Lead Freezing


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