Nuovo nucleare - Reattori sottocritici Ciclo del ... · proliferazione, ridotta produzione di...

19/12/03 giovedì della scienza 1

Nuovo nucleare - Reattori sottocritici cosa è il nuovo nucleare

Ciclo del combustibile innovativo: sostenibile, resistente allaproliferazione, ridotta produzione di residui a lunga vita. Vedi ades. programma USA “Advanced Fuel Cycle Initiative” (AFCI)

Reattori di nuova concezione: acqua supercritica, gas altatemperatura, metalli liquidi, sali fusi. Vedi ad es. programma USA“Generation IV”

Eliminazione dei residui a lunga vita in sistemi tipo ADS(sottocritici). Vedi ad es. programma USA AFCI e European RoadMap for ADS

Applicazioni medicali: vedi presentazione seguente. Il fatturatoindustriale che riguarda le applicazioni medicali del nucleare hasuperato quello delle industrie elettronucleari (escluse utilities)


Nuovo nucleare - Reattori sottocritici

perché l’interesse per cicli innovativi del combustibile nucl.

L’interesse è per:

• Migliore utilizzo del combustibile (burn up)

• Ridurre il volume e l’inventario dei residui a lunga vita prodotti, aparità di energia elettrica prodotta

• Separare i componenti con alta radiotossicità e lunga vita(Plutonio e attindi minori, MA), che pongono i requisiti più arduiper la gestione a lungo termine

• Recuperare il contenuto energetico di Pu e MA, eliminandoli




Fonte:AFCI_CongRpt2003.




Fonti: AFCI_CongRpt2003;Gulf publishing.

Dalle 44 mila ton HM stoccate nelle centrali USA

Senza breeding:

l’energia di 6 miliardi di barili di petrolio

Con breeding:

l’energia di 420 miliardi di barili

Giacimenti dell’ IRAQ: 100 miliardi di barili



Una fissione = 200 MeV

Un MWd = circa un grammo di fissile bruciato

Negli LWR si raggiungono 30-60mila MWd/tonHM

Un GWy elettrico (centrali N4, 50MWd/tonHM, rendimentoth>el 35%) comporta l’irraggiamento di 2430 kg HM

Combustibile arricchito in U5: sono estratte da miniera 7,5 kgHMper 1kgHM nel combustibile nel reattore

18420 kg dalla miniera danno 1 Gwy, 2430 kg di residui attivi e15990 kg di uranio depleto



Con l’attuale ciclo del combustibile, a parità di kWh prodottiannualmente, la quantità di combustibile irraggiato crescelinearmente nel tempo

Il gestore della centrale, se non esistono infrastrutture cheprendano in carico i residui, deve conservarli nell’area dellacentrale. Questo comporta un incremento del costo del kWhtrascurabile, ma lascia una pesante incognita sui costi delladestinazione finale dei residui

Le difficoltà nel percorso autorizzativo per la realizzazione di undeposito geologico sono note


Deposito geologicodal rapporto DOE al Congresso USA, 2002.

nel FY 2001: 358 M$ per Yucca, costo totale: 57 G$ per 70 mila ton di SNF (spent nuclear fuel) > 0,8 M$/ton



È la misura della pericolosità di una quantità Q assegnata di undeterminato isotopo radioattivo, espressa spesso in metri cubi diacqua in cui Q va diluito uniformemente per avere laconcentrazione massima ammissibile per l’uso senza restrizioni.Indica una proprietà specifica del radionuclide, moltiplicata perla sua quantità. E’ un fattore per il calcolo del rischio associato aQ, che dipende in modo determinante dalla probabilità che ilradionuclide migri nella biosfera e dalle modalità di ingressonella catena alimentare



La radiotossicità espressa in termini relativi alla miniera diuranio esprime l’incremento dovuto all’intervento umano suldeposito naturale:

Per ottenere una tonnellata di combustibile sono necessarie xtonnellate di minerale, la cui radiotossicità R è nota epraticamente costante per milioni di anni; quando il combustibileè esaurito la sua radiotossicità è nota e diminuisce in tempidell’ordine di un milione di anni fino al valore di R.

Interessante anche il confronto con la radiotossicità delle ceneridel carbone a parità di energia prodotta (vedi oltre)


Nuovo nucleare -Reattori sottocritici

Fonte: C. Rubbia et al.CERN/LHC/97-01(EET), 1997



Fonte: ETWGRoad Map



La radiotossicità può essere ridotta solo conreazioni nucleari: interazione con neutroni cheha come risultato uno (cattura) o due (fissione)radionuclidi. Se i prodotti hanno vita più brevedell’isotopo iniziale, si ha un aumento dellaradioattività nel breve periodo, e una suariduzione nel lungo.

Per i prodotti di fissione solo la cattura èpossibile.

Per i transuranici la fissione è l’unica reazioneche riduce la radiotossicità. Utilizzando l’energiaprodotta si ha un’ulteriore riduzione dellaradiotossicità a parità di energia prodotta.



Il termine trasmutazione è applicato tradizionalmente allereazioni nucleari (come la cattura neutronica seguita daemissione beta) che trasformano un elemento in un altro.

Nel contesto della gestione dei residui radioattivi, è praticacomune allargare il significato di trasmutazione a tutte lereazioni che modificano le caratteristiche di radiotossicitàdell’isotopo di partenza, quindi fissioni, e anche (n,gamma), (n, 2n), etc.

Vi sono trasmutazioni utili, per es. Pu238(n, gamma)Pu239

E dannose, per es. U235(n, gamma)U236


IN UN REATTORE CRITICO E’ POSSIBILETRASMUTARE (UTILIZZARE) IL Pu, MA NON E’POSSIBILE INTRODURRE GLI AM IN PERCENTUALESIGNIFICATIVA.



Separando dal combustibile irraggiato gli AM sirende più semplice la progettazione neutronicadei reattori critici (termici e veloci) nei qualiricircolano uranio e plutonio: con conseguenteminore complessità dei sistemi di controllo e disicurezza. Si semplifica anche l’impiantisticafuori pila sia per il ritrattamento che per larifabbricazione (minore potenza di decadimento,minore sorgenti di neutroni).

Gli AM sono meno difficili da trattare inimpianti sottocritici



Il rapporto tra catture e fissioni dipende dall’energia delneutrone: diminuisce all’aumentare dell’energia

Per questo la trasmutazione (utile) degli AM è favorita dauno spettro energetico “duro”veloce

La probabilità che l’interazione con un neutrone diaorigine a una reazione nucleare è invece più bassa in unflusso veloce: occorre lavorare con un flusso elevato

A parità di potenza da un nocciolo più piccolo (più altadensità di potenza) sfuggono più neutroni

Il trasmutatore ideale ha uno spettro veloce, un’elevatadensità di potenza



Un sottocritico non è prono a incidenti dicontrollo della reattività

Un sottocritico si spegne spegnendol’acceleratore, e la sua potenza si modulamodulando la corrente dell’acceleratore: nonservono barre di controllo


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticiUn sottocritico raffreddato con piombo fusopresenta interessanti caratteristiche del fenomeno dirallentamento dei neutroni, che tra l’altroconsentono di posizionare sezioni-bersaglio inposizioni ottimizzate per la trasmutazione o per laproduzione di radioisotopi utili (ad es. perapplicazioni medicali)


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticiADS Accelerator Driven System è un impiantosottocritico pilotato da un acceleratore, che forniscei neutroni necessari al suo mantenimento a potenza

Lo studio degli ADS è focalizzato soprattutto sulloro utilizzo per la trasmutazione di MA, come ideaportante dei programmi di partitioning etransmutation (P&T) per la riduzione dei requisitidel deposito finale dei residui radioattivi.

L’obiettivo degli studi è un Accelerator DrivenTransmuter per un’applicazione industriale in unquadro di mantenimento o di crescita della quota dienergia elettronucleare nel mondo


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticiL’ADT riceve dal parco dei reattori critici i MAprodotti e li utilizza come combustibile.

Poiché l’obiettivo è la loro eliminazione radicale,l’ADT deve funzionare in simbiosi con un impiantodi separazione e rifabbricazione del combustibile,adeguato alla lavorazione di matrici a base di MA.

Per i motivi già richiamati (alta potenza didecadimento, sorgenti neutroniche dovute alCurium) il ciclo fuori pila non può essere basato suiprocessi acquosi, deve avere caratteristiche disemplicità, compattezza, operazione remotizzata.

Il processo individuato è basatosull’elettroraffinazione in sali fusi


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticiL’ADT è in simbiosi con l’elettroraffinatore.

Ad ogni passaggio fuori pila, una percentualepiccola ma non nulla (<0,1%) di MA rimane cometraccia nel waste secondario.

Occorre quindi massimizzare la percentuale diatomi di MA fissionati prima di recuperare irimanenti per la fabbricazione di una nuova matricedi trasmutazione.

L’energia prodotta, al netto dai consumidell’acceleratore, anche se è una piccola frazione diquella del parco di centrali con reattori criticiservito da impianti ADT (circa 3 %) ha un valoreeconomico importante


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticiAnche se allo stato attuale non è possibile unavalutazione economica affidabile, per l’aspettoprototipico di alcuni componenti quali il target esoprattutto l’elettroraffinatore, l’obiettivo delprogettista è di contenere il costo del kWh prodotto.

Questo costo non deve essere necessariamentecompetitivo: il bilancio economico va infatti fattotenendo conto di quanto le utilities sono disposte apagare per avere una soluzione certa al problemadel combustibile irraggiato: la certezza può avereun valore economico maggiore di quello -almomento non certo- del costo del conferimento delcombustibile al deposito geologico.


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticNuovo nucleare -Reattori sottocritici

Un ADT da 100 MWelettrici (250 MWtermici)trasmuta circa 100 kg di MA in un anno

in un parco composito di LWR e FR 100 kg/anno diMA corrispondono all’output di centrali per oltre2000 MWe (fc 0,8)



Interesse per una ricerca di importanza riconosciutanei maggiori paesi industrializzati

L’idea è nata ed è stata sostenuta in Italia, inparticolare dal Prof. Rubbia, e l’ENEA è tra imaggiori attori europei

L’industria è interessata per le commesse chepossono derivare da un rapido sviluppodell’impiantistica ADS e per le tecnologie associateche sono di interesse anche per i sistemi criticiinnovativi.

I contenuti innovativi attirano l’interesse deigiovani, favorito da un’ampio coinvolgimento delleUniversità



Il programma italiano ha permesso di utilizzareinfrastrutture realizzate con investimenti fatti nelpassato, contenendo lo spreco di risorse associato

Soprattutto ha dato continuità alle competenze in unsettore tecnologico di importanza strategica, hapermesso la trasmissione delle competenze a unanuova generazione, ha mantenuto il rapportoorganico con l’industria e con le Università e,attraverso la rete internazionale di laboratori, haconsentito l’aggiornamento di metodi estrumentazione per una possibile rinascita delsettore nucleare


Nuovo nucleare - Reattori sottocritici descrizione ADS


Nuovo nucleare - Reattori sottocritici descrizione ADT

ACCELERATORE

beam line

Turbina/alternatore

BOP

SOTTOCRITICO

RAFFINAZIONE/FABBRICAZIO

NE

TARGET


Nuovo nucleare - Reattori sottocritici descrizione ADS - acceleratore LINAC



4 m2.7 m 1 .3 m

Focusing Period

C ryom odule L eng th

S pa lla tionSp a lla tionT argetT arget

704 M H z

Superconduc tingS u p e rco n d u ctin gH igh Energy H igh E n ergy P artP art

450 M eV85 M eV 185 M e V

ββββ = 0 .65 ββββ = 0 .Ź47

(A S H )

In te rm ed ia teIn te rm ed iate P art P art

D T LD T L D TLD T L D T LD TL D T LD TL

In jec to rIn jecto r

R F QR F Q D T LD T L

5 M eV9 5 keV

Sour

ceSo

urce

10 M eV

(IP H I)

(35 2 M H z )

10 0 m 1 76 m


IPHI

– Le projet IPHI, lancé par le CEA dès 1995, etauquel l ’IN2P3 s ’est associé en 1998, revêtune grande importance pour nos organismes.C ’est en effet la « tête » d ’accélérateurcommune à tous les projets d ’accélérateurs deprotons à fort courant :

• - Eurisol• - ADS• - SPL, neutrinos factories• - (ESS)

Fonte: Marcel Lieuvin,Giers 2002



PDS-XADS

• Le DAPNIA et l ’IN2P3 sont engagés dans la collaborationPDS-XADS (Preliminary Design Study of aneXperimental Accelerator Driven System).

• Pour cette collaboration européenne devant aboutir à l ’APS d ’un démonstrateur, l ’IN2P3 est responsable duWP3 (accélérateur driver)

• Les forces sont de 3 h à l ’IN2P3 et 1 h au DAPNIA,jusqu ’en 2004



Cet accélérateur de protons de 10 à 30 mA à 1 GeVdevra être d ’une fiabilité encore jamais atteinte


Nuovo nucleare - Reattori sottocritici descrizione ADS -acceleratore Ciclotrone

Parameter Unit PSI Upgrade proposalBeam Power MW 0.885 2.950Beam Energy MeV 590 590Beam current mA 1.5 5Number of sectors/ cavities - 8 / 4 8 / 6Energy gain/turn MeV 2.46 4 ÷ 5.3Extraction radius m 4.45 4.45Bhill T 2.09 2.09Turns separation mm 7 10 ÷ 15Energy spread % 0.1 0.2

Table 3 PSI Upgrade as driver of an ADS Demo.Comparison with PSI.


fission

neutron

fission

fission

proton

Oth

er se

cond

ary

parti

cles

evaporation

evaporation

Pre-fragment

evaporation

Evaporation residues

Fission Products

spallazione


SpallazioneIn un foglio sottile si formano solo PF e ER dell’interazione con pprimario, e le particelle secondarie sfuggono

In un bersaglio spesso le particelle secondarie interagiscono a lorovolta con atomi del target

Il rapporto tra il numero di p primari e numero di particellesecondarie a 1 GeV è di 1/40



0

10

20

30

40

50

0 0.5 1 1.5 2 2.5

yiel

d / E

p (n

eutro

ns/G

eV)

proton energy, E_p (GeV)


Acceleratore/Target per ADS e sinergie con altri progetti:• high flux neutron sources for material science

SNS in USAESS and AUSTRON in EuropeJAERI and KEK Joint Project in Japan

• neutron sources for material irradiation

IFMIF (international project) and SPALLAX in Europe• radioactive beam generation

EURISOL in EuropeRIA in the USE-ARENA in JAERI - KEK Joint Project in Japan

• intense particle beams for fundamental particle physics

muon and neutrino factories in Europe and USAJAERI and KEK Joint Project in Japan (muons, kaons)


Sottocritico



TRASCO PROGRAMTopics

General safety criteria and classification (ENEA, ANSALDO).

Nuclear data (ENEA, University of Bologna).

Neutronics (ENEA, CIRTEN, CRS4).

Thermal-hydraulics (ENEA, CIRTEN, CRS4, ANSALDO).

Beam window technology (ENEA, CIRTEN, ANSALDO, INFM).

Materials technology and compatibility with Lead and/or Lead-Bismuth alloy (ENEA,CIRTEN, CRS4, FN, ANSALDO).


Nuovo nucleare - Reattori sottocriticiMacrobiettivi ed i sottobiettivi del programma di ricerca a breve (2003-2006)“Validazione ed ottimizzazione su base sperimentale della configurazione di riferimentodell’impianto pilota trasmutatore”

OR1 - Campagne di Prove in Supporto al ProgettoOR1.1 – Circolazione assistita tramite iniezione di gas nel riser e stabilità idraulica delcircuito primarioOR1.2 – Controllo dell’attività dell’ossigeno nel piomboOR1.3 – Purificazione del piomboOR1.4 – Tecnologia del target windowlessOR1.6 – Attività sperimentali e di calcolo sui metalli liquidi

OR2 – Studi di estensione di requisiti di radioprotezione e sicurezzaOR2.1 – Studi per la minimizzazione e la gestione dell’attivazione dei materiali strutturaliOR2.4- Metodologie per la misura della sottocriticità

OR3 – Estrapolabilità delle soluzioni a potenze a temperature più elevateOR3.1 – Materiali StrutturaliOR3.4 – Target ad alta flessibilità di funzionamentoOR3.5 – Studio di accoppiamento del sistema sottocritico ad un LINAC

OR4 – Coordinamento scientifico e aggiornamento configurazione di riferimento


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR1.1 – Circolazione assistita tramite iniezione di gas nel riser e stabilitàidraulico del circuito primario

- primario con basse perdite di carico > innesco dellacircolazione naturale > maggiori margini di sicurezza

- semplificazione internals, reactor roof, controlloossigeno, sistema manutenzione > minori costi- aumento disponibilità di impianto

- riduzione costi di decommissioning

- proposta innovativa ENEA-Ansaldo, accettata dallacomunità internazionale

- la sperimentazione in CIRCE non ha concorrenti

Peso 10 %


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR1.2 – Controllo dell’attività dell’ossigeno nel piombo

- la configurazione a pool presenta vantaggi di costo(semplificazione) e di sicurezza (inerzia termica,circolazione naturale) rispetto alla configurazione a loop

- riduce costi e complessità dell’ ISI e della progettazioneantisismica, semplifica il lay-out

- riduce sollecitazioni termomeccaniche e fenomeni dicorrosione (T e V) sulle strutture

- il controllo ossigeno tramite iniezione di gas in grandivolumi e basse velocità del liquido è la chiave dellasoluzione a pool

- solo in CIRCE è possibile qualificare questa soluzioneinnovativaPeso 20 %


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR1.3 – Purificazione del Piombo

- negli impianti a loop si mettono filtri in linea, con problemidi bloccaggio e di manutenzione (sicurezza e disponibilitàd’impianto)

- il processo di “scrematura” non pone questi problemi,minimizza il waste secondario, è applicabile solo nellaconfigurazione “pool”

- può essere provato in CIRCE durante altre prove

-la qualifica di questo sistema per impianti nucleari èun’innovazione ENEA

Peso 5 %


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR1.4 – Tecnologia del target windowless OR3.4 – Target ad alta flessibilità di funzionamento

- Megapie dimostra che la soluzione con finestra, se possibile,è complessa e richiede frequenti sostituzioni della finestra

- numerosi eventi iniziatori portano alla rottura della finestra,cui deve seguire immediatamente trip del fascio

- la soluzione windowless non ha questi problemi, e permettedi ridurre l’attivazione della parte superiore attorno al beampipe > semplificazione di esercizio e manutenzione

- la soluzione ENEA-Ansaldo è la sola che possa funzionare

- nello studio dell’interfaccia con la beam-line lasperimentazione ENEA-INFN è all’avanguardia

- la sperimentazione in CHEOPE e in CIRCE è la prima nelmondo

Peso 30 %


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR1.6 – Attività sperimentali e di calcolo sui metalli liquidi

(modificato l’obiettivo, rispetto alla proposta del 2001)

- l’uso del piombo in luogo dell’eutettico rende piùprobabile un evento di solidificazione nel primario

- i problemi della solidificazione del metallo liquido hannocreato difficoltà nella progettazione/gestione dei circuitisperimentali (CHEOPE, CIRCE, KALLA, LISOR)

- la qualifica sperimentale dei codici di progetto è unrequisito importante, quale che sia la soluzione progettualeadottata

- ENEA ha già contribuito con esperimenti e calcoli allasoluzione dei problemi analoghi per MEGAPIE

Peso 5 %


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR3.1 – Materiali Strutturali: lo sviluppo della tecnologia del piombo

Per il programma vedi la presentazione dell’Ing. Benamati

- non si parte da zero (le industrie del piombo e dello zincotrattano in vasche e movimentano con pompe migliaia ditonnellate/anno di piombo fuso)

- si tratta di qualificare per usi nucleari le tecnologie delpiombo

- occorre partire dall’esperienza con l’eutettico edimostrare cosa è estrapolabile e cosa è specifico

- si devono risolvere su scala laboratorio gli aspettispecifici

- (segue)


Nuo

vo n

ucle

are

-R

eatto

ri so

ttocr

itici

OR3.1 – Materiali Strutturali: lo sviluppo della tecnologia del piombo(segue)

- le prove integrali (CIRCE) riguardano gli aspetti specifici(dove è possibile estrapolare conviene utilizzare l’esperienzain eutettico)

- le prove integrali riguardano soluzioni impiantistichespecifiche: i tempi necessari per studiarle e per realizzare lesezioni sperimentali sono congruenti con i tempi di modificadi CIRCE per la transizione da eutettico a piombo

- questo programma è di gran lunga il più avanzato nel settore,e ha un ampio spettro di possibili ricadute, dai concetti studiatiin GENERATION IV all’utilizzo del piombo cometermovettore in impianti solari.

Peso 30 %



–IN 1998 THE RESEARCH MINISTERS OF FRANCE, ITALYAND SPAIN SET UP A MINISTER’S ADVISORS GROUP ONTHE USE OF ACCELERATOR DRIVEN SYSTEMS (ADS).

–THIS LED TO THE ESTABLISHING OF A TECHNICALWORKING GROUP, ENLARGED IN 1999 TOREPRESENTATIVES OF MOST OF THE EUROPEANCOUNTRIES (AUSTRIA, BELGIUM, FINLAND, GERMANY,PORTUGAL AND SWEDEN) +JRC TO IDENTIFY THECRITICAL TECHNICAL ISSUES AND TO PREPARE A“ROADMAP”.



–THE FIRST GOAL IS TO PROPOSE A TECHNOLOGICAL ROUTETO REDUCE THE RISKS ASSOCIATED WITH NUCLEAR WASTEBASED ON THE TRANSMUTATION OF NUCLEAR WASTE INADS.

–THE SECOND AND MAIN GOAL IS TO PREPARE A DETAILEDTECHNICAL PROGRAMME, WITH COST ESTIMATES, WHICHWILL LEAD TO THE REALISATION OF AN EXPERIMENTAL ADSWITHIN 12 YEARS, IN THE TIME FRAME OF THE 6TH AND 7TH

FRAMEWORK PROGRAMMES.

–A THIRD GOAL IS TO IDENTIFY POSSIBLE SYNERGIES THATTHIS PROGRAMME COULD HAVE WITHIN THE SCIENTIFICCOMMUNITY, INDICATE SPIN-OFFS, SHOW HOWCOMPETENCE CAN BE MAINTAINED IN THE CURRENTLYSTAGNATING FIELD OF NUCLEAR ENERGY RESEARCH.

– GOALS OF XADS ROADMAP



Year 2000+ 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 20 30 45FP 6th FP 7th FP

ADS (Phase 1)Basic & SupportingR&DChoices of OptionsDesign and LicensingConstructionLow power testingFull power testingOperationADT (Phase 2)ConversionOperationPrototypeIndustrialDeployment

Time schedule and milestones for the development of anexperimental accelerator driven system (ADS) and accelerator

driven transmutation (ADT) technology in Europe



• i programmi nazionali

• il programma europeo

• le organizzazioni internazionali



•cosa è stato ottenuto

• come: il programma TRASCO

• come: la partecipazione ai programmi europei

• quando e dove

Nuovo nucleare - Reattori sottocritici Ciclo del ... · proliferazione, ridotta produzione di...

Documents

Transcript of Nuovo nucleare - Reattori sottocritici Ciclo del ... · proliferazione, ridotta produzione di...