Quattro reattori nucleari e principi di sicurezza

UniversitUniversit àà di Pisadi Pisa

FacoltFacolt àà di Ingegneriadi Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e de lla ProduzionDipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e de lla Produzion ee

Le quattro generazioni di reattori nucleari Le quattro generazioni di reattori nucleari e i loro principi di sicurezzae i loro principi di sicurezza

Walter AmbrosiniWalter AmbrosiniProfessore Associato nel Professore Associato nel s.s.d.s.s.d. ““ Impianti NucleariImpianti Nucleari ””

presso lpresso l ’’UniversitUniversit àà di Pisadi Pisa

CRONOBIE 08 CRONOBIE 08

Bologna, 21 Novembre 2008Bologna, 21 Novembre 2008

SOMMARIOSOMMARIO

•• Energia dai nucleiEnergia dai nuclei

•• I reattori nucleariI reattori nucleari

•• I principali tipi di reattoriI principali tipi di reattori

•• Filosofia di sicurezzaFilosofia di sicurezza

•• LL’’energia da fissione oggi energia da fissione oggi

•• Temi frequentemente dibattutiTemi frequentemente dibattuti

•• Prospettive future Prospettive future

•• Un tocco artistico ed uno di Un tocco artistico ed uno di poesiapoesia ……

ENERGIA DAI NUCLEIENERGIA DAI NUCLEIAlcune tappe storiche importantiAlcune tappe storiche importanti

1896:1896: scoperta della radioattivitscoperta della radioattivit àà (Becquerel)(Becquerel)1898:1898: Pierre e Marie Curie isolano il RadioPierre e Marie Curie isolano il Radio1905:1905: teoria speciale della relativitteoria speciale della relativit àà di Einsteindi Einstein1911:1911: modello atomico di Rutherfordmodello atomico di Rutherford1913:1913: modello atomico di modello atomico di BohrBohr1926:1926: sviluppo della meccanica quantistica (sviluppo della meccanica quantistica ( SchrSchr öödingerdinger ))1932:1932: scoperta del neutrone (scoperta del neutrone ( ChadwickChadwick ))1934:1934: scoperta della radioattivitscoperta della radioattivit àà artificiale (artificiale ( JoliotJoliot --CurieCurie ))1938: 1938: scoperta della fissionescoperta della fissione ((HahnHahn e e StrassmannStrassmann ))

ENERGIA DAI NUCLEIENERGIA DAI NUCLEILa fissione e la reazione a catenaLa fissione e la reazione a catena

•• La La fissione fissione èè una reazione nucleareuna reazione nucleare , cio, cio èè che coinvolge che coinvolge i nuclei degli atomii nuclei degli atomi

•• Nella fissione, Nella fissione, un nucleo pesante un nucleo pesante (ad es., uranio)(ad es., uranio) si si scinde in due nuclei piscinde in due nuclei pi ùù leggeri,leggeri, emettendo 2 o tre emettendo 2 o tre neutronineutroni

•• PoichPoich éé la massa dei prodotti di reazione la massa dei prodotti di reazione èè inferiore a inferiore a quella del nucleo iniziale e del neutrone incidente , si ha quella del nucleo iniziale e del neutrone incidente , si ha produzione di energia (circa 200 produzione di energia (circa 200 MeVMeV))

2E mc= ∆


•• La fissione produce La fissione produce nuclei pinuclei pi ùù leggerileggeri diversi che diversi che vengono detti vengono detti ““ prodotti di fissioneprodotti di fissione ””

•• Essi Essi posseggono lposseggono l ’’80% dell80% dell ’’energia prodotta dalla energia prodotta dalla fissionefissione sotto forma di energia cineticasotto forma di energia cinetica

•• Tale energia cinetica viene trasformata in caloreTale energia cinetica viene trasformata in calore quando quando i prodotti di fissione interagiscono con il materia le i prodotti di fissione interagiscono con il materia le circostantecircostante

•• I prodotti di fissione sono radioattiviI prodotti di fissione sono radioattivi ; emettono quindi ; emettono quindi radiazioni che a loro volta lasciano parte della lo ro radiazioni che a loro volta lasciano parte della lo ro energia nel materiale sotto forma di caloreenergia nel materiale sotto forma di calore

LA FISSIONE PUÒ ESSERE QUINDI USATA LA FISSIONE PUÒ ESSERE QUINDI USATA PER PRODURRE CALOREPER PRODURRE CALORE


•• PoichPoich éé la fissione produce anche neutroni, la fissione produce anche neutroni, questi questi possono a loro volta possono a loro volta ““ fissionarefissionare ”” altri nucleialtri nuclei di uranio e di uranio e coscos ìì via, producendo una via, producendo una ““ reazione a catenareazione a catena ”” che può che può autosostenersiautosostenersi

I REATTORI NUCLEARII REATTORI NUCLEARILa La ““ pilapila ”” di Fermidi Fermi

•• Il Il 2 Dicembre 1942,2 Dicembre 1942, in un campo di in un campo di ““ squashsquash ”” di Chicago, il primo di Chicago, il primo reattore nucleare del mondo reattore nucleare del mondo raggiunse la criticitraggiunse la criticit àà (v. in seguito)(v. in seguito)

•• Il premio Nobel Il premio Nobel Enrico FermiEnrico Fermi , fuggito , fuggito negli Stati Uniti dallnegli Stati Uniti dall ’’ Italia fascista, Italia fascista, era il leader del progettoera il leader del progetto

•• In quel memorabile pomeriggio In quel memorabile pomeriggio la la ““ pilapila ”” di Fermi, denominata CPdi Fermi, denominata CP --1, 1, funzionò per circa 4.5 minuti alla funzionò per circa 4.5 minuti alla potenza di 1.5 Wattpotenza di 1.5 Watt

Arthur Compton sintetizzò lArthur Compton sintetizzò l ’’avvenimento dicendo:avvenimento dicendo:

““ ……ilil navigatore italiano navigatore italiano èè appena sbarcato nel Nuovo Mondoappena sbarcato nel Nuovo Mondo””

I REATTORI NUCLEARII REATTORI NUCLEARILa La ““ pilapila ”” di Fermidi Fermi

•• Quel giorno il gruppo di Fermi riuscQuel giorno il gruppo di Fermi riusc ìì ad ottenere per la ad ottenere per la prima volta prima volta una reazione di fissione a catena con una reazione di fissione a catena con elementi di uranio sparsi in una matrice di grafiteelementi di uranio sparsi in una matrice di grafite

•• Questo permette di rilasciare quantitQuesto permette di rilasciare quantit àà di energia di energia enormienormi–– combustibili fossili: combustibili fossili: ∼∼∼∼∼∼∼∼ 55××××××××101077 J/kgJ/kg–– combustione dellcombustione dell ’’ idrogeno: idrogeno: 1.41.4××××××××101088 J/kgJ/kg–– fissione dellfissione dell ’’UU235235: 8: 8××××××××10101313 J/kgJ/kg

•• La possibilitLa possibilit àà di controllare la reazione a catena di controllare la reazione a catena èèlegata al fatto che i neutroni vengono prodotti com e;legata al fatto che i neutroni vengono prodotti com e;–– ““ neutroni prontineutroni pronti ”” (quasi immediatamente)(quasi immediatamente)–– ““ neutroni ritardatineutroni ritardati ”” ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ sono pochi ma hanno un ruolo chiave!!!sono pochi ma hanno un ruolo chiave!!!

I REATTORI NUCLEARII REATTORI NUCLEARIIl flusso di materiali coinvoltoIl flusso di materiali coinvolto

(Dal testo di (Dal testo di IanIan HoreHore --LacyLacy citato in calce)citato in calce)

Moltiplicando per circa 10Moltiplicando per circa 10 6 6 si ottengono si ottengono i valori per una centrale da 1000 i valori per una centrale da 1000 MWeMWe (8760 (8760 GWhGWh))

In Francia, i rifiuti nucleari sono circa lo 0.3% del totale In Francia, i rifiuti nucleari sono circa lo 0.3% del totale prodotto dallprodotto dall ’’ industria, meno di un 1 kg per abitante allindustria, meno di un 1 kg per abitante all’’ anno, anno,

di cui 900 g a bassa attivitdi cui 900 g a bassa attivitàà

((SpecialSpecialIssueIssuedi di ““ leslesddééfisfis dudu CEACEA”” , , RadioactiveRadioactiveWasteWaste, , JulyJuly 2005)2005)

In uIn u n reattore nucleare a fissione sono presenti materi ali che n reattore nucleare a fissione sono presenti materi ali che permettono lo stabilirsi della reazione a catena:permettono lo stabilirsi della reazione a catena:

•• materiali materiali ““ fissilifissili ”” , cio, cio èè che fissionano con i neutroni: che fissionano con i neutroni: UU235235, Pu, Pu239239, U, U233233

•• materiali di controllomateriali di controllo , che assorbono neutroni: , che assorbono neutroni: B, leghe B, leghe AgAg --InIn--CdCd

•• moderatori,moderatori, che rallentano i neutroni perchche rallentano i neutroni perch éé possano pipossano pi ùùfacilmente reagire con il materiale fissile:facilmente reagire con il materiale fissile:

HH22O, DO, D22O, GrafiteO, Grafite

•• materiali materiali ““ fertilifertili ”” , che catturando neutroni si trasformano in , che catturando neutroni si trasformano in fissilifissili

UU238238 +n+n→→→→→→→→ NpNp239239 →→→→→→→→ PuPu239239 ThTh232 232 +n+n→→→→→→→→PaPa233 233 →→→→→→→→ UU233233

•• materiali strutturali,materiali strutturali, necessari a mantenere in posizione le necessari a mantenere in posizione le varie parti (varie parti ( acciaio, leghe di zirconioacciaio, leghe di zirconio , ecc.), ecc.)

I REATTORI NUCLEARII REATTORI NUCLEARICome funziona un reattore a fissioneCome funziona un reattore a fissione

•• Nel reattore si deve realizzare lNel reattore si deve realizzare l ’’equilibrio tra:equilibrio tra:–– neutroni prodotti dalle fissionineutroni prodotti dalle fissioni–– neutroni perduti attraverso la superficie esterna del reattoreneutroni perduti attraverso la superficie esterna del reattore–– neutroni catturati dai materiali presenti (fissili e no n)neutroni catturati dai materiali presenti (fissili e no n)

•• Il fattore di moltiplicazione effettivo, Il fattore di moltiplicazione effettivo, KKeffeff , , èè il rapporto tra i il rapporto tra i neutroni di una neutroni di una ““ generazionegenerazione ”” e quelli della generazione e quelli della generazione precedenteprecedente

–– se se KKeffeff > 1> 1, il numero di neutroni cresce: , il numero di neutroni cresce: reattore sopracriticoreattore sopracritico–– se se KKeffeff = 1= 1, il numero di neutroni resta costante: , il numero di neutroni resta costante: reattore criticoreattore critico–– se se KKeffeff < 1< 1, il numero di neutroni diminuisce: , il numero di neutroni diminuisce: reattore sottocriticoreattore sottocritico

•• Nei reattori nucleari, in condizioni stazionarie, s i deve Nei reattori nucleari, in condizioni stazionarie, s i deve avere avere KKeffeff = 1, = 1, come Fermi riusccome Fermi riusc ìì ad ottenere nellaad ottenere nella ““ pilapila ””


0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 50 100 150 200

Dimensionless Time

Dim

ensionless Pow

er

Supercritical ReactorCritical ReactorSubcritical Reactor

•• Per realizzare questo equilibrio, generalmente, si varia la Per realizzare questo equilibrio, generalmente, si varia la quantitquantit àà di materiale assorbitore di neutroni presente nel di materiale assorbitore di neutroni presente nel reattore, ad esempio muovendo le reattore, ad esempio muovendo le barre di controllobarre di controllo

pipi ùù assorbimentoassorbimento meno assorbimentomeno assorbimento


•• Il numero di neutroni e, quindi, di fissioni prodot te in un Il numero di neutroni e, quindi, di fissioni prodot te in un secondo determina la potenza prodotta dal reattoresecondo determina la potenza prodotta dal reattore

•• Anche dopo lo spegnimento della reazione a catena, viene Anche dopo lo spegnimento della reazione a catena, viene prodotto prodotto calore di decadimentocalore di decadimento dei prodotti di fissione che dei prodotti di fissione che deve essere asportato per evitare surriscaldamentideve essere asportato per evitare surriscaldamenti


•• Anche dopo lo SCRAM (tutte le Anche dopo lo SCRAM (tutte le barre dentro!) il reattore deve barre dentro!) il reattore deve essere raffreddatoessere raffreddato

•• Questo comporta la necessitQuesto comporta la necessit àà di di avere sistemi di refrigerazione a avere sistemi di refrigerazione a lungo termine (lungo termine ( ResidualResidual HeatHeatRemovalRemoval ))

I PRINCIPALI TIPI DI REATTORII PRINCIPALI TIPI DI REATTORIELETTRICITELETTRICITÀÀ DALLA FISSIONEDALLA FISSIONE

•• Visto che Visto che la fissione produce calorela fissione produce calore , , le centrali nucleari non le centrali nucleari non differiscono molto da quelle convenzionalidifferiscono molto da quelle convenzionali ::

–– al posto della caldaia cal posto della caldaia c ’è’è il il ““ nocciolonocciolo ”” contenente elementi di contenente elementi di combustibile, barre di controllo, refrigerante, ecc.combustibile, barre di controllo, refrigerante, ecc.

–– èè necessario avere un circuito utilizzatore contenente necessario avere un circuito utilizzatore contenente una una turbina ed un alternatoreturbina ed un alternatore

•• Ciononostante, per il fatto di contenere materiale Ciononostante, per il fatto di contenere materiale radioattivo, le centrali nucleari furono sin dallradioattivo, le centrali nucleari furono sin dall ’’ inizio inizio progettate con criteri diversiprogettate con criteri diversi

LA SICUREZZA LA SICUREZZA ÈÈ STATA FIN DALLSTATA FIN DALL ’’ INIZIOINIZIOIL FATTORE PIIL FATTORE PI ÙÙ IMPORTANTEIMPORTANTE

I PRINCIPALI TIPI DI REATTORII PRINCIPALI TIPI DI REATTORIGenerazioni di ReattoriGenerazioni di Reattori

I PRINCIPALI TIPI DI REATTORII PRINCIPALI TIPI DI REATTORIATTUALMENTE IN FUNZIONEATTUALMENTE IN FUNZIONEBWRBWR CANDUCANDU

LMFBRLMFBR AGRAGR

VVERVVER RBMKRBMK

PWRPWR

I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO Alcune tra le Proposte RecentiAlcune tra le Proposte Recenti

EPREPR AP1000AP1000

ATTUALIATTUALI

IRISIRIS ADSADSFUTURIFUTURI

I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione: Obiettivi (1)La Quarta Generazione: Obiettivi (1)

I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione: Obiettivi (2)La Quarta Generazione: Obiettivi (2)

I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta GenerazioneLa Quarta Generazione

•• Si tratta di Si tratta di sei progettisei progetti attualmente allo studio, dai quali verranno attualmente allo studio, dai quali verranno selezionati i reattori da dispiegare nel 2020 selezionati i reattori da dispiegare nel 2020 –– 20302030

–– un reattore autofertilizzante refrigerato a gas (GC FR); un reattore autofertilizzante refrigerato a gas (GC FR);

–– un reattore a gas ad alta temperatura (VHGTR); un reattore a gas ad alta temperatura (VHGTR);

–– un reattore (termico o veloce) ad acqua supercritic a (SCWR); un reattore (termico o veloce) ad acqua supercritic a (SCWR);

–– un reattore veloce refrigerato a sodio (SCFR); un reattore veloce refrigerato a sodio (SCFR);

–– un reattore veloce refrigerato a piombo (LFR); un reattore veloce refrigerato a piombo (LFR);

–– un reattore con spettro un reattore con spettro epiternicoepiternico refrigerato a sali fusi (MSR). refrigerato a sali fusi (MSR).

•• Questi progetti, che sono attualmente oggetto di stud io e ricercQuesti progetti, che sono attualmente oggetto di stud io e ricerc a in a in tutto il mondo, tutto il mondo, sono in varia misura promettenti sono in varia misura promettenti solo in quanto solo in quanto basati sulla tecnologia attualebasati sulla tecnologia attuale

I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO I REATTORI DI OGGI E DEL FUTURO La Quarta Generazione: ReattoriLa Quarta Generazione: Reattori

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZAObiettivi della progettazione dei reattoriObiettivi della progettazione dei reattori

•• Una regola dUna regola d ’’oro nella progettazione dei reattori dice che oro nella progettazione dei reattori dice che in un in un nocciolo si può produrre pressochnocciolo si può produrre pressoch éé qualunque potenza si voglia, qualunque potenza si voglia, ma si deve essere in grado di estrarla in sicurezzama si deve essere in grado di estrarla in sicurezza

•• Il progetto di un reattore Il progetto di un reattore èè allora finalizzato a allora finalizzato a garantire una garantire una estrazione efficiente e sicura della potenza prodotta dalla estrazione efficiente e sicura della potenza prodotta dalla fissionefissione–– progetto meccanicoprogetto meccanico dei componenti per sopportare i carichi previstidei componenti per sopportare i carichi previsti–– progetto termoidraulicoprogetto termoidraulico del reattore e dei circuiti per garantire che del reattore e dei circuiti per garantire che

non vengano superati i limiti di temperatura previs tinon vengano superati i limiti di temperatura previs ti–– progetto neutronicoprogetto neutronico del reattore per ottimizzare la distribuzione del reattore per ottimizzare la distribuzione

della potenza prodottadella potenza prodotta

•• In ogni Paese, sono disponibili norme e linee guida per poter In ogni Paese, sono disponibili norme e linee guida per poter rilasciare la licenza di esercizio (rilasciare la licenza di esercizio ( ““ licensinglicensing ”” ) ai reattori nucleari, ) ai reattori nucleari, norme che comprendono anche specifici norme che comprendono anche specifici ““ criteri di progettocriteri di progetto ””

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZAProgettare in SicurezzaProgettare in Sicurezza

Difesa in ProfonditDifesa in Profondit àà

1. 1. Progettare per il massimo di sicurezza in condizion i normali conProgettare per il massimo di sicurezza in condizion i normali conelevati margini di tolleranza per i possibili malfu nzionamentielevati margini di tolleranza per i possibili malfu nzionamenti

QUALITQUALIT ÀÀ, RIDONDANZA, ISPEZIONABILIT, RIDONDANZA, ISPEZIONABILIT ÀÀ, TESTABILIT, TESTABILIT ÀÀ, , SICUREZZA INTRINSECA, DIVERSIFICAZIONESICUREZZA INTRINSECA, DIVERSIFICAZIONE

2.2. Assumere che gli incidenti possano accadere nonosta nte la cura Assumere che gli incidenti possano accadere nonosta nte la cura adottata nel progetto, nella costruzione e nelladottata nel progetto, nella costruzione e nell ’’esercizioesercizioINTRODURRE SALVAGUARDIE PER FRONTEGGIARE GUASTI INTRODURRE SALVAGUARDIE PER FRONTEGGIARE GUASTI (ECCS, POTENZA (ECCS, POTENZA ““ OFFOFF”” e e ““ ONON--SITESITE”” , SCRAM RIDONDANTE) , SCRAM RIDONDANTE)

3.3. Introdurre sistemi di sicurezza aggiuntivi basati s ulla valutaziIntrodurre sistemi di sicurezza aggiuntivi basati s ulla valutazi one di one di incidenti ipotetici, nei quali avvenga il guasto si multaneo dei incidenti ipotetici, nei quali avvenga il guasto si multaneo dei sistemi di protezionesistemi di protezione

SALVAGUARDIE AGGIUNTIVE SALVAGUARDIE AGGIUNTIVE PER FRONTEGGIARE GLI INCIDENTI DI BASE DI PROGETTOPER FRONTEGGIARE GLI INCIDENTI DI BASE DI PROGETTO

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZAProgettare in SicurezzaProgettare in Sicurezza

Barriere MultipleBarriere Multiple

La fuoriuscita di materiale La fuoriuscita di materiale radioattivo viene prevenuta radioattivo viene prevenuta da barriere fisiche:da barriere fisiche:

•• il combustibile il combustibile •• ll ’’ incamiciaturaincamiciatura•• il circuito in pressione del il circuito in pressione del

reattorereattore•• il sistema di contenimentoil sistema di contenimento

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZALa Localizzazione degli Impianti NucleariLa Localizzazione degli Impianti Nucleari

•• La scelta del sito su cui costruire un reattore può av ere importLa scelta del sito su cui costruire un reattore può av ere import anti anti conseguenze nel caso di possibili incidenti ed conseguenze nel caso di possibili incidenti ed èè anche rilevante anche rilevante per la distribuzione dellper la distribuzione dell ’’energia elettricaenergia elettrica

•• Si devono considerare i seguenti aspetti:Si devono considerare i seguenti aspetti:–– la la densitdensit àà di popolazionedi popolazione : :

•• area di esclusione area di esclusione •• zona a bassa densitzona a bassa densit àà di popolazionedi popolazione

–– la la meteorologia del sitometeorologia del sito ::•• la distribuzione dei venti ha influenza sulle conse guenze di un la distribuzione dei venti ha influenza sulle conse guenze di un incidenteincidente•• la possibilitla possibilit àà che si verifichino piene o trombe dche si verifichino piene o trombe d ’’aria deve essere aria deve essere

considerataconsiderata

–– le le caratteristiche sismiche della regione caratteristiche sismiche della regione (definizione dei TRA e TRB)(definizione dei TRA e TRB)–– la la rete stradalerete stradale–– la la disponibilitdisponibilit àà di un pozzo di caloredi un pozzo di calore (fiume o mare)(fiume o mare)

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZAIncidenti Considerati nel ProgettoIncidenti Considerati nel Progetto

•• Il principio di Il principio di ““ difesa in profonditdifesa in profondit à”à” richiede che vengano definiti richiede che vengano definiti incidenti possibili ma, generalmente, altamente impro babili da incidenti possibili ma, generalmente, altamente impro babili da prendere a riferimento nel progetto del reattoreprendere a riferimento nel progetto del reattore

•• Viene definito un vasto spettro di incidenti; grossol anamente, sViene definito un vasto spettro di incidenti; grossol anamente, s i i considerano due categorie:considerano due categorie:

–– Incidenti di Perdita di Refrigerante (Incidenti di Perdita di Refrigerante ( LOCAsLOCAs ))•• anche quando la reazione a catena anche quando la reazione a catena èè spenta il calore di decadimento deve spenta il calore di decadimento deve

essere asportato, altrimenti il combustibile si ris calda e fondeessere asportato, altrimenti il combustibile si ris calda e fonde•• si considerano diversi tipi di rottura dalle piccol e perdite allsi considerano diversi tipi di rottura dalle piccol e perdite all a rottura a a rottura a

ghigliottina della tubazione di pighigliottina della tubazione di pi ùù grosso, diametrogrosso, diametro•• per fronteggiare questi eventiper fronteggiare questi eventi vengono introdotti nellvengono introdotti nell ’’ impiantoimpianto sistemi di sistemi di

refrigerazione di emergenza (ECCS)refrigerazione di emergenza (ECCS)

–– Incidenti di ReattivitIncidenti di Reattivit àà•• essi vengono evitati progettando essi vengono evitati progettando noccioli intrinsecamente stabilinoccioli intrinsecamente stabili•• si utilizzano anche si utilizzano anche sistemi multipli di spegnimento della razione a cat enasistemi multipli di spegnimento della razione a cat ena

(barre, boro liquido)(barre, boro liquido)

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZAAnalisi della SicurezzaAnalisi della Sicurezza

•• Il Il ““ RischioRischio ”” derivante da underivante da un ’’attivitattivit àà industriale industriale èè definito come il definito come il numero di numero di ““ conseguenzeconseguenze ”” attese per unitattese per unit àà di tempodi tempo

•• In campo nucleare vengono normalmente usateIn campo nucleare vengono normalmente usate tecniche di tecniche di analisi di sicurezza allo scopo di valutare ed ottimi zzare il lianalisi di sicurezza allo scopo di valutare ed ottimi zzare il li vello vello di sicurezza raggiunto in un dato impiantodi sicurezza raggiunto in un dato impianto–– alberi degli eventi: alberi degli eventi: per identificare la probabilitper identificare la probabilit àà di scenari incidentalidi scenari incidentali–– alberi dei guasti: alberi dei guasti: per valutare la probabilitper valutare la probabilit àà di guasto dei vari sistemidi guasto dei vari sistemi

•• Tra gli studi svolti per valutare la sicurezza dei rea ttori si rTra gli studi svolti per valutare la sicurezza dei rea ttori si r icorda: icorda: –– il il WASHWASH--14001400 (1974)(1974) commissionato dallcommissionato dall ’’AutoritAutorit àà di sicurezza degli di sicurezza degli

Stati Uniti al Prof. Norman Stati Uniti al Prof. Norman RasmussenRasmussen del MITdel MIT–– il il NUREGNUREG--1150 (1990)1150 (1990) che ha analizzato in dettaglio il rischio dovuto che ha analizzato in dettaglio il rischio dovuto

a 5 reattori negli Stati Unitia 5 reattori negli Stati Uniti

•• Questi studi hanno mostrato che Questi studi hanno mostrato che i reattori nucleari danno luogo a i reattori nucleari danno luogo a rischi che sono ben al di sotto di quelli coinvolti in molte altrischi che sono ben al di sotto di quelli coinvolti in molte alt re re attivitattivit àà umaneumane

consequences events consequencesRisk frequency magnitude

unit time unit time event

= ×

InitiatingEvent

PA

Fails

PB

Succeeds

System A System B System C System D System E

PC2

PC1

PD1

PD2

PD3

PD4

PE1

PE2

PE3

PE4

PE5

PE6

PE7

PE8

Probabilities of

each individual

scenario

Failure of a Complex System

OR

AND

Failure of Subsystem A

Failure of Subsystem B

Failure of Subsystem C

Failure of Subsystem D

EarlyEarly FatalitiesFatalities accordingaccording toto WASHWASH--14001400

NUREGNUREG--11501150

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZALa radioprotezioneLa radioprotezione

Radiation Sources [mSv/yr] Natural sources • Indoor Radon • Terrestrial radiation • Cosmic rays • Radionuclides in the body Total natural (rounded)

2.0

0.28 0.27 0.39

3.0

Medical sources • Diagnostic X-rays • Medical treatments

0.39 0.14

Consumer products (building materials and water supply)

0.1

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

•• Siamo quotidianamente esposti alle radiazioni presen ti in naturaSiamo quotidianamente esposti alle radiazioni presen ti in natura , , dovute adovute a ::–– radionuclidi presenti nella crosta terrestre radionuclidi presenti nella crosta terrestre (e.g., K(e.g., K 4040, Rb, Rb8787, Th, Th232232, U, U238238))–– raggi cosmiciraggi cosmici–– radionuclidi nel corpo umanoradionuclidi nel corpo umano

Valori AnnualiValori Annuali

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZALa radioprotezioneLa radioprotezione

•• Organizzazioni nazionali ed internazionali (ad es., la ICRP) Organizzazioni nazionali ed internazionali (ad es., la ICRP) deliberano gli deliberano gli ““ standardsstandards ”” per la protezione contro le radiazioni per la protezione contro le radiazioni ionizzantiionizzanti

•• In generale, i principi adottati per la protezione dal le radiaziIn generale, i principi adottati per la protezione dal le radiazi oni oni sono tre:sono tre:–– nessuna esposizione deliberata a radiazioni nessuna esposizione deliberata a radiazioni èè giustificata senza che ne giustificata senza che ne

provenga un beneficioprovenga un beneficioGIUSTIFICAZIONEGIUSTIFICAZIONE

–– tutte le esposizioni devono essere ridotte al minim o ragionevoletutte le esposizioni devono essere ridotte al minim o ragionevole ((““ asaslow low asas reasonablyreasonably achievableachievable ”” ))

OTTIMIZZAZIONE (ALARA)OTTIMIZZAZIONE (ALARA)–– in ogni caso le dosi non devono superare alcuni lim iti stabilitiin ogni caso le dosi non devono superare alcuni lim iti stabiliti per i vari per i vari

gruppi di popolazione:gruppi di popolazione:LIMITAZIONELIMITAZIONE

SI DEVONO RISPETTARE LE DOSI MASSIME AMMISSIBILI ST ABILITE SI DEVONO RISPETTARE LE DOSI MASSIME AMMISSIBILI ST ABILITE ESTRAPOLANDO CONSERVATIVAMENTE GLI EFFETTI NOTI AD ALTE DOSIESTRAPOLANDO CONSERVATIVAMENTE GLI EFFETTI NOTI AD ALTE DOSI

UnUn’’ ipotesi ipotesi molto conservativamolto conservativaadottata in radioprotezione adottata in radioprotezione èèquella detta di quella detta di ““ linearlinear no no thresholdthreshold (LNT)(LNT) ”” secondo la quale secondo la quale

non esisterebbe una soglia inferiore al danno da radiazioni e ilnon esisterebbe una soglia inferiore al danno da radiazioni e ildanno sarebbe cumulativo su intere popolazioni ed danno sarebbe cumulativo su intere popolazioni ed

estrapolabile linearmenteestrapolabile linearmenteda quello osservato alla alte dosida quello osservato alla alte dosi

SI TRATTA SI TRATTA DIDI UNUN’’ IPOTESI ANCORA APPLICATA DALLE IPOTESI ANCORA APPLICATA DALLE ORGANIZZAZIONI INTERNAZIONALI (ICRP)ORGANIZZAZIONI INTERNAZIONALI (ICRP)

CHE COMINCIA AD ESSERE CRITICATA CHE COMINCIA AD ESSERE CRITICATA PER POSSIBILE MANCANZA PER POSSIBILE MANCANZA DIDI REALISMOREALISMO

LL’’ENERGIA DA FISSIONE OGGIENERGIA DA FISSIONE OGGIAlcuni DatiAlcuni Dati

0

20

40

60

80

100

120

ARGENTINA

ARMENIA

BELGIUM

BRAZIL

BULGARIA

CANADA

CHINA

CZECH REPUBLIC

FINLAND

FRANCE

GERMANY

HUNGARYIN

DIAIR

AN

JAPAN

LITHUANIA

MEXICO

NETHERLANDS

PAKISTAN

ROMANIA

RUSSIA

SLOVAKIA

SLOVENIA

SOUTH AFRIC

A

SOUTH KOREA

SPAIN

SWEDEN

SWITZERLAND

TAIWAN

UKRAINE

UNITED KIN

GDOM

UNITED STATES

Num

ber

of R

eact

ors

LGRGCRLMFBRPHWRPWRBWR

Data from ANS "Nuclear News", March Updated at Dec.

Total Number = 443

OPERATING REACTORS BY COUNTRY AND TYPE


0

5

10

15

20

25

ARGENTINA

ARMENIA

BELGIUM

BRAZIL

BULGARIA

CANADA

CHINA

CZECH REPUBLIC

FINLAND

FRANCE

GERMANY

HUNGARYIN

DIAIR

AN

JAPAN

LITHUANIA

MEXICO

NETHERLANDS

PAKISTAN

ROMANIA

RUSSIA

SLOVAKIA

SLOVENIA

SOUTH AFR

ICA

SOUTH KOREA

SPAIN

SWEDEN

SWIT

ZERLA

ND

TAIWAN

UKRAINE

UNITED KIN

GDOM

UNITED STATES

Num

ber

of R

eact

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LGR

GCR

LMFBR

PHWR

PWR

BWR

Data from ANS "Nuclear News", March 2008

Updated at Dec. 2007

Total Number = 61

FORTHCOMING REACTORS BY COUNTRY AND TYPE


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ArgentinaArmeniaBelgium

BrazilBulgariaCanadaChina*

Czech RPFinlandFrance

GermanyHungary

IndiaJapan

Korea Rep.Lithuania

MexicoNetherlands

PakistanRomania

RussiaSlovakiaSlovenia

South AfricaSpain

SwedenSwitzerland

UkraineU.K.U.S.

Share of Electricity Generated by Nuclear Reactors in Each Country [%]

Data from NEI - Year 2005

Total World Share in 2005 = 16 %


POWER OF OPERATING REACTORS BY TYPE

BWR22.8%

PWR64.7%

LGR3.0%

GCR2.6%

LMFBR0.2%

PHWR6.7%

Data from ANS "Nuclear News", March 2008Updated at Dec. 2007

Total Installed Power = 376,341.2 MWe


NUMBER OF LICENSE RENEWALS IN USA

Expected Applications, 20

Applications Under Review, 11

Approved, 48

Balance, 25

Data from ANS "Nuclear News", March 2008Updated at Dec. 2007

Total Number of Operating Reactors = 104

Lifetimes extended up to 2029 - 2046


World Net Electricity Generation by Type, 2004Data from US DOE Energy Information Administration

International Energy Annual 2005

Conventional Thermal, 10,934.59 TWh

65%

Geothermal, Solar, Wind, and Wood and

Waste, 341.45 TWh

2%Nuclear,

2,615.01 TWh16%

Hydroelectric2,759.16 TWh

17%

LL’’ENERGIA DA FISSIONE OGGIENERGIA DA FISSIONE OGGICompetitivitCompetitivit àà EconomicaEconomica

(http://www.world(http://www.world --nuclear.org/info/inf02.html)nuclear.org/info/inf02.html)

LL’’ENERGIA DA FISSIONE OGGIENERGIA DA FISSIONE OGGICompetitivitCompetitivit àà Economica Economica

Contributi al Costo del kWh Nucleare

Attività di fine ciclo5%

Fabbricazione 3%

Arricchimento6%

Conversione1%

Uranio5%

Investimento60%

Esercizio e Manutenzione (Decommissioning 1-5%)

20%

Ciclo del Combustibile20%

Dati Nuclear Energy Agency (http://www.nea.fr/html/pub/nuclearenergytoday/welcome.html)

LL’’ENERGIA DA FISSIONE OGGIENERGIA DA FISSIONE OGGIProvenienza dellProvenienza dell ’’Uranio Uranio

(Dal testo di (Dal testo di IanIan HoreHore --LacyLacy citato in bibliografia)citato in bibliografia)NBNB: Risorse stimate al prezzo di : Risorse stimate al prezzo di US$US$ 80/kg U80/kg U –– Dati OECD NEA & IAEADati OECD NEA & IAEA

LL’’ENERGIA DA FISSIONE OGGIENERGIA DA FISSIONE OGGICosto ed Abbondanza dellCosto ed Abbondanza dell ’’Uranio Uranio

(Dal testo di (Dal testo di IanIan HoreHore --LacyLacycitato in bibliografia)citato in bibliografia)

Deve essere chiaro che, Deve essere chiaro che, essendo lessendo l ’’Uranio cosUranio cos ìì diffuso in naturadiffuso in naturaed ed essendo il suo costo poco importante per quello del essendo il suo costo poco importante per quello del KWhKWh ,,

la sua disponibilitla sua disponibilit àà effettiva effettiva èè elevatissima elevatissima

• Il punto di forza del nucleare in relazione alle scori e prodotte sono le piccole quantità di massa coinvolte a parità di energia prodotta

• Le scorie vengono prodotte dalla fissione nucleare e s ono costituite da isotopi radioattivi la cui vita media può essere an che 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

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTICosa sono le scorieCosa sono le 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 luog o a centinaia di migliaia di tonnellate di ceneri e milioni di ton nellate di CO 2

• Una celebre immagine (reperibile su internet) mostra l a quantità di scorie ad alta attività inglobate in matrice vetrosa c he risulta dalla produzione dell’energia necessaria per sopperire al cons umo energetico di una persona in un paese industrializzato per tutta la vita

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTILa quantitLa quantit àà delle scoriedelle 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 Ne w Mexico ed accoglierà scorie fino al 2035 (Waste Isolation Pilot P lant)

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl Il trattamentotrattamento delle scoriedelle scorie

300 – 1000 m

Installazioni

in superficie

Tunnel di

accesso

Zona di deposito

in profondità

Tunnel

Bentonite

Contenitore

delle scorie

• Gli Stati Uniti stanno mettendo a punto la repository “retrievable” di Yucca Mountain

• Molti Paesi impegnati nel nucleare stanno individuando siti per la deposizione finale delle scorie

• Il riprocessamento del combustibile, il partizionamento e la trasmutazione permetteranno tempi di decadimento piùbrevi e lo sfruttamento del Pu

• I reattori nucleari funzionanti hanno totalizzato più di 12000 anni-reattore di funzionamento sicuro

IN INGEGNERIA E’ SICUROSOLO CIO’ CHE HA PROVATO DI ESSERLO

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIGliGli incidentiincidenti effettivamenteeffettivamente accadutiaccaduti

• 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 osse rvati 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

•• Come per molte altre tecnologie, Come per molte altre tecnologie, le applicazioni pacifiche sono le applicazioni pacifiche sono venute dopo quelle militarivenute dopo quelle militari

•• Il plutonio prodotto nei reattori PWR e BWRIl plutonio prodotto nei reattori PWR e BWR (la maggioranza) (la maggioranza) non non può essere utilizzato per scopi militaripuò essere utilizzato per scopi militari perchperch éé contiene isotopi di contiene isotopi di numero di massa pari che rendono altamente inefficient i gli ordinumero di massa pari che rendono altamente inefficient i gli ordi gnigni

•• La produzione di plutonio per scopi bellici La produzione di plutonio per scopi bellici èè avvenuta utilizzando avvenuta utilizzando reattori specificamente progettati a questo scopo reattori specificamente progettati a questo scopo

•• I reattori di I reattori di quarta generazionequarta generazione si propongono una resistenza la si propongono una resistenza la proliferazione anche maggiore e il plutonio da essi pro dotto dovproliferazione anche maggiore e il plutonio da essi pro dotto dov rrààessere utilizzato per scopi pacificiessere utilizzato per scopi pacifici

•• Anche in questo caso, le paure suscitate da questo d ibattito sonAnche in questo caso, le paure suscitate da questo d ibattito son o o sproporzionate: sproporzionate: esistono modi ben piesistono modi ben pi ùù semplici di nuoceresemplici di nuocere senza senza ricorrere al nucleare (armi chimiche, batteriologiche, ecc.)ricorrere al nucleare (armi chimiche, batteriologiche, ecc.)

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl Il nuclearenucleare pacificopacifico e le e le applicazioniapplicazioni militarimilitari

• L’energia nucleare non produce praticamente gas serra

• Essa è quindi considerata da nuove correnti ambientalis te (v. James Lovelock, che ha proposto la teoria di Gaia ) l’unica fonte che può permettere in tempi brevi di evitare il “global warmin g”

– le fonti rinnovabili rappresentano un’alternativa i n 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 s icurezza esistono e stiamo fronteggiando un periodo di rinascita

– il mondo ha sempre più bisogno di energia per soddif are le esigenze di chi chiede sviluppo e benessere (Cina, India, Africa)

– in combinazione con l’idrogeno potrebbe considerevo lmente 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 s volgere proprio adesso nel modo più efficace per rendere sostenibile lo sviluppo

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl Il nuclearenucleare e e ll ’’ambienteambiente

• 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 ingegn eri nucleari e si tenta affannosamente di colmare il ga p

• Le matricole di Ingegneria Nucleare e della Sicurezza e Protezione di quest’anno a Pisa sono raddoppiate:ma sono ancora poche!!!

LL’’ENERGIA DA FISSIONE OGGIENERGIA DA FISSIONE OGGIStudiare Ingegneria NucleareStudiare Ingegneria Nucleare

Per maggiori informazioniPer maggiori informazionivisitate il sito visitate il sito YouNuclearYouNuclear

http://younuclear.ing.unipi.ithttp://younuclear.ing.unipi.it

• Siamo in un clima di rinascita del nucleare , dovuta all’alto costo dei combustibili fossili e alle preoccupazioni ambiental i

• Purtroppo le scelte politiche nel settore energetico no n sono chiare e l’atteggiamento dell’opinione pubblica è spesso affe tto dalla sindrome del NIMBY (“not-in-my-backyard”)

• L’Italia oggi importa circa il 13-16% del suo fabbiso gno elettrico da Paesi come la Francia e la Svizzera che producono energ ia per via nucleare

• L’Europa produce un terzo dell’energia elettrica per v ia nucleare

• E’ difficile fare previsioni in un clima in cui persin o i rifiuti urbani sono un problema irrisolto

• E’ comunque certo che l’energia nucleare svolgerà un ruolo importante nel futuro, permettendo la produzione di ene rgia in maniera pulita e compatibile con l’ambiente

PROSPETTIVE FUTUREPROSPETTIVE FUTURE

Fonti e Letture ConsigliateFonti e Letture Consigliate

IngegneriaIngegneria NucleareNucleare e e SicurezzaSicurezza•• D. D. BodanskyBodansky , , ““ Nuclear Energy Nuclear Energy –– Principles, Practices and ProspectsPrinciples, Practices and Prospects ”” , American , American

Institute of Physics, New York, 1996.Institute of Physics, New York, 1996.•• J.R. J.R. LamarshLamarsh , A.J. , A.J. BarattaBaratta , , ““ Introduction to Nuclear EngineeringIntroduction to Nuclear Engineering ”” , 3rd Edition, Prentice , 3rd Edition, Prentice

Hall, New Jersey, 2001. Hall, New Jersey, 2001. •• E.E. Lewis, E.E. Lewis, ““ Nuclear Power Reactor SafetyNuclear Power Reactor Safety ”” , John Wiley and Sons, New York, 1977., John Wiley and Sons, New York, 1977.•• Nuclear News, ANS.Nuclear News, ANS.•• Radioactive Waste Radioactive Waste –– management according to the law, Special Issue of management according to the law, Special Issue of ““ les les ddééfisfis du du

CEACEA”” , July 2005., July 2005.

ProspettivaProspettiva storicastorica sullasulla nascitanascita delldell ’’eraera nuclearenucleare e e nuovonuovo ambientalismoambientalismo•• R. Rhodes, R. Rhodes, ““ The Making of the Atomic BombThe Making of the Atomic Bomb ”” , Touchstone, 1988., Touchstone, 1988.•• G. Cravens G. Cravens ““ Power to Save the WorldPower to Save the World ”” , A.A. Knopf, New York, 2007, A.A. Knopf, New York, 2007•• J. Lovelock, J. Lovelock, ““ The Revenge of Gaia: Earth's Climate Crisis and the Fate of HumaThe Revenge of Gaia: Earth's Climate Crisis and the Fate of Huma nitynity ”” , ,

PerseusPerseus Books GroupBooks Group•• Ian Ian HoreHore --Lacy, Nuclear Energy in the 21st Century, World Nuc lear UniversiLacy, Nuclear Energy in the 21st Century, World Nuc lear Universi ty Pressty Press

InformazioniInformazioni generaligenerali sullsull ’’energiaenergia nuclearenucleare e none non --nuclearenucleare•• www.worldwww.world --nuclear.orgnuclear.org , , www.uraniumsa.orgwww.uraniumsa.org , , www.iaea.orgwww.iaea.org , , www.eia.doe.govwww.eia.doe.gov ,,•• www.nei.org/www.nei.org/

Un tocco Un tocco artisticoartistico ……

Il sonno della ragione genera mostri (Goya)

Un tocco di Un tocco di poesiapoesia ……

…OhOh chispachispa loca,loca,vuelvevuelve

a tu a tu mortajamortaja , , entienti éérraterrate

en en tustus mantosmantosmineralesminerales , ,

vuelvevuelve a a serser piedrapiedraciegaciega , ,

desoyedesoye a a loslos bandidosbandidos , , colaboracolabora

ttúú, con la , con la vidavida , con la , con la agriculturaagricultura , ,

suplantasuplanta loslos motoresmotores , , eleva la eleva la energenerg ííaa, ,

fecundafecunda loslos planetasplanetas . . YaYa no no tienestienes

secreto, secreto, caminacamina

entreentre loslos hombreshombressin sin mmááscarascara

terribleterrible , , apresurandoapresurando elel pasopaso

y y extendiendoextendiendoloslos pasospasos de de loslos frutosfrutos , ,

separando separando montamonta ññasas, ,

enderezandoenderezando rr ííosos , , fecundandofecundando , ,

áátomotomo , , desbordadadesbordada

copacopaccóósmicasmica , ,

vuelvevuelvea la a la pazpaz del del racimoracimo , , a la a la velocidadvelocidad de la de la

alegralegr ííaa, , vuelvevuelve al recinto al recinto de la de la naturalezanaturaleza , ,

ponte a ponte a nuestronuestro servicioservicio , , y en y en vezvez de de laslas cenizascenizas

mortalesmortalesde tu de tu mmááscarascara , ,

en en vezvez de de loslos infiernosinfiernosdesatadosdesatados

de tu de tu ccóóleralera , , en en vezvez de la de la amenazaamenazade tu de tu terribleterrible claridadclaridad , ,

entrentr ééganosganostu tu sobrecogedorasobrecogedora

rebeldrebeld ííaapara para loslos cerealescereales , ,

tu magnetismo tu magnetismo desencadenadodesencadenado

para para fundarfundar la la pazpaz entreentreloslos hombreshombres , ,

y y asasíí no no serser áá infiernoinfiernotu tu luzluz deslumbradoradeslumbradora , ,

sino sino felicidadfelicidad , , matutinamatutina esperanzaesperanza , ,

contribucicontribuci óónn terrestre.terrestre.

PABLO NERUDAPABLO NERUDA(dall(dall ’’ ““ Ode allOde all ’’AtomoAtomo ”” ))

Riassumendo, il significato della poesia è che sebbene la scoperta e l’uso dell’energia nucleare

abbiano portato immenso dolore in tempo di guerra, in tempo di pace possono portare immensi benefici

Conseguire questi benefici è l’impegno di chi oggi è c oinvolto nella ricerca e nello sviluppo dei reattori nucleari

Grazie per lGrazie per l ’’attenzione !attenzione !

[email protected]@ing.unipi.it

Materiale aggiuntivoMateriale aggiuntivo

ENERGIA DAI NUCLEIENERGIA DAI NUCLEILa radioattivitLa radioattivit àà

•• I nuclei degli atomi possono I nuclei degli atomi possono essere essere ““ radioattiviradioattivi ”” , cio, cio èè emettere emettere ““ radiazioniradiazioni ”” che sono di tre tipi:che sono di tre tipi:

–– particelle alfaparticelle alfa (nuclei di (nuclei di HeHe))–– particelle beta particelle beta (elettroni)(elettroni)–– raggi gammaraggi gamma (radiazioni (radiazioni

elettromagnetiche ad alta energia)elettromagnetiche ad alta energia)

•• Il Il ““ potere penetrantepotere penetrante ”” di queste di queste radiazioni radiazioni èè diverso e dipende dal diverso e dipende dal meccanismo di interazione con la meccanismo di interazione con la materia (Linear Energy Transfer)materia (Linear Energy Transfer)

•• La radioattivitLa radioattivit àà, che esiste in , che esiste in natura o può essere generata natura o può essere generata artificialmente, mostrò che artificialmente, mostrò che i i nuclei possono liberare energianuclei possono liberare energia

Non era però ancora chiaro se e Non era però ancora chiaro se e come si potesse utilizzare come si potesse utilizzare questa energiaquesta energia

PRINCIPALI TIPI DI REATTORIPRINCIPALI TIPI DI REATTORIElemento di combustibile di un PWRElemento di combustibile di un PWR

• Anche la reazione nucleare che comporta la fusione di nuclei leggeri per formarne uno pesante produce cal ore

17.6 MeV

• Nel giugno 2005, i partners del consorzio ITER hannodeciso di costruire un prototipo di tokamak a Cadarache , in Francia

• Il prototipo è progettato per produrre 500 MW di potenz aed è ancora sperimentale; il primo plasma era inizialmente previsto per il 2016

LA FUSIONE NUCLEARELA FUSIONE NUCLEAREBreviBrevi PuntualizzazioniPuntualizzazioni (1)(1)

•• ITER ITER sarsar àà unun TokamakTokamak , , unauna macchinamacchina in cui in cui ilil deuteriodeuterio ededilil triziotrizio costituirannocostituiranno un plasma un plasma riscaldatoriscaldato a 100 a 100 milionimilioni di di gradigradi per per produrreprodurre la la fusionefusione nuclearenucleare , , confinatoconfinato dadapotentipotenti campicampi magneticimagnetici

LA FUSIONE NUCLEARELA FUSIONE NUCLEAREBreviBrevi PuntualizzazioniPuntualizzazioni (2)(2)

•• Lo Lo scoposcopo di ITER di ITER èè mostraremostrare la la fattibilitfattibilit àà scientificascientifica e e tecnologicatecnologicadelldell ’’usouso delladella fusionefusione per per scopiscopipacificipacifici

•• DovrDovr àà funzionarefunzionare per circa 20 per circa 20 annianni con con qualchequalche migliaiomigliaio di di impulsiimpulsi dada 10 s10 s

•• Si Si pensapensa cheche cici vorrannovorranno circa 50 circa 50 annianni per per risolvererisolvere i i problemiproblemitecnicitecnici coinvolticoinvolti nellnell ’’usousocommercialecommerciale deidei tokamaktokamak

((fontefonte www.iter.orgwww.iter.org ))

•• Nei reattori Nei reattori ““ termicitermici ”” , quelli in cui le fissioni sono prodotte , quelli in cui le fissioni sono prodotte principalmente da neutroni di bassa energia, si ha:principalmente da neutroni di bassa energia, si ha:

–– la popolazione di neutroni la popolazione di neutroni èè prodotta ad alta energia prodotta ad alta energia (mediamente 2 (mediamente 2 MeVMeV) e ) e subiscesubisce un incremento di un fattoreun incremento di un fattore εεεεεεεε per per le fissioni che avvengono ad alta energia (le fissioni che avvengono ad alta energia ( ““ velociveloci ”” ))

–– il moderatore rallenta il neutrone ma, prima che ciò a vvenga, il moderatore rallenta il neutrone ma, prima che ciò a vvenga, esso può essere assorbito: esso può essere assorbito: pp èè la probabilitla probabilit àà di fuga di fuga allall ’’assorbimento (di risonanza)assorbimento (di risonanza)

–– una volta rallentato (a frazioni di una volta rallentato (a frazioni di eVeV), il neutrone ha una ), il neutrone ha una probabilitprobabilit àà f f di essere assorbito nel combustibiledi essere assorbito nel combustibile anzichanzich éé in altri in altri materialimateriali

–– infine, infine, ηηηηηηηη èè il numero di neutroni prodotti dalle fissioni per il numero di neutroni prodotti dalle fissioni per neutrone assorbito nel combustibileneutrone assorbito nel combustibile

•• Il prodotto Il prodotto KK∞∞∞∞∞∞∞∞ == εεεεεεεεpfpf ηηηηηηηη rappresenta il fattore di rappresenta il fattore di moltiplicazione per un reattore infinito. Introduce ndo la moltiplicazione per un reattore infinito. Introduce ndo la probabilitprobabilit àà di non fuggire dal reattore,di non fuggire dal reattore, PP,, si ha:si ha:

KKeffeff = K= K∞∞∞∞∞∞∞∞ P =P = εεεεεεεεpfpf ηηηηηηηη P P

I REATTORI NUCLEARII REATTORI NUCLEARILa formula dei quattro fattori: storia di un neutro neLa formula dei quattro fattori: storia di un neutro ne

NN Neutrons from Fission Neutrons from Fission NNεεεεεεεε Neutrons after Fast FissionNeutrons after Fast Fission

NNεεεεεεεεpfpf ηηηηηηηηPPLL Neutrons do not Neutrons do not NNεεεεεεεεpp Neutrons Escape Neutrons Escape Leak from the Reactor Resonanc e Capture Leak from the Reactor Resonanc e Capture

(as fast or slow neutrons)(as fast or slow neutrons)

NNεεεεεεεεpfpf ηηηηηηηη Neutrons Produced Neutrons Produced NNεεεεεεεεpfpf Neutrons AbsorbedNeutrons Absorbedfrom Thermal Fission from Thermal Fission in the Fuel in the Fuel

I REATTORI NUCLEARII REATTORI NUCLEARILa formula La formula deidei quattroquattro fattorifattori : vita di un : vita di un neutroneneutrone nelnel reattorereattore

For criticality, the two For criticality, the two generations must have generations must have

the same populationthe same population

I REATTORI DEL FUTURO I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione: La Quarta Generazione:

Gas Gas CooledCooled Fast Fast ReactorReactor


SodiumSodium CooledCooled Fast Fast ReactorReactor

I REATTORI DEL FUTURO I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione:La Quarta Generazione:

SupercriticalSupercritical Water Water CooledCooled ReactorReactor

I REATTORI DEL FUTURO I REATTORI DEL FUTURO La Quarta Generazione:La Quarta Generazione:

LeadLead CooledCooled Fast Fast ReactorReactor


MoltenMolten Salt Salt ReactorReactor


VeryVery High Temperature High Temperature ReactorReactor

• Le tecniche di trattamento delle scorie sono disponi bili da tempo

• Fin dal 1963 è stato messo a punto a Marcoule in Francia un procedimento per produrre vetro contenente materiale radioa ttivousato successivamente a La Hague

• Oggi le tecniche di trattamento permettono di ridurre n otevolmente 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 d i dimezzamento (Tc-99, Cs-135, I-129) permetteranno la trasmutazione in appositi reattori

• Paesi che stanno attivamente compiendo scelte in qu esto campo sono gli USA, la Francia , il Belgio , la Finlandia , il Giappone , la Sveziae la Germania

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl Il trattamentotrattamento delle scoriedelle scorie


la collaborazione internazionalela collaborazione internazionale

•• Uno degli aspetti caratterizzanti il progetto dei Uno degli aspetti caratterizzanti il progetto dei reattori di quarta generazione reattori di quarta generazione èè la cooperazione la cooperazione internazionale che internazionale che èè stata messa in atto per stata messa in atto per svilupparlisvilupparli

•• Il Il Generation IV International Forum (GIF)Generation IV International Forum (GIF) èè stato stato creato nel 2000 e conta oggi molti Paesi picreato nel 2000 e conta oggi molti Paesi pi ùùll ’’EuratomEuratom

–– stabilisce obiettivi e scopi generalistabilisce obiettivi e scopi generali

–– include un include un ““ Policy GroupPolicy Group ”” ed un ed un ““ ExpertsExperts GroupGroup ””

–– ogni partecipante supporta i propri costi per ogni partecipante supporta i propri costi per sviluppare i progetti a cui sviluppare i progetti a cui èè interessatointeressato

–– collabora con la IAEA (ONU) e la NEA (OECD)collabora con la IAEA (ONU) e la NEA (OECD)

–– quando possibile, distribuisce liberamente le quando possibile, distribuisce liberamente le informazioniinformazioni

FILOSOFIA DI SICUREZZAFILOSOFIA DI SICUREZZALa Garanzia della QualitLa Garanzia della Qualit àà

•• Per poter assicurare che un impianto nucleare risponda a i Per poter assicurare che un impianto nucleare risponda a i requisiti funzionali e di sicurezza richiesti, requisiti funzionali e di sicurezza richiesti, èè necessario fare uso necessario fare uso di un sistema di Garanzia della Qualitdi un sistema di Garanzia della Qualit àà

•• La La ““ Garanzia della QualitGaranzia della Qualit à”à” èè ll ’’ insieme delle azioni pianificate e insieme delle azioni pianificate e sistematiche atte a garantire che un prodotto abbia l e sistematiche atte a garantire che un prodotto abbia l e caratteristiche richiestecaratteristiche richieste

–– qualitqualit àà nella progettazione (nella progettazione ( ““ design design reviewreview ”” ))

–– qualitqualit àà nellnell ’’approvvigionamento dei materiali (qualificazione de i approvvigionamento dei materiali (qualificazione de i fornitori)fornitori)

–– qualitqualit àà nella costruzionenella costruzione

–– qualitqualit àà nellnell ’’esercizioesercizio

•• Ciò comporta un sistema complesso di gestione delle attivitCiò comporta un sistema complesso di gestione delle attivit àà, con , con documentazione e revisione di ogni fase della vita d elldocumentazione e revisione di ogni fase della vita d ell ’’ impiantoimpianto

Quattro reattori nucleari e principi di sicurezza

Technology

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