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Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Energia nucleare Corso di Impatto Ambientale Modulo A: Pianificazione Energetica Ing. Giorgio Baldinelli.

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1 Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Energia nucleare Corso di Impatto Ambientale Modulo A: Pianificazione Energetica Ing. Giorgio Baldinelli a.a

2 REAZIONE DI FISSIONE NUCLEARE

3 SEZIONE (ISOLA) NUCLEARE SEZIONE (ISOLA) CONVENZIONALE TECNOLOGIA Tre generazioni: 1) anni 50/70GAS GRAFITE LWRalcune centinaia MW PWR BWR 2) anni 70/90PWR1000 – 1300 MW autofertilizzanti 3) anni 90sicurezza!100 – 700 MW CENTRALI NUCLEARI

4 GAS GRAFITE NOCCIOLOcilindro in blocchi di grafite (moderatore) combustibile: uranio metallico in barre con guaina di lega al magnesio (magnox) refrigerante: CO 2 T max 400°C P max 50 kg/cm 2 AGR advanced gas reactor T max 540°Cguaina in acciaio P max 170 kg/cm 2 uranio UO 2 arricchito HTGR high temperature gas reactor T max °Cguaina in acciaio CO 2 Hecomb. confinato materiale ceramico

5 GAS-GRAFITE

6 REATTORI AD ACQUA LWRLight water reactor Acqua naturale (leggera) uranio arricchito PWRPressurized water reactor Tmax °Cciclo indiretto P150 kg/m 2 uranio arricchito BWRBoiling water reactor (Garigliano, Caorso) Tmax 282°Cciclo diretto Pmax 68 kg/cm 2 uranio arricchito

7 PRESSURIZED WATER REACTOR

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9 BOILING WATER REACTOR

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11 REATTORI AD ACQUA PESANTE Reattore CANDU (canadese a deuterio e uranio) E costituito da un cilindro orizzontale con allinterno un fascio di tubi; allinterno di ciascun tubo cè un secondo tubo detto tubo di forza. Nei tubi di forza cè il combustibile, lambito dal refrigerante (D 2 O) in pressione (100 kg/cm 2 ) nel cilindro ovvero acqua pesante che ha funzioni di moderatore (a bassa temperatura) Ricambio del combustibile: progressivo spostamento delle barre lungo i tubi di forza (durante il funzionamento) Barre di controllo: verticali

12 REATTORE CANDU

13 REATTORI VELOCI FBR (Fast Breeder Reactor) Super Phoenix 1200 MW Francia reattore ad uranio naturale seme (parte interna) con uranio con circa 20% Pu produzione energetica da fissione NOCCIOLO mantello esterno in materiale fertile U238 Pu Il rapporto tra materiale reso fissile e materiale fissile consumato è >1 non cè moderatore (non occorre rallentare i neutroni) refrigerante sodio liquido rischio di reazioni sodio/acqua attivazione del sodio bombardato da flusso neutronico CIRCUITO INDIRETTO DOPPIO

14 FAST BREEDER REACTOR

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16 FUSIONE NUCLEARE A) AUTOFERTLIZZANTE – REAZIONE D + T Lenergia si manifesta sotto forma di energia cinetica dei prodotti di reazione (elio + n) Il potere calorifico (energia liberata a parità di massa) è: - 4,2 volte superiore a quella di una reazione di fissione - 8,4 milioni di volte superiore a quella del petrolio DEUTERIO: 1/7000 dellidrogeno presente in natura è sotto forma di deuterio (in particolare quello combinato con lO 2 nelle molecole di H 2 O) il costo di estrazione è irrisorio TRIZIO: nucleo radioattivo con t 1/2 = 12 anni pochi gr nellatmosfera (continuamente autodistrutto per decadimento radioattivo e riprodotto) si ricorre al Litio Deuterio + Trizio Elio + Neutrone + energia

17 Utilizzando il neutrone prodotto dalla fusione, si ha: esotermica Viene così, attraverso la fertilizzazione del Litio, a generarsi trizio in quantità sufficiente per alimentare la reazione di base Le risorse di Litio sono ben minori di quelle del deuterio ACCENSIONE CONTROLLATA DELLA REAZIONE D + T: a) CONDIZIONE DI LAWSON densità della miscela esplosiva x durata della reazione > 5 x b) temperatura di 100 milioni di gradi plasma (nuclei e neutroni, sciolti dai legami reciproci a causa dellelevata T) contenimento di tipo magnetico, generato dallesterno con limpiego di enormi correnti elettriche La prima parete materiale (acciaio speciale) non è pertanto sottoposta allurto delle particelle caldissime endotermica n = nuclei/cm 3 τ = sec.

18 Se τ è ridotto a secondi n è aumentato da a 5 x si può innescare la reazione D + T, fermo restando la temperatura La pressione deve essere però di mille miliardi di atmosfere Eiezione sulle sferule di D + T di vampate di energia Per rinculo il nocciolo della sferula si raggrinzisce fino a raggiungere le dimensioni volute La microesplosione arriverebbe grazie a potentissimi laser Tecnologie diverse dal contenimento magnetico ma comunque difficoltà eccezionali

19 La necessità di rigenerare il trizio necessario alla reazione D + T può essere evitata ricorrendo alla reazione non autofertilizzante: Il potere calorifico è pari a quello della fissione, ma la materia prima è tutta estraibile dal mare B ) NON AUTOFERTILIZZANTE

20 FUSIONE FREDDA - MUONI particella carica magneticamente – sostituisce uno degli elettroni nella molecola D-T e li costringe a fondersi insieme - ELETTRODI DI PALLADIO (Fleischmann e Pons, 1989) n x τ > temperatura superiore a 100 milioni di gradi inoltre, poiché la reazione è cinque volte meno esotermica della reazione D + T, produce più del doppio di neutroni di questultima (a parità di energia liberata), con non pochi problemi di carattere ambientale (la maggior parte fuoriesce dal contenimento magnetico, vanno rallentati ed eliminati) Altre possibili reazioni: (senza produzione di neutroni) 1) Condizioni severissime di temperature e n x τ Costi elevatissimi di estrazione di He3 Deuterio + He3 = He4 + Neutrone + protone 2) T > 2 x 10 9 °C N τ > 10 16

21 DECADIMENTO RADIOATTIVO Il radioisotopo raggiunge una configurazione più stabile (spontaneamente) con il rilascio di energia di legame in eccesso e, in genere di una particella + leggera decadimento in genere la maggior parte di energia viene rilasciata sotto forma di energia cinetica della particella emessa ed il bilancio viene chiuso dai raggi dove t 1/2 tempo di dimezzamento: è il tempo necessario per il decadimento di metà degli isotopi radioattivi di partenza UNITA DI MISURA BqBecquerel1 disintegrazione al secondoattività CiCurie27x Ci =1 Bq SvSievertJ/kg100rem = 1Svdose interazioni radiazioni-materia - particelle brevi distanze He bloccate pelle - particelle ustioni - raggi + neutroniionizzazione, eccitazione elettrica se ingerite, le particelle si concentrano nelle ossa produzione globuli rossi anni

22 SCORIE RADIOATTIVE - elementi di combustibile - parti di macchinario sostituite e utensili usati per la manutenzione - tessuti per tute, protezioni, stracci - prodotti di corrosione trasportati dal fluido primario - gas nobili in condensabili estratti dal fluido primario U 235 si consuma in ragione di 1 g/d per MW e si trasforma in 200 tipi diversi di radionuclidi con t 1/2 molto diversi - produzione di calore - radioattività CONFINAMENTO SCORIE - deposito in strutture artificiali (per periodi limitati) serbatoi in acciaio interrati -tecniche di calcinazione in masse vetrose o bituminose o ceramiche - immissione in formazioni geologiche profonde zone geologicamente stabili prive di attività vulcanica o sismica bassa velocità erosione prive risorse che giustifichino perforazioni - trasmutazione acceleratore di particelle bombardamento neutronicotrasformazione in radioisotopi con t 1/2 minore

23 CLASSIFICAZIONE DEI RIFIUTI RADIOATTIVI

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25 GESTIONE DEI RIFIUTI RADIOATTIVI Un reattore nucleare da 1000 MWe scarica ogni anno mediamente 30 t di combustibile esaurito e produce 800 t di rifiuti radioattivi a bassa, di prima categoria, e media entità o di seconda categoria. Si hanno due possibilità –Ritrattamento (reprocessing), con cui si separano il plutonio e luranio dai prodotti di fissione altamente radioattivi che vengono vetrificati. Luranio e il plutonio, dopo opportuni trattamenti possono essere immessi nuovamente nel ciclo del combustibile. –I vetri costituiscono rifiuti ad altà attività e lunga vita vengono detti di terza categoria e devono essere smaltiti in formazioni geologiche profonde, atte a garantirne lisolamento per migliaia di anni.

26 Gestione delle scorie La Finlandia, prima in Europa, ha avviato gli scavi di un deposito per smaltire le scorie nucleari di III categoria. Svezia e Svizzera si avviano sulla stessa strada, ma in Italia i piani di smaltimento sono fermi. Negli USA si presume che ne sarà in funzione uno a partire dal Ad oggi nessun deposito al mondo è attivo. I siti devono essere individuati con grandissima cura: i rifiuti derivanti dal combustibile esausto dei reattori in attività decadono con tempi dellordine delle decine o centinaia di migliaia di anni! Attualmente oltre l80% delle scorie italiane è stoccato in depositi temporanei (da almeno 20 anni).

27 Sito individuato negli Stati Uniti

28 Yucca Mountain

29 LA PROLIFERAZIONE DELLE ARMI NUCLEARI Riacceso il dibattito internazionale. Iran, Corea del Nord e altri. In discussione in ambito G8 diverse ipotesi mirate a rafforzare il regime dei controlli dellAIEA. Problema di non facile soluzione: –Conciliare il diritto sancito dallArt. 4 del TNP (Trattato di non Proliferazione Nucleare), di ogni paese di avere accesso alle conoscenze e alle tecnologie relative alle applicazioni civili dellenergia nucleare, con lesigenza, altrettanto fondamentale, di evitarne luso improprio.

30 LA PROLIFERAZIONE DELLE ARMI NUCLEARI Altri problemi –terrorismo internazionale Pericolo che gruppi terroristici possano venire in posseso di armi nucleari. Prevenire gli effetti di attacchi terroristici. –Anche i materiali radioattivi delle sorgenti radioattive per usi industriali e medicali possono essere utilizzati per produrre le cosiddette bombe sporche e pertanto richiedono particolari misure di controllo e protezione fisica.


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