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LENERGIA NUCLEARE : EVOLUZIONE E PROSPETTIVE M.Salvatores (CEA, Cadarache e Argonne National Laboratory, USA) Il contesto internazionale Panorama della.

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Presentazione sul tema: "LENERGIA NUCLEARE : EVOLUZIONE E PROSPETTIVE M.Salvatores (CEA, Cadarache e Argonne National Laboratory, USA) Il contesto internazionale Panorama della."— Transcript della presentazione:

1 LENERGIA NUCLEARE : EVOLUZIONE E PROSPETTIVE M.Salvatores (CEA, Cadarache e Argonne National Laboratory, USA) Il contesto internazionale Panorama della situazione attuale Nuove linee di sviluppo : esempi di nuovi concetti di reattori e cicli del combustibile avanzati Conclusioni e prospettive.

2 Domanda di energia e sviluppo demografico…..

3 …il prezzo del petrolio…..

4 ….il cambiamento climatico….

5 Trends: U.S. Public Opinion Favor/Oppose Use of Nuclear Energy (Annual Averages ) …evoluzione dellopinione pubblica…

6 Multiple Questions: U.S. Public Opinion Steps to New Nuclear Power Plants Important for our energy future 83% Prepare to build 77% Definitely build nuclear plants in future 58% Accept new reactors at nearest plant 69% Favor use of nuclear energy 70% Source: Bisconti Research Inc./NOP World, May 2005, 1,000 national adults

7 …e segni di cambiamento di politica negli USA

8 Benefits Provide abundant energy without generating carbon emissions or greenhouse gases. Recycle used nuclear fuel to minimize waste and reduce proliferation concerns. Safely and securely allow developing nations to deploy nuclear power to meet energy needs. Assure maximum energy recovery from still-valuable used nuclear fuel. Reduce the number of required U.S. geologic waste repositories to one for the remainder of this century. Una nuova iniziativa (Febbraio 2006): GNEP

9 Le generazioni successive di reattori nucleari Generation I Generation II Generation III Primi reattori Reattori attuali Reattori avanzati Sistemi del futuro Generation IV

10 Generazione II: I reattori di oggi Situazione nel 2005: reattori per famiglie… Tipo No. di unità Capacità totale (MWe) PWR BWR9281 PHWR3819 GCR2611 LWGR1713 FBR31 Totale439361

11 Generazione II: I reattori di oggi …e per Paese Paese No. di unità Capacità (Gwe) United States France5963 Japan5344 Russia3021 United Kingdom 2712 South Korea 1916 Germany1821 Canada1611 Ukraine1311 Others (22) Total439361

12 Generazione III: reattori avanzati Una nuova generazione di reattori che beneficiano della vasta esperienza acquisita nelloperazione di Gen-II e delle lezioni apprese a TMI I reattori ad acqua sono ancora dominanti Nuovi miglioramenti alla sicurezza, ma la competitività economica è lobbiettivo principale Diversi approcci in competizione industriale: piccola/grande taglia piccola/grande taglia sicurezza passiva/attiva sicurezza passiva/attiva La mitigazione delle conseguenze di un eventuale incidente grave è un risultato particolarmente significativo Reattori industriali, sviluppabili a corto termine:

13 Generazione III : lofferta industriale Generation III reactors identified as Near Term Deployment by the Generation IV Forum Advanced Pressurized Water Reactors AP 600, AP 1000, APR1400, APWR+, EPR Advanced Boiling Water Reactors ABWR II, ESBWR, HC-BWR, SWR-1000 Advanced Heavy Water Reactors ACR-700 (Advanced CANDU Reactor 700) Small and middle range power integrated Reactors CAREM, IMR, IRIS, SMART High Temperature, Gas Cooled, Modular Reactors GT-MHR, PBMR

14 Generazione III : prospettive di mercato Paese No. di reattori Età media United States years France59 19 years Japan53 United Kingdom years Germany18 23 years Sweden11 25 years Belgium7 27 years China9 5 years Finland4 24 years Età media dei reattori in operazione (2004)

15 Reattori ad acqua leggera: Generazione III AREVA : EPR (European Pressurized Reactor) Un EPR in costruzione in Finlandia e prossimo ordine in Francia. In competizione per un ordine di 4 centrali in Cina.

16 I reattori…ma quale ciclo del combustibile? -stoccaggio diretto del combustibile usato (direct disposal) -ciclo »chiuso » (riprocessamento e riciclaggio) (closed cycle)

17 Se si riprocessa (ciclo chiuso), i rifiuti radioattivi (prodotti di fissione e attinidi minori: Np, Am, Cm) vengono « vitrificati » Questa operazione riduce significativamente lo spazio di stoccaggio.

18 Per quanto riguarda i rischi di proliferazione, lasciare il Plutonio nel combustibile usato (cioè fare dello stoccaggio diretto) presenta ovvi inconvenienti:

19 In sostanza, 3 inconvenienti maggiori legati allo stoccaggio diretto: -Utilizzo estremamente inefficiente dellUranio (<1%) -Grandi volumi di stoccaggio -Formazione di « miniere » di Plutonio

20 Chiudere il ciclo è quindi essenziale per un nucleare durevole e per minimizzare i rifiuti radioattivi

21 BENEFICI POTENZIALI DELLA SEPARAZIONE/TRANSMUTAZIONE -Riduzione della sorgente di radiotossicità potenziale in un deposito geologico -Riduzione del calore residuo: aumento della capacità del deposito geologico -Se i transuranici non vengono separati fra di loro, diminuzione del rischio di proliferazione

22 Generazione IV: i sistemi del futuro La domanda di energia nucleare è potenzialmente in aumento significativo. La domanda di energia nucleare è potenzialmente in aumento significativo. Lesigenza per il nucleare di essere durevole (cioè di permettere la conservazione delle risorse) diventa un obbiettivo maggiore. La riduzione dei rifiuti e del rischio di proliferazione diventano criteri altrettanto importanti quanto la sicurezza e leconomia. Lesigenza per il nucleare di essere durevole (cioè di permettere la conservazione delle risorse) diventa un obbiettivo maggiore. La riduzione dei rifiuti e del rischio di proliferazione diventano criteri altrettanto importanti quanto la sicurezza e leconomia. Inoltre, altre applicazioni dellenergia nucleare vengono proposte: la produzione di idrogeno, luso industriale del calore, la desalinizzazione dellacqua marina. Inoltre, altre applicazioni dellenergia nucleare vengono proposte: la produzione di idrogeno, luso industriale del calore, la desalinizzazione dellacqua marina. Lo sviluppo di nuovi sistemi richiede tempo e la loro introduzione su scala industriale è prevedibile verso il 2030 o oltre. Lo sviluppo di nuovi sistemi richiede tempo e la loro introduzione su scala industriale è prevedibile verso il 2030 o oltre.

23 Concetti decisamente innovanti per: Concetti decisamente innovanti per: Minimizzazione dei rifiuti Minimizzazione dei rifiuti Conservazione delle risorse Conservazione delle risorse Non proliferazione Non proliferazione Maturità tecnica verso il 2030 Nuovi mercati - produzione di idrogeno - uso diretto del calore - desalinizzazione R&D distribuita a livello internazionale Nuovi requisiti per un nucleare durevole: Generation IV International Forum Members Generation IV International Forum Members U.S.A. Argentina Brazil Canada France Japan South Africa UnitedKingdom South Korea Switzerl and Generazione IV : International Forum Miglioramenti graduali per: Miglioramenti graduali per: Competitività Sicurezza e affidabilità E.U.

24 Dai reattori ad acqua leggera ai reattori di Gen-IV…. - Una tecnologia matura con la più vasta esperienza di costruzione, manutenzione, operazione - Notevoli progressi nella transizione da Gen-II a Gen-III - Due limitazioni principali: a) temperatura sotto i 300°C (rendimento basso) a) temperatura sotto i 300°C (rendimento basso) b) bilancio neutronico che non lascia margini (per es. per la surgenerazione) b) bilancio neutronico che non lascia margini (per es. per la surgenerazione) - Fin dagli anni 50, individuate due vie per palliare a queste limitazioni: a) i reattori veloci b) i reattori ad alta temperatura I reattori ad acqua leggera:

25 Reattori ad alta temperatura - Temperature dellordine di °C permettono luso diretto del calore per lindustria e la produzione di idrogeno tramite processi chimici. - Lunica possibilità è il raffreddamento con un gas, e lelio è la scelta più conveniente. - Primi prototipi negli anni 70 (Fort St Vrain negli USA, THTR in Germania). - Piccoli reattori sperimentali costruiti recentemente in Asia (HTTR in Giappone, HTR 10 in Cina). - Nuovi progetti allo studio nel quadro di Gen III (PBMR in Sud Africa) o di Gen IV ( NGNP negli USA).

26 Reattori ad alta temperatura Source: General Atomics

27 Reattori ad alta temperatura: le sfide 1 – Il combustibile: sferette con rivestimento di carbonio e SiC; sferette a loro volta inserite in blocchi di grafite secondo diverse opzioni: - compacts (FSV, GT-MHR) - pebbles (THTR, PBMR) 2 – Materiali strutturali: la grafite è dominante nel core, ma materiali atti alle alte temperature (per es. negli scambiatori), devono essere sviluppati 3 – Il sistema di raffreddamento : circuiti a elio con conversione diretta (ciclo di Brayton) o conversione indiretta per mezzo di scambiatori. 4 – Potenza del reattore: limitata dalla bassa potenza specifica e alta pressione.

28 Reattori ad alta temperatura: un esempio di combustibile Elemento di combustibile prismatico con sferette TRISO

29 Reattori a neutroni veloci I neutroni veloci danno luogo ad un rapporto fra probabilità di fissione e probabilità di assorbimento molto favorevole, e quindi un bilancio neutronico ricco in neutroni disponibili. I neutroni veloci danno luogo ad un rapporto fra probabilità di fissione e probabilità di assorbimento molto favorevole, e quindi un bilancio neutronico ricco in neutroni disponibili. Ne consegue la possibilità di un uso efficace dellUranio, con trasformazione dellU-238 in Pu-239 Ne consegue la possibilità di un uso efficace dellUranio, con trasformazione dellU-238 in Pu-239 Inoltre, gli attinidi minori (Am, Cm, Np) vengono bruciati molto meglio che nei reattori a neutroni termici a causa delle alte probabilità di fissione dei neutroni veloci nellinterazione con questi elementi. Inoltre, gli attinidi minori (Am, Cm, Np) vengono bruciati molto meglio che nei reattori a neutroni termici a causa delle alte probabilità di fissione dei neutroni veloci nellinterazione con questi elementi. Il riciclaggio multiplo di tutti i transuranici è fattibile

30 Reattori veloci: ottimizzazione delle risorse Cumulative Natural U (Million Tonnes) LWR Once Through

31 Reattori veloci: minimizzazione dei rifiuti radioattivi Plutonium recycling Spent Fuel Direct disposal Uranium Ore (mine) Time (years) Relative radio toxicity P&T of MA Pu + MA + FP MA + FP

32 Reattori veloci: le tecnologie Per mantenere i neutroni veloci, si devono evitare materiali leggeri per il core e soprattutto per il refrigerante. Le due principali classi di refrigeranti sono i metalli liquidi (Na, Pb, Pb/Bi) e i gas (He, CO2). Notevole esperienza internazionale sulla tecnologia del raffreddamento con il Na (BN600 in Russia, Superphenix e Phenix in Francia, Monju in Giappone, FFTF negli USA). I Russi hanno usato il Pb per i reattori dei sottomarini. Luso della tecnologia dellHe sviluppata per gli HTR, è considerata anche per i veloci.

33 Reattori veloci: la tecnologia del Na - Il sodio è un ottimo refrigerante: - liquido in un ampio intervallo di temperature (90 – 890°C) - mono isotopico (Na23) - parametri termodinamici favorevoli - non corrosivo (se purificato) - notevole esperienza industriale : - vari usi industriali - 40 anni di studi tecnologici per applicazioni nucleari - molti prototipi - Ben noti svantaggi : - reattività chimica (fuochi di sodio e reazione sodio-acqua) - difficoltà per la manutenzione e lispezione

34 BN 600 (Russia) A 600 MWe plant built at Beloyarsky (Russia) First criticality: 1980; still in operation

35 SUPERPHENIX A 1200 MWe plant built at Creys-Malville (France) First criticality: 1985; Shutdown: 1997

36 Reattori veloci: la tecnologia del Pb Candidato per evitare fuochi di Na e reazioni Na-acqua Refrigerante meno favorevole (parametri termodinamici e rischi di corrosione) Leutettico Pb-Bi permette di alleviare i rischi di corrosione Lesperienza è limitata allapplicazione in Russia per la propulsione navale Molti studi in corso in differenti paesi

37 Reattori veloci: la tecnologia dellHe Il raffreddamento con un gas è meno efficiente che con un metallo liquido Lo sviluppo di un reattore veloce a gas necessita un nuovo tipo di combustibile La tecnologia dellelio è già considerata per i VHTR Specifici problemi di sicurezza devono essere risolti In caso di successo, il risultato permetterebbe di raggiungere entrambi gli obbiettivi per uno sviluppo durevole (fisica dei neutroni veloci e tecnologia ad alte temperature)

38 In conclusione: Dopo un periodo di stagnazione e di dubbio, ci sono chiari segnali di una nuova, significativa ripresa del nucleare nel mondo. I paesi asiatici si mostrano i piu volontaristi, ma recenti dichiarazioni e iniziative negli USA e in Europa sono altrettanto significative. Linnovazione giocherà un ruolo essenziale per rispondere ai nuovi obbiettivi di sviluppo durevole e di minimizzazione dei rifiuti. Un problema essenziale: la formazione di una nuova generazione di specialisti nei diversi settori: materiali, chimica degli attinidi, ingegneria del sistema, fisica dei reattori, meccanica, termoidraulica…. Le sfide scientifiche offrono potenzialmente stroardinarie aperture nellindustria, nei centri di ricerca e nellUniversità. Lenergia è un tema centrale nelle nostre società. Contribuire allo sviluppo di un nucleare durevole, sicuro e rispettoso dellambiente non è soltanto un challenge scientifico, ma un vero e proprio challenge di società.

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