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1 Lenergia nucleare Alcune riflessioni sui pro e sui contro N. Colonna Istituto Nazionale Fisica Nucleare Sezione di Bari Salone degli Affreschi, Bari,

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1 1 Lenergia nucleare Alcune riflessioni sui pro e sui contro N. Colonna Istituto Nazionale Fisica Nucleare Sezione di Bari Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

2 Il problema dellenergia Aumento della popolazione mondiale (10 miliardi nel 2050) Miglioramento generale degli standard di vita (soprattutto nei paesi emergenti) Aumento costante del consumo di energia nel mondo (+ 40 % nel 2020): 2 Consumo di energia nel mondo Anno Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

3 La produzione di energia nel mondo 3 Problemi associati allo sfruttamento dei combustibili fossili: approviggionamento (picco di produzione entro 2020); ambientali (cambiamenti climatici in genere per CO 2 + inquinamento atmosferico). L80 % dellenergia attualmente consumata nel mondo è prodotta da combustibili fossili Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

4 La produzione di CO 2 4, Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), Necessario (e sempre più urgente) sviluppare fonti di energia pulita, sicura e a basso costo. La parola dordine e DIVERSIFICARE: risparmio e maggiore efficienza energetica (fondamentale nel breve termine, soprattutto nei paesi più sviluppati); fonti rinnovabili: solare, eolico, biomasse, etc… (sviluppo nel medio termine); Nucleare (soprattutto nei paesi emergenti, in particolare Cina, India, Brasile, etc…). Le Forze Nascoste, Rotary International, Campobasso, 14 Marzo 2010 Lo sfruttamento dei combustibili fossili porta ad un aumento della CO 2 nellatmosfera, causa di effetto serra (aumento della temperatura terrestre).

5 I reattori nucleari nel mondo 5 Anni Numero di reattori Attualmente, sono operativi nel mondo 440 reattori nucleari, per una potenza installata complessiva di 356 GWe (in media 800 MWe per reattore). Chernobyl Three Mile Island Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

6 I reattori nucleari nel mondo Un terzo dei reattori attualmente in funzione si trovano in Europa 6Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

7 StatoNumero di reattori Fabbisogno coperto (%) In costruzione (programmati) Belgio754 Bulgaria244(2) Rep. Ceca631 Finlandia4281 Francia (1) Germania1732 Ungheria438 Lituania169 Olanda14 Romania191 Russia (8) Slovacchia557(2) Slovenia140 Spagna820 Svezia1048 Svizzera537 Ucraina1548(2) UK1918 Europa (14) In Europa il nucleare copre più di un quarto del fabbisogno di energia elettrica (più che negli Stati Uniti e in Giappone). Attualmente, è insieme al carbone la fonte principale di energia elettrica. Produzione energia elettrica Europa - 27

8 I nuclei transuranici restano radioattivi per centinaia di migliaia di anni. Rappresentano la parte più pericolosa delle scorie nucleari, da smaltire in depositi geologici (siti stabili per milioni di anni, tipo miniere di sale). I nuclei transuranici restano radioattivi per centinaia di migliaia di anni. Rappresentano la parte più pericolosa delle scorie nucleari, da smaltire in depositi geologici (siti stabili per milioni di anni, tipo miniere di sale). I reattori di IV Generazione utilizzeranno i transuranici come combustibile I frammenti di fissione restano radioattivi per qualche centinaio di anni. Possono essere stoccati in siti costruiti dalluomo. I frammenti di fissione restano radioattivi per qualche centinaio di anni. Possono essere stoccati in siti costruiti dalluomo. neutrone Nucleo di uranio ( 235 U) Frammenti di fissione Energia (E=mc 2 ) neutroni neutrone Nucleo di uranio ( 238 U) Nuclei transuranici 131 I (t 1/2 = 8 giorni) 137 Cs (t 1/2 = 30 anni) 90 Sr (t 1/2 = 29 anni) 237 Np (t 1/2 = 2 milioni di anni) 239 Pu (t 1/2 = anni) 243 Am (t 1/2 = 7370 anni)

9 Come funziona un reattore 9 Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) 1. Le reazioni di fissione producono calore che trasforma lacqua in vapore. 2. Il vapore fa muovere delle turbine che producono energia elettrica. 3. Il vapore viene poi raffreddato e si ritrasforma in acqua che viene pompata nuovamente nel reattore (e il ciclo ricomincia). Il reattore è allinterno di una struttura di contenimento (acciao e cemento). Da un kg di uranio naturale si ricavano 160 MWh (20 tonnellate di carbone)

10 Come funzionano i reattori attuali (Generazione II e III): Luranio è estratto dalle miniere (Canada, Australia, Nigeria, Kazakistan, etc…), viene arricchito, e preparato in barre di combustibile. Le barre vengono inserite nel nocciolo del reattore, e producono energia per mesi. Le barre sono rimosse, ed il combustibile spento è inserito in fusti (sigillati) da stoccare in opportuni siti (quelli temporanei sono spesso vicini al reattore). I reattori attuali I sistemi attuali sono once through: il combustibile passa una sola volta attraverso il nocciolo del reattore 10 Miniere di uranio Reattore nucleare Deposito di scorie Un reattore da 1 GWe produce in un anno circa 2 tonnellate di scorie ad alta radioattività (+ 20 ton. a bassa radioattività) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

11 Vantaggi del nucleare: i gas serra 11 Il vantaggio principale è la bassa emissione di CO 2 o di altri inquinanti (SO 2, polveri sottili, …) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Per soddisfare la domanda energetica mondiale (in particolare quella dei paesi emergenti), minimizzando le conseguenze sul clima, è necessario un mix di fonti che includa anche lenergia nucleare (Intergov. Panel on Climatic Change, IPCC-ONU, Valencia, 17 Nov. 2007).

12 Vantaggi del nucleare (2) Altri aspetti positivi: disponibilità del combustibile le principali miniere di uranio si trovano in Canada e Australia indipendenza da aree soggette a turbolenze politiche (paesi arabi produttori di petrolio) bassa incidenza del combustibile sul costo del kWh il raddoppio del prezzo delluranio si traduce in un aumento del 10% sul kWh (mentre il raddoppio del petrolio produce un 70% di aumento). in futuro potrebbe essere usato per produrre idrogeno, sostituendo il petrolio anche nei trasporti lidrogeno e un vettore (e non una fonte) di energia, e per produrlo (per esempio dalla dissociazione dellacqua) occorre spendere energia. Altri aspetti positivi: disponibilità del combustibile le principali miniere di uranio si trovano in Canada e Australia indipendenza da aree soggette a turbolenze politiche (paesi arabi produttori di petrolio) bassa incidenza del combustibile sul costo del kWh il raddoppio del prezzo delluranio si traduce in un aumento del 10% sul kWh (mentre il raddoppio del petrolio produce un 70% di aumento). in futuro potrebbe essere usato per produrre idrogeno, sostituendo il petrolio anche nei trasporti lidrogeno e un vettore (e non una fonte) di energia, e per produrlo (per esempio dalla dissociazione dellacqua) occorre spendere energia. 12 Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

13 Limiti del nucleare attuale 13 Sicurezza Fatti grossi passi avanti: sistemi passivi (non richiedono intervento umano) sistemi attivi ridondanti training continuo degli operatori (simulazioni) I reattori in costruzione hanno un rischio di incidente al nocciolo inferiore a per reattore per anno (dal 2001 si considera anche la possibilità di impatto di un aereo). In caso di incidente, sistemi per mitigare (o limitare) gli effetti: doppio contenitore del nocciolo volume di espansione del combustibile fuso Sicurezza Fatti grossi passi avanti: sistemi passivi (non richiedono intervento umano) sistemi attivi ridondanti training continuo degli operatori (simulazioni) I reattori in costruzione hanno un rischio di incidente al nocciolo inferiore a per reattore per anno (dal 2001 si considera anche la possibilità di impatto di un aereo). In caso di incidente, sistemi per mitigare (o limitare) gli effetti: doppio contenitore del nocciolo volume di espansione del combustibile fuso Non esiste la sicurezza assoluta (come in nessunaltra attività umana). Incidenti possono verificarsi per eventi eccezionali imprevisti (Fukushima), per imperizia umana (Chernobyl, Goiania), o per malfunzionamento (Three Mile Island). Il problema di un incidente nucleare è che può interessare vaste aree ed un gran numero di persone. Inoltre, i suoi effetti possono essere duraturi nel tempo. Non esiste la sicurezza assoluta (come in nessunaltra attività umana). Incidenti possono verificarsi per eventi eccezionali imprevisti (Fukushima), per imperizia umana (Chernobyl, Goiania), o per malfunzionamento (Three Mile Island). Il problema di un incidente nucleare è che può interessare vaste aree ed un gran numero di persone. Inoltre, i suoi effetti possono essere duraturi nel tempo. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

14 I limiti del nucleare (2) Produzione di scorie Negli Stati Uniti hanno stimato che, continuando ad usare reattori tradizionali, sarebbe necessario individuare un deposito geologico (tipo Yucca Mountain, Nevada) ogni 20 anni. 14 Scorie radioattive Problema nellindividuare siti geologici per le scorie a lunga vita media. Scorie radioattive Problema nellindividuare siti geologici per le scorie a lunga vita media. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

15 Altre limiti del nucleare attuale 15 Nel breve periodo: problema della gestione e smaltimento delle scorie Nel lungo periodo (> 50 anni): esaurimento delle risorse di Uranio Bassa efficienza nelluso delluranio nei reattori attuali, solo il 3 % delluranio è utilizzato per produrre energia le riserve di uranio potrebbero esaurirsi entro anni (o anche meno ci dovesse essere una forte crescita del nucleare nei prossimi anni) se si utilizzasse il 100 % delluranio, ce ne sarebbe a sufficienza per 3000 anni !! Tempi di costruzione lunghi e grosso investimento iniziale ci vogliono dai 10 ai 15 anni per scelta sito, progetto, costruzione e collaudo tipicamente un reattore costa dai 2 ai 4 miliardi di Eu (in parte per interessi) Costi elevati (e non facilmente quantificabili) per lo smantellamento delle centrali a fine ciclo e per lo stoccaggio delle scorie. Proliferazione possibilità di utilizzare le tecnologie e il materiale per il nucleare civile per scopi militari (vedasi caso dellIran). Bassa efficienza nelluso delluranio nei reattori attuali, solo il 3 % delluranio è utilizzato per produrre energia le riserve di uranio potrebbero esaurirsi entro anni (o anche meno ci dovesse essere una forte crescita del nucleare nei prossimi anni) se si utilizzasse il 100 % delluranio, ce ne sarebbe a sufficienza per 3000 anni !! Tempi di costruzione lunghi e grosso investimento iniziale ci vogliono dai 10 ai 15 anni per scelta sito, progetto, costruzione e collaudo tipicamente un reattore costa dai 2 ai 4 miliardi di Eu (in parte per interessi) Costi elevati (e non facilmente quantificabili) per lo smantellamento delle centrali a fine ciclo e per lo stoccaggio delle scorie. Proliferazione possibilità di utilizzare le tecnologie e il materiale per il nucleare civile per scopi militari (vedasi caso dellIran). Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

16 Recycling I reattori di IV Generazione Principio fondamentale dei reattori di IV Generazione è il riutilizzo totale o parziale del combustibile spento (le attuali scorie nucleari). Reattori a ciclo chiuso. Principali scopi dei reattori di IV Generazione: minima produzione di scorie; utilizzo ottimale delle risorse di uranio; bassi investimenti iniziali e rapidità di costruzione; massima sicurezza e non-proliferazione; produzione di idrogeno (per uso nei trasporti) 16 Scorie residue Miniere di uranio Riciclo Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

17 Scelta dei siti 17 Criteri generali indicati dalla IAEA (e recepiti dagli organismi nazionali): Bassa sismicità e stabilità idrogeologica dellarea; Resistenza ad altri rischi ambientali esterni (inondazioni, tsunami, etc…); Vicinanza a fonti di acqua per il raffreddamento del reattore (anche acqua di mare); Bassa intensità di attività umane nella regione. Criteri generali indicati dalla IAEA (e recepiti dagli organismi nazionali): Bassa sismicità e stabilità idrogeologica dellarea; Resistenza ad altri rischi ambientali esterni (inondazioni, tsunami, etc…); Vicinanza a fonti di acqua per il raffreddamento del reattore (anche acqua di mare); Bassa intensità di attività umane nella regione. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Linsieme dei criteri sopra indicati rende di non facile soluzione lindividuazione di siti idonei in Italia. Inoltre, necessario ri-acquisire il know how (competenze) tecnologiche (preparazione di esperti, agenzie di supervisione e controllo, etc…). Necessità ed urgenza della scelta nucleare in Italia tutta da dimostrare (non così in Cina o altri paesi emergenti)

18 Il nucleare da fusione 18 Lenergia è ottenuta dalla fusione di due nuclei leggeri (idrogeno), come avviene nel Sole. Non sono prodotte scorie !! Per innescare la reazione di fusione, necessario raggiungere temperature altissime. Confinamento magnetico: progetto ITER. Fusione inerziale con laser: progetto NIF. 2H2H 3H3H He Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

19 Sommario 19 Il nucleare (da fissione) contribuisce a soddisfare la richiesta di energia nel mondo e potrebbe aiutare a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili (in particolare nei paesi emergenti). In Europa, attualmente fornisce ~30 % dellenergia elettrica. Il principale vantaggio rispetto ai combustibili fossili è la bassa emissione di gas serra (CO 2 ) e altri inquinanti, e la scarsa incidenza del costo del combustibile sul kWh. Resta irrisolto il problema delle scorie. Richiede grossi investimenti iniziali (quasi sempre a garanzia pubblica), tempi di costruzione lunghi ( 10 anni), e alti costi a fine ciclo. Rischio di incidenti gravi molto basso (e per lo più collegato ad eventi eccezionali), ma gli effetti possono essere disastrosi e duraturi nel tempo. In Italia, diversi motivi rendono la scelta più complicata che altrove. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

20 Grazie per lattenzione 20 Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

21 La situazione italiana 21 LItalia non è lunico paese europeo a non avere il nucleare (Austria, Danimarca, Grecia, Irlanda, Portogallo, Polonia, Turchia), ma è lunico paese del G8 a non averlo. Da considerare nella discussione: fabbisogno energetico, costi, possibili alternative, etc… numero e tipo di centrali (gradualità, Gen III+ o IV, grandi o piccole, etc…) scelta sito (specificità del territorio e consenso informato delle popolazioni). Alcuni dati sui reattori proposti per lItalia: EPR (European Pressurized Reactor)1.6 GWe Contributo singolo reattore3.3 % del fabb. energia elettr. Costo previsto4.5 miliardi di Euro Tempo necessario10-15 anni (incluso scelta sito) Competenze necessariein parte da ricostruire Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

22 I dati si riferiscono al 2007 Fra i paesi più industrializzati, la Francia produce la minor quantità di CO 2 per abitante, e per energia consumata

23 Le generazioni passate e … future 23 Jacine Kadi Breeding factors ?? (Aiche o altro) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

24 Lincidente di Fukushima 24 Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)


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