Giorgio Turchetti Il costo dell’energia Reattori di IV generazione Scenari futuri della energia nucleare Giorgio Turchetti Il costo dell’energia Reattori di IV generazione Fusione magnetica Fusione inerziale

Scenari futuri della energia nucleare 29 JANUARY 2010 VOL 327 SCIENCE www.sciencemag.org

Scenari futuri della energia nucleare I COSTI DELL’ENERGIA

Scenari futuri della energia nucleare I costi dell’energia sono difficili da valutare. Accanto ai prezzi di mercato vanno considerati i costi occulti da inquinamento (CO2 o scorie nucleari) e gli incentivi sui rinnovabili (1 € = 1.4 $) $/MWh €/MWh Fossili 30 (carbone) 70 (gas) 20 – 50 senza carbon tax Idro 30 (impianti esistenti) 100 (nuovi impianti) 20 - 70 Eolico 110 80 Fotovoltaico 700 500 Nucleare 40-80 30 - 60 http://www.ecoage.it/energia-nucleare-costi.htm Stime e fotovoltaico 300 Euro Nucleare 60 Euro al 2015

Scenari futuri della energia nucleare Wikipedia o Costruzione €/KWh Carburante €/GJ Costo base €/MWh Carbon Tax Carbone 1600 0.9 48 60 Gas 600 2.5 46 52 Nucleare 3000 0.3 60 Costi attuali stimati da ECOAGE €/MWh 20 € centrali idroelettriche e 20 € carbone 30 € nucleare 40 € gas 50 € biogas 70 € geotermico 70 € eolico 70 € nuove centrali idroelettriche 120 € celle a combustibile 570 € fotovoltaico 47 50 60 70 180 325

Scenari futuri della energia nucleare Energia solare La energia del sole è perpetua ma diluita e intermittente Costante solare: energia massima per secondo e metro quadro W= 1 KW/m2 La efficienza di conversione dei pannelli è 10%. Costante solare media: giorno/notte, stagionalità e meteo danno una costante media di 0.12 KW/m2 ~ 12% <Wel> = 12 W/m2 <W> Wpicco

Scenari futuri della energia nucleare Costo impianto rilevante. Costo combustibile trascurabile 0.3% anno Centrale a gas 10% anno. Occupazione suolo bassa. Idoneo per paesi ad alto sviluppo industriale, zone temperate-fredde. Fotovoltaico Costo impianto altissimo 10 volte il nucleare. Costo combustibile nullo. Occupazione suolo altissima. Idoneo per piccole comunità isolate e paesi fascia tropicale. Il mito delle centrali fotovoltaiche Centrale di Rovigo: 72 MW di picco costruita da Sun Edison. Potenza media 10-20 MW. Occupazione 2 Km2. Costo 600 M€ (RAI) 250 M€ (sito IDV). Centrale da 1GW potenza media, occupazione 100 Km2 . Costo 10 (4 volte) centrale Nucleare. Occupazione suolo da ben oltre 1000 volte.

Scenari futuri della energia nucleare Il picco dei fossili si ritiene venga raggiunto entro i prossimi anni. Con il calo della produzione aumenterà il sosto del KWh. Si avrà una crescita delle fornti rinnovabili e del nucleare. In entrambi i casi le nuove tecnologie sono cruciali. Rinnovabili: produzione di H con batteri geneticamente modificati Nucleare: reattori di IV generazione nel 2040-60 e fusione tra 2060-90

Scenari futuri della energia nucleare REATTORI DI IV GENERAZIONE

Scenari futuri della energia nucleare Reattori di IV generazione Elevata efficienza energetica (ciclo U chiuso, no Pu ) Drastica dimunzione di e scorie a lunga vita. Rischio di proliferazione quasi nullo (no Pu) Aumento di sicurezza degli impianti R&D necessaria per la realizzazione sodio gas piombo

Scenari energetici futuri Evoluzione dei reattori nucleari dal 1960 al 2060

Scenari futuri della energia nucleare LA FUSIONE TERMONUCLEARE

Scenari energetici futuri La fusione nucleare E’ il processo che avviene nel sole e nelle stelle . A temperature e pressioni molto elevate due nuclei leggeri come H, D, T si fondono in nuclei più pesanti He producdndo energia. Il sole 1.4 MKm La bomba H m-Km Microesplosioni mm-m

Scenari energetici futuri Nel processo di fissione un nuleo pesante si scinde in due nuclei la cui somma delle masse è minore. Nella fusione due nuclei leggeri si fondono in un nucleo la cui massa è inferiore alla somma. La differenza va in energia cinetica E= Dm c2

Scenari energetici futuri Vantaggi fusione Risorse inesauribili (Fissione migliaia, fusione miliardi di anni) No scorie a vita lunga No emissioni CO2 No proliferazione No incidenti nucleari Combustibile dal mare Un barile (159 l) d’acqua di mare contiene 6 g di deuterio e .015 di litio equivalente a 30 barili di petrolio per deuterio e 1/6 di barile per il trizio. Dopo la fusione DT si farà quella DD.

Scenari energetici futuri PROBLEMI Estrema difficoltà nel realizzare la fusione controllata Alti costi per capire la fisica e sviluppare la tecnologia Ricerca iniziata negli anni 50 non ancora conclusa Due vie possibili Confinamento magnetico Confinamento inerziale

Scenari energetici futuri

Scenari futuri della energia nucleare LA FUSIONE MAGNETICA

Scenari energetici futuri Enormi progressi sono stati realizzati. L’aumento di potenza da reazioni di fusione segue la legge di Moore (esponenziale). Esperimento al JET con trizio prossimo al break-even

Scenari energetici futuri . La fusione richiede temperature elevate di almeno 10 KeV pari a 1.2x108 gradi. Le condizioni per la fusione sono fissate dal criterio di Lawson r t > c dove r è la densità e t il tempo di confinamento. Confinamento magnetico: densità basse, tempi lunghi (minuti) Confinamento inerziale : densità alte, tempi corti (nanosecondi)

Scenari energetici futuri JET Esperimento Europeo concluso. Il toro con raggi di 2 e 3 m ha raggiunto un guadagno Q=0.7 ITER Nuovo esperimento mondiale. Il toro di raggi 2 e 6.3 m Dovrebbe raggiungere un guadagno Q=10. DEMO Dimostratore di una centrale a fusione dopo ITER .

Scenari energetici futuri . Avvicinamento al break even Struttura di ITER

Scenari energetici futuri Cont Scenari energetici futuri Contribution : (50% + 8%:EU)+(10%+8%:JA)+10%x4(US,RF,KO,CN) 100%(ITER) +16%(Broader Approach) ITER EU JA Simulation IFMIF-EVEDA Contribution 50% staff 40% procurement Contribution 10% staff 20% procurement DEMO Design Remote Center Satellite Tokamak 50%+8% Arrangement between EU&JA 10% 10%+8% 10% 10% 10%

Scenari energetici futuri Road map to the reactor Device Paese Anno Potenza MW Guadagno TFTR USA 82-97 11 0.3 JET EU 83-now 16 0.6 ITER INT 016-036 500 10 IFNIF DEMO 032-050 2000 25 PROTO ? 050-? 4500

Scenari futuri della energia nucleare LA FUSIONE INERZIALE

Scenari energetici futuri La fusione inerziale è una microesplosione simile a quella di una bomba termonucleare o di una supernova. La quantità di combustibile è minuscola, pochi mg di DT, e quindi l’energia rilasciata può essere controllata. La energia di una bomba di decine di Mtons viene rilasciata in qualche decennio con una frequenza di 10 Hz. Nif hohlraum NIF camera interazione

Scenari energetici futuri Dal diesel al motore a scoppio trermonucleare Negli esperimenti in corso le reazioni di fusione avvengono per compressione. La temperatura al centro consente le prime reazioni di fusione che si propagano come nel motore diesel. La fusione veloce si basa sul deposito di energia concentrata Tramite fascetti di elettroni o protoni prodotti da impulsi laser ultracorti (decine di fs). Questi fasci sono la scintilla che accende la reazione di fusione. Impulso laser ultracorto Impulsi Laser per la compressione Elettroni veloci

Scenari energetici futuri I Dispositivi per la fusione inerziale sono basati su laser Ne-vetro che hanno energie di 10 KJ ma tasso di ripetizione molto basso (1 tiro ogni qualche ora). NIF ha 180 di questi lasers e deposita 1.8 MJ sul bersaglio. Entro la estate esperimenti a piena potenza da cui si attende la ignizione Si stanno sviluppando laser pompati a diodi che hanno frequenza elevata. Operativi per fusione tra 15 anni circa. Laser Ne per NIF

Scenari energetici futuri Roadmap per LIFE (laser inertial fusion energy) 2010-2012 Esperimenti di ignizione a NIF 2020-2030 Prototipo di LIFE 2030-2040 Prototipo di impianto commerciale Problemi: A efficienza e rep. rate dei laser (diode pump) B estrazione energia C tecnologia reattore

Scenari energetici futuri Esperimenti in Europa LMJ Laser Megajoule esperimento militare francese, come NIF PETAL Esperimento civile francese per la fast ignition HIPER Progetto di esperimento UE per fast ignition PETAL HIPER

Scenari energetici futuri Energia Chimica / Energia nucleare = 1/ 1000 000

Scenari energetici futuri Italia Non partecipa ai progetti generation IV per fissione Partecipa ad ITER e parteciperà ad HIPER Per la fusione magnetica ci sono due macchine toroidali a Frascati e Padova Alcuni studi di interesse per la fast ignition saranno condotti con il laser FLAME in corso di istallazione a Frascati. L’impegno del nostro paese non è comunque confrontabile con quello di Francia, Germania e UK. La ricerca in Italia è un optional.

Scenari energetici futuri Bologna E’ in fase di sviluppo il progetto PROMETHEUS Infrastruttura di ricerca basata su Laser di potenza 200 TW Obiettivo produrre fasci di protoni (eletttroni e X) per la biomedicina Idoneo per esperimenti sulla Fast Ignition (HIPER) Collocazione: laboratorio di Montecuccolino ove era collocato reattore RB3 di ENEA per prova Elementi combustibile

Scenari energetici futuri AD ASTRA Energia abbondante e pulita è condizione per la democrazia evitando il ritorno ad antiche schiavitù. Apre anche le porte verso nuovi mondi altra condizione per il progresso dell’umanità

Scenari energetici futuri FINE Grazie per l’attenzione

Income per capita in US $