Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Corsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica e per lAmbiente e il Territorio Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali a.a. 2007/08 Impianti nucleari

Reazione di fissione nucleare

Barre combustibile e di controllo

CENTRALI NUCLEARI: - 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

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

Gas-grafite

Reattori ad acqua LWRLight water reactor Acqua naturale (leggera) uranio arricchito PWRPressurized water reactor Tmax °Cciclo indiretto P150 kg/m2uranio arricchito BWRBoiling water reactor (Garigliano Caorso) Tmax 282°Cciclo diretto Pmax 68 kg/cm2uranio arricchito

Boiling water reactor

Pressurized water reactor

REATTORI AD ACQUA PESANTED 2 O Reattore CANDU (canadese a deuterio e uranio) è 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 cè sempre acqua pesante con 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

Reattore Candu

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

Fast breeder reactor

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

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

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: volte superiore a quella di una reazione di fissione 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

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/cm3 τ = sec.

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 microeplosione arriverebbe grazie a potentissimi laser Tecnologie diverse dal contenimento magnetico ma comunque difficoltà eccezionali

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

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