ESPERIENZE NUCLEARI NEL CENTRO RICERCHE CASACCIA - Ordine degli Ingegneri della Provincia di Roma
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ESPERIENZE NUCLEARI NEL
CENTRO RICERCHE CASACCIA
attività in corso, programmi, strategie
Ore 9:30 – 10:15
Attività ENEA per la Ricerca e l’Innovazione
Ing. M. Sepielli
ENEA
Responsabile Unità Tecnica Tecnologie e Impianti per la Fissione e la Gestione del Materiale nucleare
Contenuti dell’intervento
Le attività di ricerca dell’ENEA
Le attività nel settore nucleare
Sicurezza reattori in operazione (post-Fukushima)
Reattori innovativi (progettazione, modellistica,
simulazione, ingegneria sperimentale)
Chiusura ciclo combustibile
Le attività nucleari nel Centro Casaccia
I reattori nucleari di ricerca
Il servizio integrato di raccolta rifiuti e sorgenti
La caratterizzazione dei materiali nucleari
Massimo Sepielli
ESPERIENZE NUCLEARI NEL CENTRO RICERCHE CASACCIA : attività in corso, programmi, strategie
30 giugno 2014 pag. 2
Siti e Centri di Ricerca dell’ENEA
Ing. M. Citterio
Direttore
Centro CR Casaccia
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
Fiorentino
Principali temi di ricerca dell’agenzia ENEA
Efficienza Energetica
Fonti Rinnovabili
Nucleare
Ambiente e Clima
Sicurezza e Salute
Ing. G. Lelli
Nuove Tecnologie Commissario
Ricerca di sistema elettrico ENEA
NUCLEARE
• Fusione Nucleare
• Fissione Nucleare
• Applicazioni delle radiazioni
• Radioprotezione e Metrologia
• Biologia delle radiazioni e salute umana
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
Fiorentino
La ricerca nucleare
La ricerca energetica e non energetica
Energetica: fissione e fusione
Fissione:
Sicurezza dei reattori in operazione (Gen II)
Progettazione reattori Gen III e IV,
Chiusura ciclo combustibile (SF & WM)
Usi elettrici e non elettrici
Fusione: calda e fredda
Non energetica
Fisica nucleare (infrastrutture di irraggiamento n, gamma)
Gestione dei rifiuti radioattivi non da ciclo combustibile
Caratterizzazione e Radiochimica
Security
Radioprotezione
Metrologia
Radiomedicina (radiofarmaci, BNCT, traccianti diagnostica e radioterapia)
Effetti delle radiazioni sugli esseri viventi
Applicazioni delle radiazioni in industria e in agricoltura
L’ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 6
4 marzo 2014 pag. 6
FISSIONE NUCLEARE
L’ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa
4 marzo 2014 pag. 8
Gli usi della fissione 1. Produzione di energia elettrica attraverso un ciclo tipicamente rankine con efficienza del 30-40 % (circa il 30% in Europa, > 80% in Francia) 2. Produzione idrogeno, per dissociazione termochimica ad alta temperatura 3. Produzione acqua dissalata per paesi sottosviluppati 4. Teleriscaldamento– cogenerazione per centri abitativi estesi 5. Produzione di combustibili per trasporto
Ricerche e studi sulla sicurezza
•Sequenza incidentale:
• Sisma di magnitudo 9.0,
seguito da uno Tsunami di
14 m (altezza max di
progetto 7m)
• Impianto elettrico allagato
• 1/10 della radiazione
rilasciata a Chernobyl
Scala INES, LIVELLO 7
L’ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa
4 marzo 2014 pag. 16
Sequenza eventi
secondo AREVA (RV/CV)
Stima finale della
frazione di
nocciolo
danneggiato nei
reattori della
centrale di
Fukushima-
Dai∙ichi
Unità 1 70%
Unità 2 30%
Unità 3 25%
La ricerca per la sicurezza
• Stress test su tutti gli impianti Europei
• Safety guides ENSREG / WENRA / IAEA / NEA
• Analisi incidentali (simulazione e codici)
• Eventi estremi (BDBA) e impatto ambientale
• Sistemi di sicurezza attivi e passivi
• Sistemi mobili
• FP7 e H2020
L’ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 18
4 marzo 2014 pag. 18LA TERZA GENERAZIONE I REATTORI EVOLUTIVI
• APR-1400 (KEPCO – KOREA)
• EPR AREVA (EDF-ENEL)
• AP1000 (W-Ansaldo)
• ABWR / ESBWR
• AVVER
• PWR che si basa sull’esperienza
trentennale di sistemi della
Generazione II
• Tempi brevi di costruzione
• Sicurezza intrinseca
• Error-proven
• Arricchimento più elevato
• Fermate più rare e tempi di fermata
più brevi
• Più economico: 1.5 M€/Mw
• Costo kWh: 3 c€ (carbone)
• Tempo di costruzione: 50 Mesi
• Fattore di carico: 85 %
• Vita: 60 anniIL REATTORE PRESSURIZZATO PASSIVO
LA TECNOLOGIA DI GENERAZIONE III avanzata
I reattori piccoli e modulari (IRIS, NUSCALE, M-POWER,
SMR W, CAREM, SMART, BREST)
600 MWe
Loop-Type PWR
40m
58m
IRIS
335 MWe
25m
• Sicurezza - a progetto, intrinseca, error proven
• Economico - Prezzo competitivo dell’elettricità
• In-house, Modulari, flessibili , adattabili e trasportabiliLA TECNOLOGIA DI GENERAZIONE IV – I 6 progetti del GIF • Sostenibilità - Sfruttamento massimo del combustibile nucleare e minimizzazione dei rifiuti • Non – proliferazione - resistenza accumulo di Pu separato, riutilizzo completo del fissile • Sicurezza ed economicità
I PROGRAMMI EUROPEI – SNETP - ESNII ESNII The European Sustainable Nuclear Industrial Initiative October 2010 A contribution to the EU Low Carbon Energy Policy: Demonstration Programme for Fast Reactors
«UN REATTORE «ITALIANO» il reattore veloce a metallo liquido
Progettazione, ingegneria sperimentale e
modellistica
30La ricerca: sostenibilità e chiusura del ciclo nucleare
• Sostenibilità del ciclo uranio
• Minimizzazione rifiuti
• Riduzione radiotossicità
• Riduzione volumi
• Aumento durabilità
• Isolamento – confinamento dalla biosfera
• Cicli aperti e chiusi
• Reattori veloci autofertilizzanti
• ADS (Trasmutatori - Bruciatori)
• Sistemi di partitioning e riprocessamento non
proliferante del combustibile esaurito
(pirometallurgia)
• Sistemi di trattamento e condizionamento dei
rifiuti per la massima riduzione dei volumi e
durabilità nel tempo dei manufatti
• Deposito superficiale
• Deposito geologici (SNETP-IGDTP) 31Prospettive a lungo termine (schema concettuale)
Partitioning
U Pu AM
10.000
Fabbricazione
Combustibile
Reattore veloce
Reattore III gen Rifiuti a a U-Pu-AM U nat
Residui a IV gen
breve vita U depl
lunga vita
Radiotossicità relativa
1.000 Oppure ADS ?
Combustibile esausto
Rifiuti a lunga vita
100
Deposito geologico
Barriere naturali
Prodotti di Fissione
10 Rifiuti a breve vita ~340.000 anni
Minerale di Uranio ~430 anni
O O
1
Deposito superficiale
Barriere artificiali
0,1
10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000
anniADS – Burners – Inceneritori – GNEP-IFNEC
• Le attività italiane di R&D negli impianti a
metallo liquido pesante (HLM) iniziarono nei
tardi anni ’90 col progetto ADS (TRADE-ENEA,
ANSALDO, INFN).
• Nello scenario GEN-IV, il sistema italiano
(ENEA + UNIs + Industries) è fortemente
coinvolto nella tecnologia al piombo (LFR):
•MYRRHA: MYRRHA
ENEA LFR
ANSALDO Technology
Pilot Project
•ALFRED: Belgium
ENEA
ANSALDO
MERIVUS (TECNOMEC group
FN
CSM
CIRTENRiprocessamento pirometallurgico Trattamento del combustibile irraggiato: il metodo pirometallurgico
Trattamento e condizionamento rifiuti radioattivi
(liquidi ILW – HLW)
• Supercompattazione
• Cementazione (matrice fisica)
• Vetrificazione (matrice fisica)
• Carbowaste
• Liquidi ILW - HLW
– Concentrazione per filtraggio (resine)
– Concentrazione termodinamica
– Concentrazione biologica
– Altre soluzioni
• Silica-gel (matrice chimica)
35Lo smaltimento dei rifiuti radioattivi Il Deposito Superficiale o sub superficiale è costituito da “sole” (o quasi)barriere artificiali (opere ingegneristiche), idonee a mantenere confinata la radioattività per un periodo relativamente “breve” (tipicamente inferiore a 1000 anni), comunque sufficiente al decadimento radioattivo. Il Deposito Geologico è costituito da barriere artificiali (opere ingegneristiche) e barriere naturali stabili (formazioni saline, argillose, granitiche, etc.), idonee a mantenere confinata la radioattività per un periodo relativamente “lungo” (superiore a diverse centinaia di migliaia di anni), sufficiente al decadimento radioattivo. La qualificazione dei depositi è effettuata (Performance Assessment) con lunghi studi ed approfondite analisi dei fenomeni di dispersione della radioattività attraverso le barriere protettive.
Il deposito superficiale
D.Lgs. N. 31 /2010
Direttiva n.70/2011
Schema recepimento e
G.T. 29 ISPRASmaltimento geologico Lo smaltimento in profondità dei rifiuti radioattivi a lunga vita ed alta attività e del combustibile irraggiato è attivamente avviato in Finlandia, Svezia, Stati Uniti, mentre altri Paesi (Francia, Giappone, Belgio, etc) sono in una fase di studio e di progetto molto avanzata (Laboratori Sotteranei). Le formazioni geologiche scelte sono principalmente i depositi salini, le sedimentazioni argillose e le rocce granitiche. Forsmark, Svezia Costruzione: 2015- 2022 Esercizio: 2023-2070 Formazione di granito
C.R. Casaccia
La ricerca nucleare non energetica
Fisica nucleare (infrastrutture di irraggiamento n, gamma)
Radiochimica
Radioprotezione
Metrologia
Radiomedicina (radiofarmaci, BNCT, traccianti diagnostica e
radioterapia)
Effetti delle radiazioni sugli esseri viventi
Applicazioni delle radiazioni in agricoltura
Applicazioni della radiazioni in industria
Gestione dei rifiuti radioattivi non da ciclo combustibile
Security
L’ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 48
4 marzo 2014 pag. 48Planimetria Generale del CR ENEA Casaccia con indicazione
degli edifici con aree con rischio radiazioni ionizzanti
- rosso: edifici Impianti Nucleari;
- blu: edifici Nulla Osta di categoria A;
- giallo: edifici Nulla Osta di categoria B;
- verde: edifici in Comunicazione Preventiva di Pratica;
- azzurro: edifici con attività non attive
- grigio: no attività con rischio radiologico
- nero: SOGIN e NUCLECO;
C-02
Reattore TRIGA
C-37
Reattore TapiroEdifici dei reattori TRIGA e TAPIRO Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto Fiorentino
I nostri reattori di ricerca
• Due dei quattro reattori Italiani in
funzione
• Non sono reattori di potenza
• Seguono orario di lavoro 8.00-
16.00
• Operativi dagli anni ’60-’70
• Eserciti da ENEA su Decreto
Ministeriale MiSE
• Attività di ricerca di base di fisica
ed ingegneria nucleare e applicata
all’industria e medicina
• Gestione con elevate competenze
• Sorvegliati da ISPRA, EU, IAEA,
DOE, NST, (safety e security)
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
FiorentinoRSV TAPIRO – Un “Unicum” al mondo
Reattore Sorgente Veloce - TAratura PIla Rapida a Potenza
0
Principali catatteristiche
(Fast Source Reactor - Zero Power Rapid Pile Calibration)
Tipo: reattore a neutroni veloci
Site: C.R. Casaccia – Roma –Italia
Prima criticità: 4 April 1971.
Maximum thermal power: 5 kW.
Core: lega Mo-U ad alto arricchimento.
Riflettore: rame
Schermo biologico: cemento borato ad
densità.
Refrigerante: elio (gas).
Barre di controllo: 2 shim rods + 2 barr
sicurezza+ 1 barra di regolazione
Massimo flusso neutronico:4·1012
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) n/cm2/s. 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
FiorentinoLa sicurezza intrinseca – RSV TAPIRO
Core
• cylindrical core of about 6 cm radius and about 11 cm
height;
• the fuel is a metal alloy (U 98.5 % Mo 1.5 %);
• high enriched Uranium-235;
• cooled by means of helium circulating (P>50W).
Riflettore
The copper outer reflector (cylindrical form)
is divided in two concentric zones:
• the inner zone up to 17 cm radius;
Fixed part
• outer zone up to 40 cm radius.
The external height is 72 cm.
Mobile part Schermo biologico 1.7 m.
The reactor is surrounded by a borate concrete
shield about 170 cm thick.
Diametral channel It guarantees a dose rate lower than 20 μSv/h at 5
kW in the reactor hall
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
FiorentinoTRIGA RC-1 – Uno di 100 al mondo Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto Fiorentino
Formazione su reattori nucleari di ricerca
TRIGA RC-1 – 1 MW
Reattore nucleare espressamente progettato per
attività di formazione e ricercaTRIGA RC‒1
• Reattore termico a
piscina, con nocciolo in
riflettore cilindrico di
grafite, sul fondo di un
contenitore di alluminio
• Contenitore riempito con
acqua demineralizzata
Moderatore
Mezzo refrigerante del
nocciolo
Schermo biologico
• Combustibile:
Lega ternaria Zr, H, e
U arricchito al 20% in
U235
• Elevato coefficiente
56 negativo pronto di
temperatura
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
FiorentinoSala Controllo e radiochimica
Laboratorio radiochimica
Sala Controllo
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
FiorentinoPrincipali attività dei reattori dell’ENEA
Formazione studenti e dottorandi, addestramento supervisori
ed operatori
Studi di materiali e di strutture per i sistemi nucleari di nuova
generazione e la fusione termonucleare controllata
Analisi per attivazione neutronica, radiografie e tomografie
neutroniche, a fini di ricerca, medicina e attività forensi
Ricerca finalizzata alla produzione di radiofarmaci per
applicazioni mediche di diagnostica e terapia dei tumori
Irraggiamenti su apparecchiature elettroniche per applicazioni
spaziali per verificare la resistenza alla radiazione cosmica
Effetti della trasmutazione sugli isotopi transuranici per
ridurre I rifiuti radioattivi a lunga vita ed alta attività
Sviluppo e validazione di codici di calcolo di neutronica
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
FiorentinoRadiografie neutroniche Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto Fiorentino
Ricerca su radiofarmaci per la medicina
Per la produzione di radiofarmaci per attività
diagnostiche e terapeutiche in generale è necessario
almeno un flusso neutronico di 1013 n cm-2 s-1,
ottenibile solo in reattore
Nuovi eco-radiofarmaci selettivi non in commercio
Radiofarmaci, allo stato attuale, rari e costosi
I131 cura tumore tiroideo
Mo99-Tc99 per diagnostica di precisione 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica)
FiorentinoSistema autorizzativo ed ispettivo
Concessione della licenza di esercizio MiSE – ENEA
Staff di operazione patentato (230/95)
Radioprotezione e fisica sanitaria (230/95)
Servizio Prevenzione e Protezione (81/2008)
Autorizzazione, Regolamento di esercizio, Esercitazioni
di emergenza, Prescrizioni tecniche
Funzioni ispettive nazionali: ISPRA (Autorità nazionale
di controllo)
Funzioni ispettive internazionali: EURATOM
Trattato con IAEA: Agenzia Atomica internazionale
Controllo sulla protezione fisica e il combustibile
nucleare: NSC US (NRC, GAO, DOE)Staff di operazione • Esercente • Responsabile Laboratorio • Direttore TRIGA • Direttore TAPIRO • Direttore esercizio TRIGA • Direttore esercizio TAPIRO • Supervisori impianto • Operatori impianto • Esperto qualificato – fisico sanitario • Medici autorizzati • Radioprotezione operativa
Piani di emergenza Piano di emergenza interno: riguarda l’impianto in cui si ipotizza un incidente e prevede la serie di operazioni necessaria e gestire l’emergenza in area impianto e riportare rapidamente il reattore in uno stato di sicurezza Piano di emergenza esterno: riguarda l’area esterna all’impianto laddove si ipotizza che l’incidente possa avere effetti sull’ambiente e sulle persone all’esterno dell’impianto
Emergenza interna
• Tipologia operazioni previste se:
• Escursione di potenza o aumento del livello radiazione
1. Spegnimento immediato (se in funzione), sirena locale
2. Misure principali parametri del reattore (flusso neutronico, temperatura core,
refrigerante)
3. Misure radioattività sala reattore (131I , alfa/beta/gamma)
4. Isolamento ventilazione
5. Intervento in caso di incendio
6. Controlli responsabile di edificio su personale presente
7. Richiamo del personale di esercizio del reattore in servizio
8. Allerta Direttore emergenza esterna «Sirena stato di pre-allarme / allarme»
9. Attivazione medico autorizzato e fisica sanitaria
10. Richiamo del personale di emergenza in reperibilitàL’organizzazione ENEA
Primo
soccorso DIRIGENZA ENEA
Direttore
dell’emergenza
Primo Prefettura
intervento
Regione Lazio
Responsabili
di edificio
ISPRA
Comitato di
Impianto emergenza
ASL
Radio
protezione VFFSorveglianza ambientale e gestione emergenza
Caratterizzazione dei materiali nucleari
Gamma-segmental and tomographic techniquesRadiochimica
Trattamento e condizionamento dei rifiuti radioattivi
ENEA - NUCLECO S.p.A.
Main activities:
- Treatment (minimization), conditioning, temporary
disposal of radioactive liquid and solid waste onon
behalf of a third part.
- Dismantling of plant sections, components and
drainage of (nuclear and conventional) sites.
- Design, realization and practice of dismantling
plants and waste treatment, on behalf of a third
part.
- Radiologic and chemical characterization of nuclear
and conventional sites, materials and waste.
- Development and qualification of conditioning
processes.
- Technological services (safety analysis, operative
radioprotection, etc).Trattamento rifiuti e loro stoccaggio provvisorio Harvesting, Treatment, Conditioning and Storage of radioactive waste (not electro-nuclear source) • Waste management near the producing source • Safe transport to the NUCLECO headquarters • Acceptance, characterization, labelling, filling and treatment in Casaccia plants and laboratories (ENEA) • Temporary storage, waiting for disposal in the national definitive repository or for decay
Smaltimento finale e siting
National Integrated Service
for radioactive sanitary and
industrial waste (in convention
with the NUCLECO company)
ENEA-NUCLECO and ENEA-
SOGIN Contracts Management
Lab of innovative systems for
safe disposal of nuclear waste.
Advisor for the national
Governmental bodies -
participants in various
organizations and international
protocols.AREA DISATTIVAZIONE CASACCIA
Impianti OPEC e IPU
Attività di decontaminazione e smantellamento
Casaccia, 15 marzo 2013Istituto di Radioprotezione (IRP)
Research, Development and Qualification:
- Radiological safety in complex research
plants for nuclear fusion (i.e. ITER and
high energy accelerators)
- Dosimetry techniques for ionizing radiation
dose evaluation from environmental
release
- Molecular biology for dose-effect risk
curves identification at low dose.
Radioprotection supervision :
- Operative physical surveillance
- Environmental surveillance,
- Individual dosimetry,
- Radon monitoring .
Facilities:
- technical service dosimetry for external
subjects,
- Calibration center for ionizing radiation .Istituto nazionale di metrologia delle
radiazioni ionizzanti (METR)
Role:
The Institute has the role assigned to ENEA by law 273/1991 as the
primary metrological institute in the field of ionizing radiation,
developing and maintaining several sample systems at national
level. It has, furthermore, the duty as EU authority for type
approval and calibration certification of measuring instruments for
radiation protection.
Research:
Study of basic methods and techniques of measurement for
ionizing radiation with particular reference to radiotherapy
needs, diagnostic radiology and radiation protection.
Service:
- Calibration of measuring instruments of ionizing radiation
with international certification.
- Technical support for the accreditation of secondary centres
of calibration, in the Italian Calibration Service (SIT).
- Evaluation of reliability for the ionizing radiation measures
at national level.La Security nucleare
Il trattato di non proliferazione nucleare ed il protocollo aggiuntivo (TNPN)
Il programma internazionale per la messa al bando delle armi nucleari (CTBT)
Il servizio integrato di raccolta sorgenti e rifiuti radioattivi (S.I)
Global Threat Reduction Initiative (GRTI) e sottoprogramma «The Highly
Enriched Uranium (HEU) Reactor Conversion sub-program”
Lo smantellamento dei sommergibili e delle città atomiche ex-URSS:
programma «from MEGATON to MEGAWATT»
Il controllo export beni duplice – uso
I progetti di ricerca sulla security (EDEN)
MAE, MiSE, IAEA, Euratom, ISPRA, ENEA, Prefetture, Protezione civile, NBCR,
PS, CCGrazie dell’attenzione
Ing. Massimo Sepielli ‒ ENEA – UTFISST
Responsabile
massimo.sepielli@enea.it
Congresso Annuale 2012 SISN (Società Italiana di Spettroscopia Neutronica) 21 Giugno 2012 Area Tecnica CNR , Sesto
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