L'ENERGIA NUCLEARE: OPPORTUNITÁ e/o PROBLEMATICHE? - Prof. M. MISALE - 2 Maggio 1942 - AulaWeb
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Dipartimento di Ingegneria Meccancia,
Energetica, Gestionale e dei Trasporti
Sezione Termoenergetica e Condizionamento Ambientale
L’ENERGIA NUCLEARE:
OPPORTUNITÁ e/o PROBLEMATICHE?
2 Maggio 1942
Prof. M. MISALE
Sommario
Classificazione Energia
Dati statistici su produzione di Energia ed Emissioni di CO2
Fissione Nucleare
Fusione Nucleare
Tipologie dei reattori nucleari a Fissione
PWR – Pressurised Water Reactor
BWR – Boiling Water Reactor
Candu
Problematiche di Controllo
Decommissioning
Residui della Combustione Nucleare
Road-map dei Nuovi Reattori Nucleari a Fissione
Reattori Nucleari a Fusione
Fusione Fredda
Incidenti Nucleari
Armi Nucleari
Commenti Finali
2 di 50
Classificazione Energia
En. NON RINNOVABILI:
carbone
petrolio
gas naturale
nucleare
En. RINNOVABILI:
Relazione Calore-Lavoro
idraulica
solare
eolica Calore Lavoro
maree
nucleare (?)
TERMODINAMICA
3 di 50
ENERGIA……..
Primo Principio della Termodinamica
TUTTO È POSSIBILE
Secondo Principio della Termodinamica
NON TUTTO È POSSIBILE
4 di 50
Produzione di energia elettrica
Emissione CO2
5 di 50
Consumi Energetici
6 di 50
LA DISTRIBUZIONE DELLE FONTI DI
ENERGIA IN ITALIA E NEL MONDO
7 di 50
En. NON RINNOVABILI:
Produzione di energia elettrica
Caldaia
Reattore
A
Nucleare
Gas
Carbone
Petrolio
Naturale
8 di 50
Fissione – Fusione
Nucleare
Fissione Nucleare Fusione Nucleare
9 di 50
Energia Prodotta
Energia sviluppata da 1 kg di materia
kWh
Fusione dell’Elio da Idrogeno 2.0·108
Fissione dell’Uranio 2.3·107
Combustione carbone 3.5·100 kWh
1 kg di U235 corrisponde a circa 6500 t di “buon” carbone
ovvero circa 2000 t di petrolio
Consumi annui per produrre 3000 MWtermici 7.500.000 t di carbone
2.200.000 t di petrolio
1.100 t di U235
10 di 50Pressurized Water Reactor
PWR
Westinghause
Combustibile U238 (95%)+U235 (3-5%)
nucleare Uranio Parte fissile
naturale
Uranio in natura U238 (99.3%)+U235 (0.7%)
11 di 50Pressurized Water Reactor
PWR
Westinghause
Pressione di esercizio 150 bar
Temperatura di esercizio300 °C
Moderatore/refrigerante Acqua Leggera (H2O)
Barre di controllo dall’alto
Doppio circuito tra reattore
e turbina
12 di 50Boiling Water Reactor
BWR
General Electric
13 di 50Boiling Water Reactor
BWR
General Electric
Pressione di esercizio=75 bar
Temperatura di esercizio300 °C
Moderatore/refrigerante Acqua Leggera (H2O)
Barre di controllo dal basso
Singolo circuito tra reattore
e turbina
14 di 50Confronto
PWR - BWR
PWR
BWR
15 di 50Reattore Candu (PWR)
AECL - Canada
Pressione di esercizio 150 bar
Temperatura di esercizio300 °C
Moderatore/refrigerante Acqua PESANTE (D2O)
Barre di controllo dall’alto
Doppio circuito tra reattore
e turbina
16 di 50Come si rallenta un
Neutrone?
Neutroni
H2O
H
H
O
17 di 50Come si rallenta un
Neutrone?
18 di 50Situazione Incidentale
Combustibile Nucleare neutrone
H2O
Liquida
Il sistema è
intrinsecamente
Sicuro?
Si
H2O
Vapore
19 di 50Potenza termica residua
D2 52
V= H = 10 200 m3
4 4
D Potenza = 3000 MWtermici
Potenza 3.000.000.000 W
= = 15.000.000
Volume 200 m3
Reattore nucleare
Poiché la potenza residua nel caso di spegnimento
H in emergenza del reattore è di 1% nell’arco di
1 minuto
Potenza residua W
= 15 . 000 . 000 0 . 01 = 150 . 000
Volume 1 min m3
Termosifone
P=2000 W P 2000
=
V 0.14
14.300
W
m3
150.000
10.5 volte
V=0.14 m3 14.300
20 di 50Decommissioning
21 di 50Residui della
Combustione Nucleare
Scorie
Tempo di dimezzamento:
U235 8.9·108 anni
U238 4.5·109 anni
Pu239 2.8·104 anni
Secondo Principio della Termodinamica
NON TUTTO È POSSIBILE
22 di 50Key words
nell’impiantistica nucleare
Ridondanza
ovvero
reattore
SI turbine
Se?
Automazione
Connettività
rete elettrica
Contenimento
no
turbine
reattore
23 di 50Reattori nucleari nel mondo
La localizzazione dei 360 GW in esercizio è così
suddivisa:
172 GW Europa (~ 48%)
100 GW Nord America (~ 30%)
73 GW Asia (~ 20%)
3 GW Sud America (~ 1%)
1,8 GW Africa (~ 0.5%)
Sono in costruzione da diversi anni 32 unità a livello mondiale
per un totale di 27 GW, delle quali 19 unità in Asia:
- 7 in India • In Europa sono in costruzione 11 unità:
- 4 in Cina
- 3 in Giappone - 4 in Ucraina
- 2 nella Repubblica di Corea - 3 in Russia
- 2 a Taiwan - 2 nella Repubblica Slovacca
- 1 nella Repubblica Democratica di Corea - 1 in Romania
per un totale di 16 GW. - 1 nella Repubblica Ceca
per un totale di 9 GW.
• Le 2 restanti unità sono in costruzione in
Argentina ed Iran
24 di 50Energia Elettronucleare prodotta
nel mondo al tutto il 1971
Paese Numero di Potenza Energia Percentuale
Reattori Installata Complessivamente di
(MW elettrici) prodotta Energia
(GWh) Prodotta
Inghilterra 27 4782 180241 53.34
Stati uniti 16 5632 80078 23.70
Italia 3 622 21378 6.33
Francia 7 1605 20090 5.95
Germania 4 907 15677 4.64
Occidentale
Giappone 3 863 7000 2.07
India 2 400 3480 1.03
Svizzera 1 364 2895 0.86
Canada 1 220 2477 0.73
Spagna 1 160 2026 0.60
Belgio 1 11 1509 0.45
Olanda 1 54 785 0.22
Svezia 1 12 261 0.08
TOTALE 68 15632 337897 100
15.6 GWe
1/3
1/3
Nocciolo del reattore 1/3
25 di 50Localizzazione degli
impianti nucleari
26 di 50Impianti termonucleari nel mondo
ed
energia elettrica prodotta nel 2005
Paesi che superano il 50%
16 2
6
16 2.8
27 di 50Road-map dei nuovi
reattori nucleari
28 di 50Reattore di III Generazione
29 di 50Reattore di III Generazione
AP1000
Assicura lo smaltimento del
calore residuo all’atmosfera
dopo incidente, ricorrendo alla
sola circolazione naturale sia
all’interno che all’esterno.
L’evaporazione dell’acqua
assicura per 72 ore (3 giorni)
la rimozione del calore dal
contenimento.
Anche in assenza d’acqua la
convezione naturale dell’aria
assicura per 24 ore l’integrità
del contenimento.
30 di 50Reattore di III Generazione
AP1000
31 di 50Reattore di III Generazione
AP1000
32 di 50Reattore di III Generazione
AP1000
Grazie alla costuzione modulare il reattore (AP1000)
ha, rispetto ad altri reattori analoghi:
-50% valvole di sicurezza
-35% pompe
-80% tubazioni di sicurezza
-85% cavi di controllo
-45% volume dell'edificio reattore
Questo consente di avere il reattore in funzione
dopo 36 mesi dalla prima colata di cemento.
Questo tempo è ancora riducibile con una
industria nucleare avviata, riducendo quindi tempi
e costi di costruzione.
33 di 50Reattore di IV Generazione
34 di 50Reattore di IV Generazione
35 di 50Generation III
Reactor Approximate Reactor Certification Target
Vendor
Design Capacity (MWe) Type Status Certification
AP600 Westinghouse 650 PWR Certified Certified
AP1000* Westinghouse 1117 PWR Certified Certified
ABWR* GE et al 1371 BWR Certified Certified
System 80+ Westinghouse 1300 PWR Certified Certified
Undergoing
ESBWR* GE 1550 BWR 2007
certification
EPR* AREVA NP 1600 PWR Pre-certification 2009
Westinghouse,
PBMR 180 HTGR Pre-certification Not Available
Eskom
IRIS Westinghouse et al 360 PWR Pre-certification 2010
Undergoing
US APWR Mitsubishi 1600 PWR 2011
certification
Modified
ACR Series AECL 700-1200 Pre-certification Not Available
PHWR
Research prototype
GT-MHR General Atomics 325 HTGR Not Available
planned
Sodium- Potential
4S* Toshiba 10-50 Not Available
cooled construction
Note: Data are approximate targets which may change. Reactor types are defined below. Designs marked with an asterisk (*) are also
supported by electricity generating firms or organizations publicly investigating possible construction in the U.S. AECL is Atomic Energy
of Canada Limited.
36 di 50Fusione Nucleare
Condizioni per ottenere la fusione nucleare
È necessario riscaldare il plasma di deuterio-trizio
a temperature molte alte (oltre 100 milioni °C)
È necessario mantenere il plasma in uno spazio limitato
È necessario confinare il plasma per un tempo sufficiente affinché
avvenga la reazione e l’energia liberata possa compensare sia le perdite
sia l’energia usata per produrla
Temperatura, K
Densità plasma , part/cm3
37 di 50Reattore a confinamento magnetico
In linea di principio il plasma può essere confinato mediante un campo
magnetico.
In assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in tutte le
direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si raffredderebbe
inibendo la reazione di fusione.
Il plasma dalla miscela di deuterio e trizio si ottiene per riscaldamento o per il
passaggio di unaCentrale
correntenucleare
elettrica.
31
38 di 50ITER International Thermonuclear
Experimental Reactor - Project
(Cadarasche France)
TOKAMAK
Inizio progetto 1 Settembre 2007
26
Problema della fusione nucleare?
Non si può costruire
un prototipo in piccola scala
39 di 50Reattore a confinamento magnetico
ITER - IGNITOR
40 di 50Fusione Nucleare
quando ci sarà?
Oso predire che nel corso dei prossimi venti anni si troverà un metodo che
permetterà di liberare in maniera controllata l’energia da fusione.
Dr. Homi Bhabha – Presidente della Conferenza Atomica di Ginevra 1955.
Tratta da: A. Angelopoulos “L’atomo unirà il mondo?” – Einaudi 1956.
Avrei voluto poter annunciare stasera la data in cui si realizzerà questa
brillante speranza della produzione di energia elettrica per mezzo della
fusione nucleare……..Io non ho l’ardire del nostro presidente dottor
Bhabha……Tuttavia, le facoltà creatrici dello scienziato mi ispirano tale fiducia,
che io sono convinto che questo risultato sarà raggiunto molto prima che
l’uomo arrivi a considerarlo indispensabile.
Sir John Cockcroft – Conferenza Atomica di Ginevra 1955.
Tratta da: A. Angelopoulos “L’atomo unirà il mondo?” – Einaudi 1956.
41 di 50Fusione
Fredda
Nei solidi la repulsione coulombiana può essere schermata da effetti
collettivi degli elettroni del reticolo e non è più necessario riscaldare per
fornire l’energia necessaria a superare la barriera coulombiana. La
tecnica si basa su elettrolisi con elettrolita deuterato utilizzando catodi
specifici (ad es. Palladio forse Titanio). Tramite elettrolisi si fa entrare
nel reticolo del catodo il deuterio fino a portarlo ad una concentrazione
(part./cm3) dell’ordine di quella degli ioni costituenti il reticolo. I risultati
sperimentali sono controversi e difficilmente riproducibili: si ha
sviluppo di calore quando la concentrazione del deuterio è dell’ordine di
quella dell’elemento del catodo ma sono imprevedibili l’inizio del
fenomeno e la durata, si ha qualche evidenza di trasmutazioni nucleari.
In mancanza di un solido fondamento teorico e di risultati
apprezzabili non è possibile dire se questa linea di ricerca potrà
portare alla produzione di energia.
42 di 50Incidenti nucleari
Three Miles Island e di Černobyl
Nel 1979 si verificò un incidente nel reattore PWR di Three Miles Island, vicino a Harrisburg, in
Pennsylvania, causato da un errore di manutenzione e da una difettosa valvola di controllo. Il
reattore comunque si spense automaticamente poco dopo che era iniziata la perdita del liquido di
raffreddamento, e il sistema di raffreddamento di emergenza entrò in funzione con efficienza.
Il 26 aprile 1986 uno dei quattro reattori nucleari della centrale di Černobyl, nell'allora Unione
Sovietica, esplose e si incendiò. Secondo il rapporto ufficiale emesso l'agosto seguente, l'incidente fu
causato da un esperimento non autorizzato sul reattore, effettuato dagli operatori addetti.
Venne perso il controllo del reattore e si verificarono due esplosioni; il tetto del reattore saltò via e il
nucleo si incendiò, bruciando a temperature estremamente alte (intorno a 1500 °C).
La popolazione residente nella zona fu sottoposta a una quantità di radiazioni 50 volte superiore a
quella dell'incidente di Three Miles Island e una nube di materiale radioattivo mise in allarme molte
regioni. I residui radioattivi, gas e particelle di materiale, si sparsero sul Nord Europa ed il paese più
colpito fu la Bielorussia.
A differenza di tutti gli impianti in funzione nei paesi occidentali, quello di Černobyl non aveva un
edificio di contenimento, che avrebbe potuto evitare che il materiale radioattivo si diffondesse al di
fuori della zona del reattore. Vennero fatte evacuare circa 135.000 persone dalla regione circostante,
per un raggio di 1600 km: più di 30 persone morirono nell'incidente. I resti dell'impianto furono
incapsulati in una struttura di calcestruzzo. A partire dal 1988, comunque, gli altri tre reattori
dell'impianto hanno ripreso a funzionare.
43 di 50Compitino!
Cosa bisogna fare per produrre 1000 MWelettrici con panneli solari fotovoltaici?
Radiazione solare ad Agosto alle ore 12.00 1000 W/m2
1.000.000.000
Superficie di pannello solare necessaria: = 1.000.000 m 2
1000
Ipotizzando che le dimensioni di un campo da calcio siano 100x100=10000 m2.
Quanti campi da calcio servirebbero?
1.000.000
= 100 campi
10.000
Ipotizzando un rendimento di conversione di 0.2, Quanti campi da calcio
servirebbero davvero?
100
= 500 campi Ovvero un quadrato di 2.2 km di lato
0 .2
44 di 50Radiazione solare oraria in
Liguria
1000
Nord
Radiazione solare oraria , W/m2
800 Est
Sud
Ovest
Orizzontale
600
400
200
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Tempo , h
Se fossero 500 W/m2 servirebbero 1000 campi
ovvero
un quadrato di 3.2 km di lato
45 di 50Secondo Principio della Termodinamica
NON TUTTO È POSSIBILE
46 di 50Armi Nucleari
Carica esplosiva tradizionale di innesco
L’energia sviluppata da
1 kg di U235
è
20.000 volte
superiore a quella di
1 kg di TNT
Semisfere di Uranio ARRICCHITO
Esplosivo nucleare U238 (1%)+U235 (99%)
Pu239
47 di 50Commenti finali
PWR – BWR – Candu – Fissione Nucleare
Elevati costi iniziali
Bassi costi di combustibile
Intrinsecamente sicuri
Decommission
Scorie
ITER – Fusione Nucleare
Disponibilità di combustile nucleare illimitata
Non si può testare l’idea costruttiva su un prototipo di piccole dimensioni
Elevatissimi costi iniziali
Decommission
?
Scorie
Fusione Fredda
48 di 50Commenti finali
Nessuna Energia è “pulita”
Perché
Secondo Principio della Termodinamica
NON TUTTO È POSSIBILE
49 di 50"Io stimo più il trovare un vero,
benché di cosa leggiera,
che l'disputar lungamente
delle massime questioni
senza conseguir verità nissuna“
G. Galilei, Opere, IV, p.738.
Grazie della Vostra attenzione
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