Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali

1. Università degli Studi di PerugiaFacoltà di IngegneriaCorsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica e per l’Ambiente e il Territorio Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali a.a. 2007/08 Impianti nucleari

2. Reazione di fissione nucleare

3. Barre combustibile e di controllo

4. CENTRALI NUCLEARI: - SEZIONE (ISOLA) NUCLEARE - SEZIONE (ISOLA) CONVENZIONALE TECNOLOGIA Tre generazioni: 1) anni ‘50/’70 GAS GRAFITE LWR alcune centinaia MW PWR BWR 2) anni ‘70/’90 PWR 1000 – 1300 MW autofertilizzanti 3) anni ’90 sicurezza! 100 – 700 MW

5. GAS GRAFITE NOCCIOLO cilindro in blocchi di grafite (moderatore) combustibile: uranio metallico in barre con guaina di lega al magnesio (magnox) refrigerante: CO2 Tmax 400°C Pmax 50 Kg/cm2 AGR advanced gas reactor Tmax 540°C guaina in acciaio Pmax 170 kg/cm2 uranio UO2 arricchito HTGR high temperature gas reactor Tmax 900 - 1000°C guaina in acciaio CO2→ He comb. confinato materiale ceramico

6. Gas-grafite

8. Reattori ad acqua LWR Light water reactor • Acqua naturale (leggera) → uranio arricchito PWR Pressurized water reactor • Tmax 280 - 320°C ciclo indiretto • P 150 kg/m2 uranio arricchito BWR Boiling water reactor (Garigliano Caorso) • Tmax 282°C ciclo diretto • Pmax 68 kg/cm2 uranio arricchito

12. Boiling water reactor

13. Pressurized water reactor

14. REATTORI AD ACQUA PESANTE D2O Reattore CANDU (canadese a deuterio e uranio) è costituito da un cilindro orizzontale con all’interno un fascio di tubi; all’interno di ciascun tubo c’è un secondo tubo detto tubo di forza. Nei tubi di forza c’è il combustibile, lambito dal refrigerante (D2O) in pressione (100 kg/cm2) nel cilindro c’è 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

15. Reattore Candu

16. 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 c’è moderatore (non occorre rallentare i neutroni) • refrigerante → sodio liquido • rischio di reazioni sodio/acqua • attivazione del sodio bombardato da flusso neutronico • → CIRCUITO INDIRETTO DOPPIO

19. Fast breeder reactor

20. 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 t1/2 tempo di dimezzamento: è il tempo necessario per il decadimento di metà degli isotopi radioattivi di partenza anni UNITA’ DI MISURA Bq Becquerel 1 disintegrazione al secondo attività Ci Curie 27x10-12 Ci =1 Bq Sv Sievert J/kg 100rem = 1Sv dose interazioni radiazioni-materia - particelle brevi distanze → He bloccate pelle - particelle ustioni - raggi  + neutroni ionizzazione, eccitazione elettrica se ingerite, le particelle si concentrano nelle ossa → produzione globuli rossi

22. 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 • U235 si consuma in ragione di 1 g/d per MW • e si trasforma in 200 tipi diversi di radionuclidi con t1/2 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 neutronico trasformazione • in radioisotopi con t1/2 minore

26. Fusione nucleare A) AUTOFERTLIZZANTE – REAZIONE D + T Deuterio + Trizio Elio + Neutrone + energia • L’energia si manifesta sotto forma di energia cinetica dei prodotti di reazione (elio + n) • Il potere calorifico (energia liberata a parità di massa) è: • - 4.2 volte superiore a quella di una reazione di fissione • 8.4 milioni di volte superiore a quella del petrolio • DEUTERIO: 1/7000 dell’idrogeno presente in natura è sotto forma di deuterio (in particolare quello combinato con l’O2 nelle molecole di H2O) il costo di estrazione è irrisorio • TRIZIO: nucleo radioattivo con t1/2 = 12 anni • pochi gr nell’atmosfera (continuamente autodistrutto per decadimento radioattivo e riprodotto) • si ricorre al Litio

27. Utilizzando il neutrone prodotto dalla fusione, si ha: esotermica endotermica 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 1014 n = nuclei/cm3 τ = sec. b) temperatura di 100 milioni di gradi plasma (nuclei e neutroni, sciolti dai legami reciproci a causa dell’elevata T) contenimento di tipo magnetico, generato dall’esterno con l’impiego di enormi correnti elettriche La prima parete materiale (acciaio speciale) non è pertanto sottoposta all’urto delle particelle caldissime

29. Se τ è ridotto a 10-10 secondi n è aumentato da 1014 a 5 x 1024 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

31. B ) NON AUTOFERTILIZZANTE 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

32. n x τ > 1015 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 quest’ultima (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 T > 2 x 109°C N τ > 1016 2) • 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)