Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubalia.a. 2007/08Universit degli Studi di PerugiaFacolt di IngegneriaCorsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica e per lAmbiente e il TerritorioImpianti nucleari

Reazione di fissione nucleare

Barre combustibile e di controllo

CENTRALI NUCLEARI:- SEZIONE (ISOLA) NUCLEARE- SEZIONE (ISOLA) CONVENZIONALE

TECNOLOGIATre generazioni:

1) anni 50/70GAS GRAFITELWRalcune centinaia MWPWRBWR

2) anni 70/90PWR1000 1300 MWautofertilizzanti

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: CO2Tmax 400CPmax 50 Kg/cm2

AGR advanced gas reactorTmax 540Cguaina in acciaioPmax 170 kg/cm2uranio UO2 arricchito

HTGR high temperature gas reactorTmax 900 - 1000Cguaina in acciaioCO2 Hecomb. confinato materiale ceramico

Gas-grafite

Reattori ad acquaLWRLight water reactorAcqua naturale (leggera) uranio arricchito

PWRPressurized water reactorTmax 280 - 320Cciclo indirettoP150 kg/m2uranio arricchito

BWRBoiling water reactor (Garigliano Caorso)Tmax 282Cciclo direttoPmax 68 kg/cm2uranio arricchito

Boiling water reactor

Pressurized water reactor

REATTORI AD ACQUA PESANTED2O

Reattore CANDU (canadese a deuterio e uranio) costituito da un cilindro orizzontale con allinterno un fascio di tubi; allinterno di ciascun tubo c un secondo tubo detto tubo di forza.Nei tubi di forza c il combustibile, lambito dal refrigerante (D2O) in pressione (100 kg/cm2) nel cilindro c 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 Franciareattore ad uranio naturale

seme (parte interna) con uraniocon circa 20% Pu produzione energetica da fissioneNOCCIOLOmantello esterno in materiale fertile U238 Pu

Il rapporto tra materiale reso fissile e materiale fissile consumato >1

non c moderatore (non occorre rallentare i neutroni)refrigerante sodio liquidorischio di reazioni sodio/acquaattivazione del sodio bombardato da flusso neutronico CIRCUITO INDIRETTO DOPPIO

Fast breeder reactor

DECADIMENTO RADIOATTIVOIl radioisotopo raggiunge una configurazione pi stabile (spontaneamente) con il rilascio di energia di legame in eccesso e, in genere di una particella + leggeradecadimento 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: il tempo necessario per il decadimento di met degli isotopi radioattivi di partenza

UNITA DI MISURABqBecquerel1 disintegrazione al secondoattivitCiCurie27x10-12 Ci =1 BqSvSievertJ/kg100rem = 1Svdoseinterazioni radiazioni-materia- particelle brevi distanze He bloccate pelle- particelle ustioni- raggi + neutroniionizzazione, eccitazione elettrica

se ingerite, le particelle si concentrano nelle ossa produzione globuli rossianni

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 primariogas nobili in condensabili estratti dal fluido primario

U235si consuma in ragione di 1 g/d per MWe si trasforma in 200 tipi diversi di radionuclidi con t1/2 molto diversi- produzione di calore- radioattivitCONFINAMENTO SCORIE- deposito in strutture artificiali (per periodi limitati)- serbatoi in acciaio interratitecniche di calcinazione in masse vetrose o bituminose o ceramiche

- immissione in formazioni geologiche profondezone geologicamente stabili prive di attivit vulcanica o sismicabassa velocit erosioneprive risorse che giustifichino perforazioni

- trasmutazioneacceleratore di particellebombardamento neutronicotrasformazionein radioisotopi con t1/2 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 parit di massa) :- 4.2 volte superiore a quella di una reazione di fissione 8.4 milioni di volte superiore a quella del petrolio

DEUTERIO: 1/7000 dellidrogeno presente in natura sotto forma di deuterio (in particolare quello combinato con lO2 nelle molecole di H2O) il costo di estrazione irrisorioTRIZIO: nucleo radioattivo con t1/2 = 12 annipochi 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 cos, attraverso la fertilizzazione del Litio, a generarsi trizio in quantit 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 LAWSONdensit della miscela esplosiva x durata della reazione > 5 x 1014

b) temperatura di 100 milioni di gradiplasma (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 pertanto sottoposta allurto delle particelle caldissimeendotermican = nuclei/cm3 = sec.

Se ridotto a 10-10 secondin aumentato da 1014 a 5 x 1024

si pu innescare la reazione D + T, fermo restando la temperaturaLa pressione deve essere per di mille miliardi di atmosfere

Eiezione sulle sferule di D + T di vampate di energiaPer rinculo il nocciolo della sferula si raggrinzisce fino a raggiungere le dimensioni voluteLa microeplosione arriverebbe grazie a potentissimi laser

Tecnologie diverse dal contenimento magnetico ma comunque difficolt eccezionali

La necessit di rigenerare il trizio necessario alla reazione D + T pu essere evitata ricorrendo alla reazione non autofertilizzante:

Il potere calorifico pari a quello della fissione, ma la materia prima tutta estraibile dal mareB ) 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)