L

1

• LENERGIA NUCLEARE  EVOLUZIONE E PROSPETTIVE
• M.Salvatores
• (CEA, Cadarache e Argonne National Laboratory,
  USA) 
• Il contesto internazionale
• Panorama della situazione attuale
• Nuove linee di sviluppo esempi di nuovi
  concetti di reattori e cicli del combustibile
  avanzati
• Conclusioni e prospettive.

2
Domanda di energia e sviluppo demografico..
3
il prezzo del petrolio..
4
.il cambiamento climatico.
5
evoluzione dellopinione pubblica

Trends U.S. Public OpinionFavor/Oppose Use of
Nuclear Energy(Annual Averages 1983-2004)
6
Multiple Questions U.S. Public Opinion Steps to
New Nuclear Power Plants
Prepare to build 77
Definitely build nuclear
plants in future 58
Accept new reactors at
nearestplant 69
Favor use of nuclear
energy 70
Important for our energy
future 83
Source Bisconti Research Inc./NOP World, May
2005, 1,000 national adults
7
e segni di cambiamento di politica negli USA
8
Una nuova iniziativa (Febbraio 2006) GNEP
9
Le generazioni successive di reattori nucleari
Sistemi del futuro
Reattori avanzati
Reattori attuali
Primi reattori
Generation I
Generation II
Generation III
10
Generazione II I reattori di oggi
Situazione nel 2005 reattori per famiglie
Tipo No. di unità Capacità totale (MWe)
PWR 263 236
BWR 92 81
PHWR 38 19
GCR 26 11
LWGR 17 13
FBR 3 1
Totale 439 361

11
Generazione II I reattori di oggi
e per Paese
Paese No. di unità Capacità (Gwe)
United States 104 98
France 59 63
Japan 53 44
Russia 30 21
United Kingdom 27 12
South Korea 19 16
Germany 18 21
Canada 16 11
Ukraine 13 11
Others (22) 100 64
Total 439 361
12
Generazione III reattori avanzati
Reattori industriali, sviluppabili a corto
termine

• Una nuova generazione di reattori che beneficiano
  della vasta esperienza acquisita nelloperazione
  di Gen-II e delle lezioni apprese a TMI
• I reattori ad acqua sono ancora dominanti
• Nuovi miglioramenti alla sicurezza, ma la
  competitività economica è lobbiettivo
  principale
• Diversi approcci in competizione industriale
• piccola/grande taglia
• sicurezza passiva/attiva
• La mitigazione delle conseguenze di un eventuale
  incidente grave è un risultato particolarmente
  significativo

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Generazione III lofferta industriale
Generation III reactors identified as Near
Term Deployment by the Generation IV Forum
Advanced Pressurized Water Reactors AP 600, AP
1000, APR1400, APWR, EPR Advanced Boiling Water
Reactors ABWR II, ESBWR, HC-BWR,
SWR-1000 Advanced Heavy Water Reactors ACR-700
(Advanced CANDU Reactor 700) Small and middle
range power integrated Reactors CAREM, IMR,
IRIS, SMART High Temperature, Gas Cooled, Modular
Reactors GT-MHR, PBMR

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Generazione III prospettive di mercato
Età media dei reattori in operazione (2004)
Paese No. di reattori Età media
United States 104 29 years
France 59 19 years
Japan 53 19 years
United Kingdom 27 30 years
Germany 18 23 years
Sweden 11 25 years
Belgium 7 27 years
China 9 5 years
Finland 4 24 years

15
Reattori ad acqua leggera Generazione III
AREVA EPR (European Pressurized Reactor)

Un EPR in costruzione in Finlandia e prossimo
ordine in Francia. In competizione per un ordine
di 4 centrali in Cina.
16
I reattorima quale ciclo del combustibile?
-stoccaggio diretto del combustibile usato
(direct disposal) -ciclo chiuso 
(riprocessamento e riciclaggio) (closed cycle)
17
Se si riprocessa (ciclo chiuso), i rifiuti
radioattivi (prodotti di fissione e attinidi
minori Np, Am, Cm) vengono  vitrificati  Quest
a operazione riduce significativamente lo spazio
di stoccaggio.
18
Per quanto riguarda i rischi di proliferazione,
lasciare il Plutonio nel combustibile usato (cioè
fare dello stoccaggio diretto) presenta ovvi
inconvenienti
19
In sostanza, 3 inconvenienti maggiori legati allo
stoccaggio diretto -Utilizzo estremamente
inefficiente dellUranio (lt1) -Grandi volumi
di stoccaggio -Formazione di  miniere  di
Plutonio
20
Chiudere il ciclo è quindi essenziale per un
nucleare durevole e per minimizzare i rifiuti
radioattivi
21
BENEFICI POTENZIALI DELLA SEPARAZIONE/TRANSMUTAZIO
NE
-Riduzione della sorgente di radiotossicità
potenziale in un deposito geologico -Riduzione
del calore residuo aumento della capacità del
deposito geologico -Se i transuranici non
vengono separati fra di loro, diminuzione del
rischio di proliferazione
22
Generazione IV i sistemi del futuro

• La domanda di energia nucleare è potenzialmente
  in aumento significativo.
• Lesigenza per il nucleare di essere durevole
  (cioè di permettere la conservazione delle
  risorse) diventa un obbiettivo maggiore. La
  riduzione dei rifiuti e del rischio di
  proliferazione diventano criteri altrettanto
  importanti quanto la sicurezza e leconomia.
• Inoltre, altre applicazioni dellenergia
  nucleare vengono proposte la produzione di
  idrogeno, luso industriale del calore, la
  desalinizzazione dellacqua marina.
• Lo sviluppo di nuovi sistemi richiede tempo e la
  loro introduzione su scala industriale è
  prevedibile verso il 2030 o oltre.

23
Generazione IV International Forum

• Nuovi requisiti per un nucleare durevole

• Miglioramenti graduali per
• Competitività
• Sicurezza e affidabilità

• Concetti decisamente innovanti per
• Minimizzazione dei rifiuti
• Conservazione delle risorse
• Non proliferazione

• Maturità tecnica verso il 2030

• Nuovi mercati
• - produzione di idrogeno
• - uso diretto del calore
• - desalinizzazione

Generation IV International Forum Members

• RD distribuita a livello internazionale

South Korea
24
Dai reattori ad acqua leggera ai reattori di
Gen-IV.
I reattori ad acqua leggera

• Una tecnologia matura con la più vasta
  esperienza di costruzione, manutenzione,
  operazione
• Notevoli progressi nella transizione da Gen-II a
  Gen-III
• Due limitazioni principali
• a) temperatura sotto i 300C (rendimento
  basso)
• b) bilancio neutronico che non lascia
  margini (per es. per la surgenerazione)
• Fin dagli anni 50, individuate due vie per
  palliare a queste limitazioni
• a) i reattori veloci
• b) i reattori ad alta temperatura

25
Reattori ad alta temperatura

• Temperature dellordine di 800-1000C permettono
  luso diretto del calore per lindustria e la
  produzione di idrogeno tramite processi chimici.
• Lunica possibilità è il raffreddamento con un
  gas, e lelio è la scelta più conveniente.
• Primi prototipi negli anni 70 (Fort St Vrain
  negli USA, THTR in Germania).
• Piccoli reattori sperimentali costruiti
  recentemente in Asia (HTTR in Giappone, HTR 10
  in Cina).
• Nuovi progetti allo studio nel quadro di Gen III
  (PBMR in Sud Africa) o di Gen IV ( NGNP negli
  USA).

26
Reattori ad alta temperatura

Source General Atomics
27
Reattori ad alta temperatura le sfide

• 1 Il combustibile sferette con rivestimento di
  carbonio e SiC sferette a loro volta inserite
  in blocchi di grafite secondo diverse opzioni
• - compacts (FSV, GT-MHR)
• - pebbles (THTR, PBMR)
• 2 Materiali strutturali la grafite è dominante
  nel core, ma materiali atti alle alte
  temperature (per es. negli scambiatori), devono
  essere sviluppati
• 3 Il sistema di raffreddamento circuiti a
  elio con conversione diretta (ciclo di Brayton)
  o conversione indiretta per mezzo di
  scambiatori.
• 4 Potenza del reattore limitata dalla bassa
  potenza specifica e alta pressione.

28
Reattori ad alta temperatura un esempio di
combustibile
Elemento di combustibile prismatico con sferette
TRISO

29
Reattori a neutroni veloci

• I neutroni veloci danno luogo ad un rapporto
  fra probabilità di fissione e probabilità di
  assorbimento molto favorevole, e quindi un
  bilancio neutronico ricco in neutroni
  disponibili.
• Ne consegue la possibilità di un uso efficace
  dellUranio, con trasformazione dellU-238 in
  Pu-239
• Inoltre, gli attinidi minori (Am, Cm, Np)
  vengono bruciati molto meglio che nei reattori a
  neutroni termici a causa delle alte probabilità
  di fissione dei neutroni veloci nellinterazione
  con questi elementi.
• Il riciclaggio multiplo di tutti i transuranici è
  fattibile

30
Reattori veloci ottimizzazione delle risorse
LWR Once Through
Cumulative Natural U (Million Tonnes)
31
Reattori veloci minimizzazione dei rifiuti
radioattivi

32
Reattori veloci le tecnologie

• Per mantenere i neutroni veloci, si devono
  evitare materiali leggeri per il core e
  soprattutto per il refrigerante.
• Le due principali classi di refrigeranti sono i
  metalli liquidi (Na, Pb, Pb/Bi) e i gas (He,
  CO2).
• Notevole esperienza internazionale sulla
  tecnologia del raffreddamento con il Na (BN600
  in Russia, Superphenix e Phenix in Francia,
  Monju in Giappone, FFTF negli USA).
• I Russi hanno usato il Pb per i reattori dei
  sottomarini.
• Luso della tecnologia dellHe sviluppata per gli
  HTR, è considerata anche per i veloci.

33
Reattori veloci la tecnologia del Na

• Il sodio è un ottimo refrigerante
• liquido in un ampio intervallo di
  temperature (90 890C)
• mono isotopico (Na23)
• parametri termodinamici favorevoli
• non corrosivo (se purificato)
• notevole esperienza industriale
• vari usi industriali
• 40 anni di studi tecnologici per applicazioni
  nucleari
• molti prototipi
• Ben noti svantaggi
• reattività chimica (fuochi di sodio e reazione
  sodio-acqua)
• difficoltà per la manutenzione e lispezione

34
BN 600 (Russia)
A 600 MWe plant built at Beloyarsky
(Russia) First criticality 1980 still in
operation
35
SUPERPHENIX
A 1200 MWe plant built at Creys-Malville
(France) First criticality 1985 Shutdown 1997
36
Reattori veloci la tecnologia del Pb

• Candidato per evitare fuochi di Na e reazioni
  Na-acqua
• Refrigerante meno favorevole (parametri
  termodinamici e rischi di corrosione)
• Leutettico Pb-Bi permette di alleviare i rischi
  di corrosione
• Lesperienza è limitata allapplicazione in
  Russia per la propulsione navale
• Molti studi in corso in differenti paesi

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Reattori veloci la tecnologia dellHe

• Il raffreddamento con un gas è meno efficiente
  che con un metallo liquido
• Lo sviluppo di un reattore veloce a gas necessita
  un nuovo tipo di combustibile
• La tecnologia dellelio è già considerata per i
  VHTR
• Specifici problemi di sicurezza devono essere
  risolti
• In caso di successo, il risultato
• permetterebbe di raggiungere
• entrambi gli obbiettivi per uno
• sviluppo durevole
• (fisica dei neutroni veloci e
• tecnologia ad alte temperature)

38
In conclusione Dopo un periodo di stagnazione e
di dubbio, ci sono chiari segnali di una nuova,
significativa ripresa del nucleare nel mondo. I
paesi asiatici si mostrano i piu volontaristi, ma
recenti dichiarazioni e iniziative negli USA e in
Europa sono altrettanto significative.
Linnovazione giocherà un ruolo essenziale per
rispondere ai nuovi obbiettivi di sviluppo
durevole e di minimizzazione dei rifiuti. Un
problema essenziale la formazione di una nuova
generazione di specialisti nei diversi settori
materiali, chimica degli attinidi, ingegneria del
sistema, fisica dei reattori, meccanica,
termoidraulica. Le sfide scientifiche offrono
potenzialmente stroardinarie aperture
nellindustria, nei centri di ricerca e
nellUniversità. Lenergia è un tema centrale
nelle nostre società. Contribuire allo sviluppo
di un nucleare durevole, sicuro e rispettoso
dellambiente non è soltanto un challenge
scientifico, ma un vero e proprio challenge di
società.
39
(No Transcript)