Produzione di energia dall atomo

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1 Produzione di energia dall atomo Corso di aggiornamento Clima ed energie L. Ramello CCS in Fisica, Facoltà di Scienze M.F.N.

2 Contenuti Consumi di energia in Italia, in Europa e nel mondo Energia dalla fissione del nucleo Reattori nucleari di III e IV generazione Analisi dei costi e la fusione nucleare?

3 Consumo di energia nel mondo (2006) e previsioni fino al 2030 anno 2006 Mondo: 10878,6 Mtep = 10.9 Gtep Stime di crescita (fatte nel 2007): Mondo +57% Paesi OECD +24% Paesi non-oecd +95% OECD = OCSE: Org. Coop. Sviluppo Econ. 1 Mtep = 1 milione di tonnellate equivalenti di petrolio; 1 tep 7 barili

4 OCSE e altri organismi internazionali L OCSE - Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OECD in inglese: fondata nel 1960 da 20 stati, ne comprende attualmente 30: 22 stati europei + Turchia Canada, U.S.A. e Messico Giappone e Corea Australia e Nuova Zelanda La Nuclear Energy Agency (NEA) è un organo dell OCSE Altre organizzazioni internazionali rilevanti per le politiche di energia nucleare: IEA (International Energy Agency: fondata nel 1974 conta attualmente [2009] 28 stati membri (tutti OCSE) IAEA (International Atomic Energy Agency: fondata nel 1957 come continuazione del progetto Atoms for Peace: sede a Vienna, conta attualmente [2009] 146 stati membri ICRP, International Commission on Radiological Protection (

5 Ruolo attuale dell energia nucleare e prospettive future L energia elettrica rappresenta il 32% del consumo in Europa (35% in Italia), ed è attualmente la forma più facile da trasportare e la più versatile negli utilizzi Nel 2006 l energia nucleare ha fornito 2600 TWh nel mondo, ovvero il 16% dell energia elettrica mondiale (23% dell energia elettrica nei 30 paesi OCSE) Nel 2008 erano in funzione 439 reattori nucleari con una potenza complessiva di 372 GWe, altri 41 erano in costruzione La NEA (agenzia dell OCSE) ha formulato nel 2008 due scenari per la capacità produzione nucleare mondiale nel 2050: Scenario basso (scarsa accettazione del nucleare, ): 580 GWe Scenario alto (nuove tecnologie nucleari dal 2030): 1400 GWe (22% tot.) (stima 2050: richiesta energia elettrica = 2.5 volte rispetto al 2008) 1 Mtep = 1 milione di tonn. equiv. petrolio = 11.6 TWh 1 TWh = 1 milione di MWh = Mtep

6 Consumo di energia in Italia e in Europa nel Italia (2006) circa 2% dei consumi mondiali ripartizione per fonti e per impieghi 7.2% fonti rinnovabili: idroelettrico, geotermico, legna, solo 0.2% nuove fonti (solare, eolico, biocarburanti) ripartizione: confronto Italia EU-27 (2004) consumi di energia primaria produzione energia elettrica EU: 880 Mtep (=10200 TWh) 3200 TWh

7 Evoluzione della produzione di energia elettrica in Italia 359 TWh nel 2006 fonte: TERNA Produzione idroelettrica costante in valore assoluto negli anni, diminuita in percentuale Quota non trascurabile di energia geotermica Nel 1986 massima quota (4.6%) di produzione nucleare Quota solare/eolico nel 2006 ancora inferiore a 1% Quota di importazione: 12.5% nel 2006 (in gran parte di origine nucleare)

8 Produzione di energia elettrica Fonti utilizzate per produzione di energia elettrica (2005) in Italia e in Europa anomalie italiane: zero nucleare, poco carbone; forte dipendenza da importazione Italia: 45 TWh importati Francia: 63 TWh esportati importazioni energia totale (2004) importazioni/esportazioni di energia elettrica (2006)

9 Gli obiettivi europei Strategic Energy Technology Plan (22/11/2007) e Pacchetto Clima-Energia (23/1/2008): Riduzione emissioni gas serra del 20% nel 2020 e del 50% nel 2050 (rispetto al 1990) Risparmio energetico del 20% rispetto alle proiezioni per il 2020 Quota di almeno 20% di energie rinnovabili nel 2020 Minimo 10% di biocarburanti nel 2020 nel settore autotrazione Energia nucleare indispensabile per garantire a medio termine il carico di base in Europa e conseguire gli obiettivi in materia di riduzione dei gas serra Uso sostenibile dei combustibili fossili Aumento della sicurezza dell approvvigionamento energetico

10 Cosa farà l Italia? Il governo attuale ha annunciato un Piano Energetico Nazionale (l ultimo risale al 1988): il 20 settembre 2008 il Presidente del Consiglio Berlusconi ha dichiarato [Rovigo, cerimonia di benvenuto del nuovo rigassificatore] che entro la primavera 2009 il Governo presenterà un Piano Energetico Nazionale che si baserà sulla diversificazione delle fonti, sul nucleare e sulle energie rinnovabili. la parte su imprese ed energia del DDL sviluppo, approvata dalla Camera il 4/11/2008 (A.C ter) e ora all esame del Senato (A.S. 1195), prevede in materia di energia: ritorno al nucleare: delega al Governo per la localizzazione di impianti produttivi e stoccaggio rifiuti radioattivi, consorzi per sviluppo e utilizzo impianti nucleari istituzione Agenzia per la sicurezza nucleare (con funzioni di autorizzazione e controllo) da parti di ISPRA ed ENEA [art. 17] promozione efficienza energetica e sviluppo fonti rinnovabili modifica delle competenze spettanti alla Sogin (probabile conferimento di alcune attività a Enel, Finmeccanica, Ansaldo o Eni) [art. 16 commi 6 e 7]

11 Il libro bianco della SIF Pubblicato in Aprile del 2008, contiene una analisi approfondita di tutte le fonti e tecnologie energetiche: 1. L Italia e le sfide energetiche 2. Energia da fonti fossili 3. Energia idraulica 4. Energia da sorgenti geotermiche 5. Energia dalle biomasse 6. Energia nucleare da fissione 7. Energia nucleare da fusione 8. Sorgenti fotovoltaiche 9. Sorgenti fototermiche 10. Sorgenti eoliche 11. Energia elettrica 12. Cattura e sequestro della CO L idrogeno come vettore 14. Efficienza e risparmio energetico 15. Considerazioni conclusive

12 Stima del fabbisogno elettrico nel 2020 Italia: effettivo stimato Ipotesi: crescita della domanda elettrica di 1% all anno, coperta da aumento delle fonti rinnovabili (eolico, solare, biomasse) aumento del nucleare di importazione aumento del carbone azzeramento del petrolio (per prod. elettricità) Stima (Aprile 2008) presentata nel Libro Bianco della Società Italiana di Fisica

13 Quali fonti energetiche per il futuro? Per un confronto obiettivo fra le diverse fonti vanno considerati molti fattori, tra cui: 1. Disponibilità (riserve stimate) 2. Costo per unità di energia, incluso il costo di costruzione e di decommissioning 3. Emissioni di gas serra (principalmente CO 2 ) 4. Rischio per la popolazione 5. Sicurezza dell approvvigionamento energetico 6. Impatto ambientale Questo confronto viene sviluppato ad es. nel Libro Bianco della SIF; notiamo solo che l energia nucleare presenta alcuni vantaggi sui punti 1, 3 e 5* (e a lungo termine anche sul punto 2), perciò nel seguito esamineremo: l energia nucleare da fissione (brevemente) l energia nucleare da fusione * il punto 5 richiede la diversificazione anche geografica delle fonti

14 Energia dalla fissione del nucleo Alcuni nuclei presenti nella crosta terrestre, come ad esempio 235 U (0.7% dell uranio naturale), sono facilmente fissionabili se vengono colpiti da un neutrone: La fissione di un nucleo rilascia energia, due frammenti di fissione e due neutroni: i neutroni possono sostenere una reazione a catena l energia resa disponibile è circa un milione di volte quella sviluppata in una reazione chimica La maggior parte degli attuali reattori nucleari per usi civili sono basati sulla fissione del 235 U da parte di neutroni lenti (termici), seguendo la via tracciata da Enrico Fermi che ottenne la prima reazione a catena controllata il 2 dicembre 1942 a Chicago

15 Quanta energia da 1 kg di materia? Con varie forme di energia posseduta da 1 kg di materia possiamo tenere accesa una lampada da 100 W per materia processo tempo Acqua Cascata alta 50 m 5 secondi Carbone Combustione 8 ore UO 2 arricchito al 3% in 235 U Fissione in un reattore 680 anni volte più del carbone 235 U puro Fissione completa anni I più diffusi elementi radioattivi nella crosta terrestre sono: torio (7.2 mg per kg di crosta terrestre) uranio (2.4 mg per kg di crosta terrestre) L uranio naturale contiene lo 0.7% di 235 U che è l isotopo più facilmente fissionabile; il resto è 238 U che può essere trasformato da neutroni veloci in 239 Pu (facilmente fissionabile)

16 Gli attuali reattori nucleari Per la gran parte sono di II generazione, ad uranio arricchito e acqua naturale, bollente (BWR) o pressurizzata (PWR): schema di un PWR potenza elettrica: MWe Circuito primario di raffreddamento: acqua ad alta pressione (150 atm) Circuito secondario di raffreddamento: acqua/vapore L acqua funziona sia come liquido di raffreddamento primario sia come moderatore (=rallentatore) di neutroni

17 Il ciclo del combustibile Riserve identificate di uranio: 4.7 Mt Altre risorse (stimate): convenzionali 10 Mt non convenzionali 22 Mt Ciclo aperto di combustibile: le riserve identificate bastano per 50 anni, aggiungendo le altre risorse si arriva a diverse centinaia di anni Ciclo chiuso di combustibile: le riserve di uranio bastano per 5000 anni, inoltre si riduce la quantità di scorie ad alta radioattività e il tempo di stoccaggio

18 Le scorie radioattive Una centrale nucleare da 1000 MWe produce in 1 anno: 23 t di rifiuti a bassa e media attività (vanno isolati per 300 anni) 1.15 t di rifiuti ad alta attività (vanno messi in sicurezza per migliaia di anni in depositi geologici, temporaneamente possono essere tenuti presso le centrali) Con il ciclo chiuso del combustibile (estrazione del 99.9% di plutonio e uranio dal combustibile esausto) si può ridurre da 170mila anni a 16mila anni il tempo di stoccaggio dei rifiuti ad alta attività Con tecniche avanzate di riciclaggio attualmente allo studio (eliminazione dei transuranici) si potrà probabilmente ridurre a soli 300 anni il tempo di stoccaggio Le scorie ad alta attività prodotte finora in Italia stanno in 20 contenitori di acciaio (cask) di diametro 2 m e lunghi 5 m L argomento scorie e sicurezza verrà approfondito in un prossimo incontro

19 Reattori nucleari in Europa Produzione nucleare vietata per legge in: Austria, Danimarca, Grecia, Irlanda, Italia, Norvegia Potenza media di un reattore: 867 MWe nel mondo: 435 reattori in funzione, di cui 196 in Europa (31/5/2007)

20 Reattori di III e IV generazione generazione III: sono reattori certificati e disponibili sul mercato, del tipo ABWR (americano), EBR (franco-tedesco) e AP600-AP1000 a sicurezza passiva (nippo-americano con contributo Ansaldo Nucleare) generazione III+: saranno disponibili nel , tra questi il tipo EPR (prima unità in costruzione a Olkiluoto, Finlandia) e il tipo IRIS (Westinghouse con contributi di ENEA, Università italiane, Imprese italiane), dotato di sistemi di sicurezza passiva, possibile collocazione in caverna o sottosuolo; durata di esercizio 60 anni questi reattori sono ancora basati su neutroni termici e acqua leggera come moderatore generazione IV: ancora allo stadio concettuale, prevedono massima efficienza nell utilizzo del combustibile (anche con uso di neutroni veloci), minimizzazione dei rifiuti radioattivi, tolleranza anche a gravi errori umani, protezione fisica da attacchi terroristici

21 Il reattore EPR (GenIII+) Il reattore EPR (Evolutionary Pressure Reactor) è una evoluzione del PWR, è stato progettato da AREVA (F) e Siemens (D) per una potenza di circa 1600 MWe. La prima unità EPR è in costruzione a Olkiluoto e si prevede che entri in funzione nel La seconda unità EPR è in costruzione a Flamanville (F). Innovazioni EPR: Quattro circuiti di raffreddamento indipendenti Maggiore protezione meccanica delle parti sensibili Maggiore affidabilità Sistema di recupero in caso di fusione del nucleo

22 L accordo EDF/ENEL il 24/2/2009 è stato annunciato un accordo EDF/ENEL che prevede: Consorzio 50/50 tra EDF ed ENEL per lo studio di fattibilità dello sviluppo di almeno 4 reattori EPR in Italia Estensione della partecipazione ENEL alla costruzione del secondo EPR in Francia (ENEL partecipa già al 12.5% alla costruzione del primo EPR francese a Flamanville) fonte: comunicato stampa di EDF, Parigi, 24/2/2009

23 Concetti di reattori di IV generazione Reattore veloce raffreddato a gas (GFR) Reattore veloce raffreddato a piombo liquido (LFR) Progetto Euratom ELSY con 5 partner italiani su 20 Reattore veloce raffreddato a sodio liquido (SFR) Reattore a sali fusi (MSR) Reattore super-critico raffreddato ad acqua (SCWR) Reattore ad alta temperatura (VHTR) Alcuni di questi potrebbero essere operativi nel 2030 Inoltre è allo studio il concetto ADS (accelerator driven system) Dicembre 2002: A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems

24 Analisi dei costi (costruzione+esercizio) 27 centrali a carbone ( MWe) 23 centrali a gas ( MWe) 13 centrali nucleari ( MWe) 19 centrali eoliche (3-300 MWe) 8 centrali idroelettriche ( MWe) 1 centrale geotermica (50 MWe) 1 centrale solare termica (100 MWe) 5 centrali solari fotovoltaiche ( MWe) 23 centrali a ciclo combinato (1-500 MWe) NEA - IEA- OECD, Projected Costs of Generating Electricity Update

25 Costi: nucleare e altre fonti Tipo Costo medio costruzione USD/kWe Durata costruzione Costo totale generazione USD/MWh Durata economica Carbone anni anni Gas anni anni Nucleare anni 21-35(48) 40 anni Eolico anni 35-95* anni Idroelettrico anni 40-80(140) anni Solare termico anni anni Solare FV anni anni Combinato^ (3700) 25-65(120) Geotermico anni *) Eolico: disponibilità media 28% (onshore) 42% (offshore) ^) Combinato: valore di mercato del calore prodotto tolto dal costo di generazione NEA - IEA- OECD, Projected Costs of Generating Electricity Update

26 Spazio occupato: nucleare e altre fonti (km 2 per MW; J. Davidson, U. Minnesota, 2006) Carbone 0.01/0.04 Nucleare 0.001/0.01 Impianto da 1000 MW funzionante al 100 % della capacità (8766 GWh/anno) Biomass Biomasse Solare fotovoltaico 0.12 Geotermico Eolico 0.79 Solare termico 0.08 Idroelettrico

27 e la fusione nucleare? Le reazioni di fusione nucleare deuterio-deuterio e deuterio-trizio possono produrre energia con due vantaggi rispetto alla fissione: disponibilità quasi illimitata delle materie prime (deuterio e litio) radioattività dei materiali ridotta a livelli accettabili in meno di 100 anni La ricerca attualmente si concentra su tre punti: Mantenimento di un grande volume di plasma D-T ad alta temperatura Dimostrazione di affidabilità dei componenti tecnologici Verifica della tenuta dei componenti interni per un tempo sufficiente alla economicità di un reattore a fusione Per esempio, il progetto ITER a Cadarache (F), in costruzione dal 2007, affronta i primi due punti, mentre una macchina di prova dei materiali (IFMIF) affronta il terzo; al momento si prevede una prima centrale di dimensioni economicamente significative verso il D + T = He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV).

28 Bibliografia Libro bianco SIF Energia in Italia: problemi e prospettive ( ) (159 pagine), scaricabile dal sito EPS position paper: Energy for the future the nuclear option (nov. 2007); scaricabile dal sito F. Wagner, Europhysics News vol. 39 no. 3 pp. 7-10; sintesi dell EPS/SIF Energy meeting di Varenna, 7-8 aprile 2008 W.H. Hannum et al., Smarter use of nuclear waste, Sci. Amer., dec. 2005, pp NEA - IEA- OECD, Projected Costs of Generating Electricity Update NEA, Nuclear Energy Outlook (NEO) 2008 (