La produzione di energia elettrica da energia nucleare Considerazioni generali e confronti

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1 La produzione di energia elettrica da energia nucleare Considerazioni generali e confronti Costante M. Invernizzi IL NUCLEARE E LE ENERGIE RINNOVABILI - BRESCIA 15 novembre 2010

2 Introduzione Gli impieghi della energia nucleare I consumi di energia Le previsioni sul ruolo della energia nucleare I consumi di energia elettrica e le risorse di energia primaria La generazione di energia elettrica Le caratteristiche dei reattori nucleari I consumi di uranio in un reattore Il progetto dei reattori nucleari I costi di produzione della energia elettrica da nucleare Lo smaltimento dei rifiuti nucleari I progetti per i futuri reattori nucleare La situazione italiana I rischi nella generazione di energia elettrica Le energie rinnovabili

3 Gli impieghi della energia nucleare Le applicazioni non energetiche MEDICINA radioterapia, boroterapia, radiodiagnostica (radiografie, TAC, PET, MOC, RMN) INDUSTRIA sterilizzazione (*), controllo e sicurezza AGROALIMENTARE distruzione di muffe, insetti, batteri ARCHEOLOGIA tecniche di datazione GEOLOGIA E PROSPEZIONE MINERARIA SICUREZZA controllo dei bagagli, sistemi antincendio RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA PROPULSIONE SPAZIALE, PROPULSIONE NAVALE NUMEROSI REATTORI DI RICERCA NEL MONDO (*)10 Sv sono certamente mortali per un essere umano; migliaia di Sv sono necessari per avere una ragionevole probabilità di uccidere un batterio.

4 I consumi di energia, I Energia Primaria nel mondo 2004 [1]. Fonte Frazione (%) fossile 77.8 petrolio 32.8 gas naturale 21.1 carbone 24.1 nucleare 5.4 rinnovabile 16.5 idroelettrico 5.5 biomassa(*) 11.0 (*)biomassa rurale non commerciale: legno, fieno, foraggi.

5 I consumi di energia, II Energia Primaria per Regioni 2000 [1]. Consumi di energia (c.e.) pro-capite in tonnellate equivalenti di petrolio/anno (toe/a) per il mondo e per l Italia Regione c.e. (toe/a) Italia c.e. agricoltura/pil (toe/a) (%) Nord America 7.9 Europa OECD 3.5 Ex URSS e resto Europa 3.1 Totale per il mondo 1.7 <

6 I consumi di energia, III L efficienza di conversione, fattori demografici e la qualità della vita, [1] Differenti fattori socio-economici e consumo pro-capite di energia. Per sopravvivere: 0.11 toe/a. Dopo la scoperta del fuoco: 0.22 toe/a. Medio Evo: 0.50 toe/a. In Italia: 3 toe/a (2000); speranza di vita alla nascita (2001) anni per gli uomini, 82.9 anni per le donne. L aumento del rendimento di produzione di energia meccanica (elettrica) nel tempo. Il rendimento η II rappresentato in figura è un parametro direttamente correlato con la quantità di energia primaria convertita in utile lavoro meccanico a partire da quella teoricamente messa a disposizione dai combustibili fossili.

7 Il futuro ruolo della energia nucleare Contributi in percentuale sul consumo di energia, [1, 2] 2100 (%) carbone 26 nucleare 27 petrolio 7 gas naturale 15 idroelettrico 5 biomassa 14 eolico e solare (%) nucleare totale nucleare elettrico 12-13

8 I consumi e le risorse di energia Carbone ed energia nucleare. Consumi e riserve di energia primaria in milioni di tonnellate di petrolio equivalente (Gtoe), [1]. carbone nucleare consumo cumulativo sino al consumo cumulativo (ipotizzato) riserve provate e presunte convenzionali (*) riserve probabili convenzionali addizionali riserve provate e presunte non-convenzionali (**) riserve probabili non-convenzionali addizionali 8900 * nucleare termico; ** reattori veloci e ciclo del torio.

9 La produzione di energia elettrica in Svezia 2005 (%) nucleare 45.7 idroelettrico 46.0 NOTA - densità della popolazione (abitanti per kilometro quadrato): Svezia 21, Italia 200 (Giappone 337, India 362).

10 I consumi di energia elettrica in Italia Per settore di utilizzazione, GWh % Industria Terziario Domestico Agricoltura Totale Provincia di BS % Industria 65.3 Terziario 19.3 Domestico 13.2 Agricoltura 2.2 Totale 100

11 La produzione di energia elettrica Le centrali di conversione A CARBONE: combustione in caldaia generazione di vapore energia meccanica in turbina energia elettrica. Al camino: calore + prodotti della combustione. Ceneri + polveri. Al condensatore: calore di scarto. NUCLEARE: calore dalla fissione dei nuclei di materiale fissile (uranio e plutonio) generazione di vapore energia meccanica in turbina energia elettrica. Combustibile esausto. Al condensatore: calore di scarto.

12 I consumi di uranio in un reattore Consumi attuali di uranio naturale per differenti tipi di reattori e per diversi cicli del combustibile [4]. Tipo di reattore e ciclo del combustibile Richiesta di uranio (t) LWR Once through 4260 ricircolo U Pu 2665 HWR U naturale, once through 3655 U naturale, riciclo Pu 1820 U leggermente arricchito 2505 LMFBR riciclo U Pu anni di vita operativa, 1000 MWe, fattore di carico 70%.

13 Il progetto dei reattori nucleari, I Le peculiarità del progetto le radiazioni ionizzanti impongono un adeguato schermaggio; i prodotti di fissione devono essere ben confinati; il processo è dinamico per sua natura e richiede un adeguato controllo; la generazione di calore non può essere interrotta istantaneamente e un adeguata refrigerazione è richiesta per molto tempo anche con rettore spento.

14 Il progetto dei reattori nucleari, II circuito primario di raffreddamento, il recipente in pressione Vessel, contenitore primario, contenitore secondario con sistemi di raffreddamento d emergenza, evacuazione della popolazione BARRIERE MULTIPLE DI CONTENIMENTO DEI PRODOTTI RADIOATTIVI: il combustibile (materiale fissile in una matrice solida), il rivestimento (cladding) del combustibile

15 Il progetto dei reattori nucleari, III Il sistema di contenimento del reattore AP1000, [4] SISTEMI DI SICUREZZA PAS- SIVI ottenuti ricorrendo a leggi di natura + SISTEMI DI SICU- REZZA ATTIVI che rispondono ad un segnale d innesco. Reattore AP1000: se il vapore fuoriesce dal circuito di raffreddamento primario condensa sulle pareti del sistema di contenimento (in acciaio) si innesca la circolazione naturale dell aria (effetto camino) un film di acqua, che cade per gravità, lambisce la superficie esterna del contenitore

16 Il reattore RBMK (Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy High Power Channel-type Reactor ) differisce notevolmente dal punto di vista concettuale e strutturale dai reattori ad acqua leggera di tipo occidentale: i problemi di controllo il sistema di contenimento Con lo spegnimento del reattore si era deciso di effettuare un esperimento su uno dei turboalternatori del reattore no. 4. Esperimento condotto in modo irresponsabile e violando le procedure di sicurezza Il caso del reattore di Chernobyl Ucraina, 26 aprile 1986 L unità numero 4 della centrale di Chernobyl è allo stato attuale e a tutti gli effetti una sorgente radioattiva mal conosciuta e mal controllata. (Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) - Nuclear Energy Agency (NEA), Parigi [3])

17 I costi di produzione della energia elettronucleare, I Costi relativi al parco di reattori esistenti: il costo del kwh da reattori storici (impianti di anni) estremamente conveniente. Costi relativi ai reattori futuri: elevati oneri di capitale rendono il costo del kwh estremamente sensibile allo scenario finanziario globale. La comparazione con i costi di generazione del kwh da impianti convenzionali può essere irrealistica: la vita utile di un reattore nucleare si stima sia almeno di anni; impossibile stimare il costo degli idrocarburi (o del carbone) su un tempo così lungo.

18 I costi di produzione della energia elettronucleare, II Esempio di calcolo. Impianto di riferimento: il reattore EPR (= European Pressurized Water Reactor), da 1600 MWe il cui primo esemplare è in costruzione in Finlandia. La costruzione è iniziata nel 2005 e l esercizio commerciale è previsto per il Una seconda unità, da 1800 MWe, in programma in Francia.

19 I costi di produzione della energia elettronucleare, III Esempio di calcolo. Risultati. Risultati del calcolo della ripartizione del costo unitario di produzione di energia elettrica per un impianto nucleare. Voce di costo Euro/MWh % Investimento Combustibile O&M Totali

20 I costi di produzione della energia elettronucleare, IV Esempio di calcolo. Impianti a carbone USC. Voce di costo Euro/MWh % Euro/MWh % Investimento Combustibile O&M Carbon tax 0 0 Totali (*) (*) con una carbon tax di 15 Euro/t di CO 2 prodotta. La carbon tax è applicata all intero quantitativo di CO 2 prodotta.

21 Lo smaltimento dei rifiuti nucleari ad elevata attività Ipotesi per il confinamento permanente o la eliminazione di HLW IN MINIERE: è la strategia seguita oggi negli Stati Uniti. Richiede l individuazione di siti geologicamente molto stabili (centinaia di migliaia di anni) con assenza di acque sotteranee. RIPROCESSAMENTO E TRASMUTAZIONE: separazione degli elementi a più lunga vita media (rifiuti trans-uranici) e loro trasmutazione in reattori sottocritici o acceleratori. I nuovi rifiuti, meno problematici, richiederebbero confinamenti sicuri solo per alcune centinaia di anni.

22 Il futuro I nuovi progetti, I Sono seguite due linee, una evolutiva : si ci basa sulla passata esperienza migliorando il livello di sicurezza ma senza sostanziali modifiche della tecnologia. Sono i reattori della cosiddetta Generation III. ed una innovativa : nuove idee progettuali ma, senza esperienza provata, necessaria la costruzione e la prova di un prototipo. I reattori della Generation IV : (1) reattore veloce a gas, (2) reattore veloce a piombo, (3) reattore veloce a sodio, (4) reattore a sali fusi, (5) reattore a vapore supercritico, (6) reattore a gas ad altissima temperatura.

23 Il futuro I nuovi progetti, II Alcuni reattori innovativi forse si basano su concetti troppo innovativi che richiedono studio e ricerca. In ogni caso, elevati costi di sviluppo e lunghi tempi. Tre progetti su sei sono di reattori veloci. Forse sarebbe opportuno anche ripensare l economia di scala e valutare la possibilità di reattori di taglia media piccola (standardizzazione, modularità,...) il più possibile orientati alla sicurezza passiva e intrinseca (che però rimane sempre parziale).

24 La situazione del nucleare in Italia, I Le centrali nucleari italiane, [7] Centrale Tipo Potenza, MWe Fine esercizio Latina (LT) GCR 210 novembre 1986 Garigliano (CS) BWR 160 agosto 1978 Trino (VC) PWR 270 marzo 1987 Caorso (PC) BWR 860 ottobre 1986 Referendum: 8 novembre Progetti mai completati: (1) centrale di Montalto di Castro (VT) da 2000 MWe, (2) reattore nucleare CIRENE (LT), (3) reattore nucleare PUN.

25 La situazione del nucleare in Italia, II Gli impianti del ciclo del combustibile, [7] 1. Impianto FN (Bosco Marengo, AL fabbricazione del combustibile) 2. Impianto EUREX (Saluggia, VC ritrattamento del combustibile) 3. Impianti OPEC e IPU (Casaccia, Roma analisi del combustibile) 4. Impianto ITREC (Trisaia, MT ritrattamento del combustibile) Impianti sottoposti allo smantellamento (decommissioning) dal 2003.

26 La situazione del nucleare in Italia, III I reattori di ricerca, [7] Reattore RB 3 AGM LENA CESNEF CISAM Ispra 1 EssoR SM 1 RC 1 Tapiro Località Montecuccolino, Università di Bologna Università di Palermo Università di Pavia Politecnico di Milano S. Pietro a Grado, Pisa JCR Ispra, Varese JCR Ispra, Varese Laboratorio INFN, Legnaro (PD) CR ENEA, Casaccia (Roma) CR ENEA, Casaccia (Roma)

27 La situazione del nucleare in Italia, IV Inventario dei rifiuti radiattivi Sorgente (Categoria del rifiuto) Volume, m 3 (Attività del rifiuto, TBq) industria, ospedali, ec. (I e II) 6200 (0.96) reattori (II) 7800 (491) ciclo del combustibile (II e III) 5800 (5220) ricerca 7000 (58) Categoria I - rifiuti che in pochi mesi decadono a livelli di attività non pericolosi. Trattabili da rifiuti ordinari. Categoria II - rifiuti che nel giro di qualche secolo raggiungono livelli di attività specifica di poche centinaia di Bq/g. Da confinare in depositi superficiali. Categoria III - rifiuti con lunga vita media, tipicamente dal riprocessamento del combustibile nucleare. Richiedono un confinamento in siti profondi geologicamente sicuri.

28 I rischi nella generazione di potenza elettrica, I Il fattore di rischio assicura i tuoi progetti, prendendo consiglio, e fa la guerra con molta cautela. (Proverbi 20,18) RISCHIO: la conseguenza di un evento per unità di tempo. Per esempio: rischio di morte per incidente stradale (Italia, 2008) morti/persona per anno ATTITUDINE AL RISCHIO (entità del rischio): (Stati Uniti 1969, [4]) rischio di morte per: incidente automobilistico , annegamento , fulmini AVVERSIONE AL RISCHIO (gravità delle conseguenze): (A) un evento all anno (frequenza) 1 morto/evento (importanza delle conseguenze) = 1 morte/persona per anno; (B) un evento ogni anni morti/evento = 1 morte/persona per anno

29 I rischi nella generazione di potenza elettrica, II L energia nucleare Frequenza di eventi naturali ed eventi Rischi conseguenti all incidente di nucleari con numero di morti maggiore Chernobyl in vari Paesi Europei di N, [4]. Per ogni GWatt-anno di confrontati con i rischi del fondo energia elettrica prodotta da centrali naturale e con il rischio di morte da termoelettriche: 4-15 morti/anno, incidenti automobilistici in UK, [5] [5].

30 I rischi nella generazione di energia elettrica, III Incidenti severi per settore OECD: Oganizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico

31 Un caso di intenso inquinamento dell aria Fumo di Londra. Decessi per settimana a Londra prima, durante e dopo il pesante inquinamento dell aria nell inverno Con seguente epidemia influenzale, [6].

32 Energia nucleare - Osservazioni conclusive La disponibilità delle riserve delle risorse energetiche (anche fossili) non sembra particolarmente critica. Un ruolo fondamentale lo svolgerrano i costi (di estrazione, raffinazione, trasporto,...). Il problema della anidride carbonica in atmosfera. Nel caso specifico dell energia nucleare in Italia: dovremo, comunque, risolvere i problemi dei rifiuti radioattivi accumulatesi e tuttora annualmente prodotti esistono ancora competenze e strutture: Università, ENEA, SOGIN... Industrie (Ansaldo, TechInt,...) partecipazione a programmi internazionali acquisizione e partecipazione nella gestione di impianti nucleari esistenti in Europa

33 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, I Potenzialmente le risorse di energia solare sono illimitate, tuttavia la radiazione solare è molto diluita, intermittente e non uniformemente distribuita. A livello del suolo il valore della energia raccolta varia molto con l inclinazione e l orientazione della superficie captante e con la stagione. Inoltre i dispositivi di captazione dell energia solare hanno un rendimento solitamente variabile con la temperatura alla quale lavorano.

34 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, II giorno tipico di ogni mese 1. a DICEMBRE da β = 0.0 a β = 40.0 e γ = 0.0 : l energia raccolta aumenta dell 83% 2. a LUGLIO da β = 0.0 a β = 40.0 e γ = 0.0 : l energia raccolta diminuisce del 5.5% 3. alle ore 12: DICEMBRE 400Wh/m 2, LUGLIO 824Wh/m 2 (con β = 40.0 e γ = valori medi sull ora)

35 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilità energetica, III Solar Tres Project (Potenza 15 MWe): la bassa concentrazione ore di autonomia, 588 MWh termici. Hot thank: 565 gradi, 347 stainless steel. Cold 2. la irregolarità e la non thank: 288 gradi, acciaio al carbonio. facile accumubilità Diametro 19 m, altezza 12.5 m. rappresentano un forte limite ai fini di un uso industriale delle energie rinnovabili. L energia idraulica è facilmente accumulabile. L energia solare si può indirettamente accumulare in in energia termica, elettrica (?), meccanica, chimica

36 Il sole: sorgente primaria di energia Energia solare. La disponibilita, IV L energia eolica e del tutto irregolare e spesso imprevedibile. La biomassa: I e il risultato naturale dell accumulo di energia solare in energia chimica I i rendimenti di cattura e conversione della radiazione in biomassa sono pero assai modesti: % (max 2%)

37 Gli impianti ad energia rinnovabile: la situazione italiana IMPIANTI, POTENZA INSTALLATA E PRODUZIONE LORDA (al 31 dicembre 2008) Fonte Impianti Potenza Produzione ore/anno (kw) (GWh) ore equivalenti(*) idrica (0.30) eolica (0.18) solare (0.06) geotermico (1.00) biomasse e rifiuti (0.49) (frazione organica) (*) le ore effettive di funzionamento sono superiori. Per esempio: (dati 2008) 50% impianti con ore di funzionamento superiori (a) idroelettrici 3600; (b) geotermici 7900; (c) eolico 1580.

38 La produzione di energia elettrica da rinnovabili

39 [Beretta 2007] Gian Paolo Beretta. World energy consumption and resources: an outlook for the rest of the century Int. J. Environmental Technology and Management, Vol. 7, Nos. 1/2, pp , [Anonimous 2006] Energy, electricity and nuclear power estimates for the period up to 2030 Reference Data Series No. 1, July 2006 Edition, International Atomic Energy Agency, Vienna, [Spezia 2006] Ugo Spezia. Chernobyl, venti anni dopo il disastro Asociazione Galileo 2001, [Lamarsh and Baratta 2001] John R. Lamarsh, Anthony J. Baratta. Introduction to Nuclear Engineering Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2001.

40 [Probert and Tarrant] D. Probert and C. Tarrant Environmental Risks of Power Generation from Fossil Fuels and Nuclear facilities Applied Energy 32 (1989) [Whittaker et al. 2004] Andy Whittaker, Kelly BéruBé, Tim Jones, Rpbert Maynard, Roy Richards. Killer smog of London, 50 years on: particle properties and oxidative capacity Science of the Total Environment, , pp , [Mainardi] Enrico Mainardi Impieghi dell Energia Nucleare Editoriale Delfino Milano, 2008.