Energia nucleare di IV Generazione e Fusione

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1 Università di Pisa Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione Energia nucleare di IV Generazione e Fusione Francesco Oriolo IV Congresso Nazionale AIGE Roma, Maggio 2010

2 Quali saranno le tecnologie energetiche che nei prossimi decenni potranno soddisfare la crescita della domanda elettrica? Se oggi vogliamo anticipare le necessità di domani, possiamo già individuare le forze che influenzeranno le scelte dei prossimi decenni: La globalizzazione L innovazione tecnologica:

3 L energia nucleare di IV generazione potrà giocare un ruolo fondamentale non solo nella produzione di energia elettrica,ma anche nella produzione di idrogeno, calore e per desalinizzare le acque salmastre per almeno un millennio. L industria nucleare dovrà rispondere alla domanda dei mercati energetici competitivi con: reattori nucleari con differenti spettri energetici e con taglie differenziate: piccola, media e grande; elementi di combustibile che usino in modo efficiente la materia: l uranio naturale; chiusura del ciclo di combustibile, con gestione sicura ed eco-compatibile delle scorie radioattive.

4 LIMITI INTRINSECI DELLE FONTI ENERGETICHE L energia nucleare ed i combustibili fossili possono produrre energia DOVE e QUANDO necessita

5 Il contesto della Comunità europea Le scelte della UE relative alla politica energetica per il 2020 sono: - 20% riduzione dei gas ad effetto serra rispetto al % di energie rinnovabili nel portafoglio energetico - 20% di riduzione dei consumi energetici

6 Strategia UE per il 2050 La Comunità europea, per il 2050, punta ad una economia a basso consumo di carbonio e perciò è necessario fare dei passi in avanti: - nella ricerca e sviluppo tecnologico - investire sulle risorse umane.

7 L Energia Nucleare per un Economia a basso contenuto di Carbonio L energia nucleare fornisce circa il 31% dell elettricità prodotta in Europa da 1 grammo di U-235 si ricava la stessa quantità di energia da 2.55 tonnellate di carbonio. E la fonte primaria più importante di energia, non basata sul carbonio e non immette in atmosfera circa 900 milioni di tonnellate di carbonio per anno.

8 . Obiettivi UE per il Conservare gli attuali standard di sicurezza e competitività economica, relativi ai reattori ad acqua leggera (LWR) ed ad acqua pesante (HWR). Migliorare le soluzioni per la gestione delle scorie radioattive a lungo termine.

9 Obiettivi UE per il Sviluppare un reattore a spettro veloce (FR) di IV generazione per la chiusura del ciclo di combustibile Ampliare l offerta dell energia nucleare di IV generazione con: Sistemi di piccola, media e grande taglia; per produzione di elettricità, idrogeno, calore e per la desalinizzazione delle acque salmastre Più combustibili nucleari: Uranio, Torio, MOX, ossido, nitruro, carburo, uranio metallico, matrici inerti di ittrio o zirconia Più Cicli di combustibile: aperto, chiuso, separazione e trasmutazione degli attinidi

10 R&D in EUROPA per un NUCLEARE DUREVOLE

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13 Reattori Nucleari di Generazione II Le principali filiere di reattori nucleari in esercizio. - PWR, Pressurized Water Reactor, 250 reattori - BWR, Boiling Water Reactor, 91 reattori - PHWR,o di tipo CANDU, 41 reattori - GGR, Gas Grafite Reactors, MAGNOX e AGR, 32 reattori e 13 RBMK - FBE, MLFBR, Metal Liquid Fast Breader Reactors, tipo Superphenix, 4 reattori

14 Elettricità Prodotta in USA con II Generazione

15 LWR e HWR Presenti e Futuri Negli USA, non sono state ordinate nuovi impianti da 1970 al 2009, ultima centrale allaccia alla rete è stata quella della Tennessee Valley Authority nel 1996, l elettricità da fonte nucleare è passata: Anno Miliardi di kwh

16 REATTORI NUCLEARI La vita dei reattori stimata inizialmente sui 30 anni è passata agevolmente a 40 anni ed oltre.i reattori in costruzione sono progettati per una vita di oltre 60 anni. Un rettore nucleare deve essere : da un lato un manufatto immortale come un ponte romano (Milvio), il Panteon, la vecchia diga di Assuan; dall altro deve recepire i progressi tecnologica. della

17 Reattori Nucleari e di III Generazione Sono stai realizzati o in fase di realizzazione reattori come AP-1000, System 80+, EPR, ABWR, VVER. Essi dovranno competere sul libero mercato, sarà il mercato a stabilire il successo di questo o quel tipo di reattore. Vantaggi Non emettono gas ad effetto serra Costi del kwh competitivi Svantaggi Alto costo di capitale Sfruttamento limitato del combustibile (non sostenibilità) Competitività economica dipendente da Paese a Paese

18 DISPONIBILITA DI COMBUSTIBILE NUCLEARE Le risorse accertate ed economicamente sfruttabili per meno di 130 $/Kg di uranio sono stimate in circa 4. Mt. Le riserve d uranio sono molto diffuse sulla crosta terrestre e nelle acque del mare e si trovano in regioni geopolitiche stabili come l Australia, il Canada. Tenendo conto delle regioni non esplorate si può arrivare ad una stima di 15.4 Mt che potrebbero assicurare per 250 anni la produzione elettrica del 1999 con un consumo di combustibile di t di uranio. Il riciclo del combustibile potrebbe portare a un 30 % in più di utilizzo. (non sostenibilità o sostenibilità debole dell energia nucleare ).

19 DISPONIBILITA di COMBUSTIBILE NUCLEARE Lo sfruttamento energetico dell uranio potrebbe essere aumentato da 70 a 160 volte nei reattori veloci. In questo caso l energia nucleare ai tassi di consumo odierno potrebbe durare più di un millennio (sostenibilità dell energia nucleare). Il costo dell uranio incide poco sul costo di elettricità. Le stime prevedono: - Costi d investimento 57% - Costi di esercizio e manutenzione 23% - Costi di combustibile 20% (materia prima 24%, conversione 4%, arricchimento 31%, fabbricazione 17 %, chiusura del ciclo di combustibile 24 %)

20 CICLO DI COMBUSTIBILE

21 CICLO di COMBUSTIBILE Riciclare: separazione e trasmutazione Combustibili innovativi ( supporto MA) e migliori prestazioni del nocciolo nuovi materiali Scambiatori di calore e sistemi innovati di conversione di potenza Stumentazione avvanzata, sistemi di ispezioni e manutenzione in linea (in-service).

22 LA TRANSIZIONE DAI REATTORI NUCLEARI TERMICI A QUELLI VELOCI I reattori veloci non sono solo centrali per produrre elettricità, ma anche fabbriche di combustibile nucleare. In un FBR da 1 kg di uranio si può estrarre un energia intorno a MWh contro i MWh di un reattore termico. Il combustibile già usato nei reattori termici o quello da essi non utilizzabile può essere bruciato in un reattore veloce. La resa energetica per unità di massa di combustibile in un FBR è circa 160 volte maggiore di quella di un reattore termico.

23 Lo sviluppo dei reattori veloci può basarsi sull evoluzione tecnologica e sull esperienza operativa di circa 80 reattori/anno accumulati con i pochi reattori veloci in esercizio e con l esperienza operativa dei sommergibili russi a propulsione nucleare. Nei reattori veloci la gestione delle scorie radioattive è più semplice rispetto a quella dei reattori termici, poiché possono anche bruciare gli elementi pesanti prodotti dai reattori termici.

24 I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE Il ciclo del combustibile nucleare consiste in: estrazione ed operazioni preliminari di miniera (U 3 O 8, yellow cake ); purificazione-conversione; arricchimento nell isotopo fissile U-235; Fabbricazione dell elemento di combustibile. Calcoli parametrici al variare del prezzo dell U 3 O 8 per ottenere 1 kg di combustibile. Bisogna partire da circa 8.9 kg di uranio (U 3 O 8 ) e, in base ai costi industriali praticati per la conversione, l arricchimento e la fabbricazione, si ottengono i valori riportati in Tabella. U 3 O 8 [$/kg] Uranio 8.9 kg di U 3 O 8 x $ Conversione 7.5 kg x $ Arricchimento 7.3 SWU x $ Fabbricazione combustibile 1 kg Totale Incidenza Uranio (%)

25 I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE Costi di produzione dell'elettricità [cent-$/kwh] Negli USA, nel 2006 il costo di produzione dell elettricità (che include l esercizio, la manutenzione ed il costo del combustibile) è stato di 1.72 cent-$/kwh come risulta in figura, per costi dell uranio naturale intorno ai 40 $/kg; se si passa a 300 $/kg il costo diventa 2.4 cent-$/kwh. 10 Carbone 9 Nucleare 8 Gas 7 Petrolio Costi di produzione dell elettricità in USA

26 I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE Risorse provate (RAR) Risorse addizionali (EAR-I+EAR-II) Risorse [1000 t] Reattore termico [1000 EJ] Reattore veloce [1000 EJ] Risorse speculative Totale risorse convenzionali Combustibile usato Fosfati Acqua del mare Totale risorse non convenzionali Energia estraibile dal combustibile nucleare mediante un reattore termico e un reattore veloce

27 I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE Reattore EPR PWR Costo Capitale 13.8 (58.2%) 19.9 (62.4%) Costi O&M 7.2 (30.4%) 5.1 (16.0%) Costo Combustibile 2.7 (11.4%) 6.9 (21.6%) Totale Costo del carico elettrico di base per gli impianti nucleari francesi PWR ed EPR (in euro/mwh) Costo Elettricità (COE) $/MWh - Costo Capitale $/kwe 65-70% COE Costo Decommissioning $/kwe 1-2 $/MWh Costi O&M 5-10 $/MWh 20-25% COE Costo Combustibile 4.5 $/MWh 10% COE Costi stimati dall IEA per un ALWR

28 REATTORI NUCLEARI di IV GENERAZIONE Per iniziativa dello U.S.A-D.O.E. si è costituito un Comitato Internazionale che raggruppa 11 Paesi e noto come GIF (Generation IV International Forum) per lo sviluppo di sistemi nucleari di potenza che possano essere progettati, sperimentati e realizzati per il Lo sviluppo durevole dell energia nucleare richiede la conservazione delle risorse e la protezione dell ambiente.

29 REATTORI NUCLEARI di IV GENERAZIONE La tecnologia nucleare della IV Generazione deve fare ulteriori progressi nel campo della: Sostenibilità. Essa riguarda sia l effettivo utilizzo del combustibile che la gestione sicura delle scorie radioattive e la resistenza alla proliferazione delle armi atomiche. Sicurezza-affidabilità: la IV Generazione deve eccellere in sicurezza intrinseca ed affidabilità.

30 Competitività economica: è fondamentale per l affermazione commerciale di detti reattori ed il livello di rischio finanziario deve essere equivalente a quello degli altri progetti anche in campo non energetico. REATTORI NUCLEARI di IV GENERAZIONE Il sistema deve essere stabile ed a bassa probabilità di gravi danni al nocciolo del reattore ( tolleranza errori umani, caduta di aerei, terremoti, attacco terroristico con armi tradizionali).

31 Sistemi nucleari di IV generazione Il progetto di un nuovo sistema nucleare,eco-compatibile ed per un mercato globale, richiede da una parte notevoli investimenti in R&D, stretta collaborazione fra industrie, enti di ricerca ed università e dall altra un lavoro intenso e costruttivo tra elettroproduttori, enti di controllo, industrie ed opinione pubblica. I sistemi nucleari,secondo gli studi del GIF, possono essere classificati secondo le seguenti filiere: Reattore refrigerato ad acqua supercritica (SCWR) Reattore a spettro veloce refrigerato a gas (GFR) Reattore a spettro veloce refrigerato a piombo fuso (LFR) Reattore a spettro veloce refrigerato a sodio (SFR) Reattore a Sali fusi (MSR ) Reattore refrigerato a gas ad alta temperatura (VHTR)

32 Economica Sicurezza Eco-sostenibilità Competitività Progettazione in base a sicurezza intrinseca ed eliminazione degli incidenti severi ( Safety by design ). Rimozione calore di decadimento per circolazione naturale. Taglia medio - piccola & modularità per ridurre il costo capitale intorno ai 1000 $ per kwe istallato. Tempo di costruzione inferiore ai 3 anni. Spettro veloce o spettro termico. Sistemi sottocritici. Refrigerati ad acqua, gas o metalli liquidi (Na, Pb, Pb-Bi). Utilizzo cicli U o U-Th ad alta efficienza nello sfruttamento delle materie prime. Impieghi: elettricità, desalinizzazione, calore, produzione idrogeno, bruciamento delle scorie radioattive.

33 OBIETTIVI La sostenibilità nei nuovi sistemi nucleari riguarderà l effettivo utilizzo del combustibile, la gestione sicura delle scorie radioattive e la resistenza alla proliferazione degli armamenti nucleari I problemi più gravosi riguardano la gestione e l eliminazione delle scorie radioattive nell intera catena, che dovranno essere ridotte al minimo e considerate come una risorsa da utilizzare con tecnologie avanzate Un evento con danneggiamento del nocciolo diviene poco credibile e ciò permetterà di eliminare la necessità di predisporre piani di emergenza e di evacuazione. Il sistema di contenimento servirà essenzialmente a proteggere il reattore dagli eventi esterni, incluse azioni di terrorismo.

34 G-IV: Sodium Cooled Fast Reactor

35 G-IV: Lead Cooled Fast Reactor

36 G-IV: Gas Cooled Fast Reactor

37 G-IV: Supercritical Water Cooled Reactor

38 G-IV: Molten Salt Reactor

39 G-IV: Very High Temperature Reactor

40 Sviluppo di reattori di piccola taglia Carem MWe Argentina IRIS MWe/PWR Westinghouse - Consorzio internazionale (Brasile, Croazia, Giappone, Italia, Lituania, Messico, Russia, Spagna, U.K., USA) PBMR 114 MWe/HTR Eskom - Sud Africa NHR MWth/PWR INET Cina ELSY 600 ( European Lead-cooled System),(Italia,Francia, Francia, Germania, Spagna, Svezia, Olanda, Polonia, Romania, Rep Ceca, Corea, USA, Svizzera ) BREST Mwe/LCFR ENTEK Russia ADS Accelerator Driven Subcritical System - Italia, Francia, Giappone, UK, USA, Russia, etc.

41 RICERCA e SVILUPPO UE sui MATERIALI dpa

42 UE Roadmap per Apparecchiature e Prototipi (1/2)

43 UE Roadmap per Apparecchiature e Prototipi (2/2)

44 UE Roadmap per i Combustibili Nucleari

45 RISORSE DI URANIO E DI TORIO Le risorse convenzionali di uranio sono quelle sfruttabili più facilmente con la tecnologia esistente e sono anche note come risorse convenzionali provate. Esse si dividono in due sottocategorie: risorse ragionevolmente sicure (RAR) e risorse addizionali stimate di cat. I (EAR-I) e di cat. II (EAR-II) meno certe. Le risorse speculative (SR) sono quelle il cui bacino minerario non è stato ancora esplorato, però presenta caratteristiche geomorfologiche simili a quello delle risorse provate. Le risorse non convenzionali comprendono l uranio presente nei fosfati e nell acqua di mare. La tecnologia di estrazione dell uranio dai fosfati è sostanzialmente matura ed i costi si collocano sui $/kg di U. Per quanto riguarda l estrazione dell uranio dall acqua di mare, ricerche effettuate in Giappone con esito positivo stimano valori inferiori a 300$/kg di U. Il prezzo medio annuo dello yellow cake ha raggiunto, nel 2007, i 53 $/kg, mentre sul mercato australiano il prezzo medio dell uranio acquistato in dollari australiani non ha mai superato i 40 $/kg ed il prezzo medio a lungo termine non ha mai superato i 40 $/kg.

46 RIESORSE DI URANIO E DI TORIO Da stime ufficiali dell OECD-NEA, dell IAEA e dell IPCC relative alle risorse di uranio e torio. Risorse convenzionali provate Risorse provate (RAR) Risorse addizionali (EAR-I) Riserve convenzionali stimate Risorse addizionali (EAR-II) Risorse speculative Risorse secondarie Surplus dell attività militare Ex-arricchimento Inventario commerciale Uranio depleto Risorse non convenzionali Fosfati Acqua del mare Risorse convenzionali di Torio Risorse provate Risorse addizionali Tipo di risorsa Stima (1000 t)

47 Energia primaria [EJ/anno] EVOLUZIONE DEL MIX DI ENERGIA PRIMARIA Nel 2100 si avrà una modifica sostanziale del portafoglio energetico. L energia nucleare da fissione contende il primo posto ai combustibili fossili. Lo scenario DCMN-2 si spinge oltre enfatizzando anche gli usi non elettrici dell energia nucleare, come la cogenerazione, la produzione di idrogeno e la desalinizzazione di acqua salmastre Bioenergia Rinnovabili Nucleare Gas Carbone Petrolio Evoluzione del mix di energia primaria (scenario del VTT che prevede di contenere la CO2 a livelli di 450 ppm).

48 LA FUSIONE NUCLEARE (1) Anche la reazione nucleare che comporta la fusione di nuclei leggeri per formarne uno pesante produce calore 17.6 MeV Nel giugno 2005, i partners del consorzio ITER hanno deciso di costruire un prototipo di tokamak a Cadarache, in Francia Il prototipo è progettato per produrre 500 MW di potenza ed è ancora sperimentale; il primo plasma era inizialmente previsto per il 2016

49 LA FUSIONE NUCLEARE (2) ITER sarà un Tokamak, una macchina in cui il deuterio ed il trizio costituiranno un plasma riscaldato a 100 milioni di gradi per produrre la fusione nucleare, confinato da potenti campi magnetici Lo scopo di ITER è mostrare la fattibilità scientifica e tecnologica dell uso della fusione per scopi pacifici Dovrà funzionare per circa 20 anni con qualche migliaio di impulsi da 10 s Si pensa che ci vorranno circa 50 anni per risolvere i problemi tecnici coinvolti nell uso commerciale dei tokamak

50 CONCLUSIONI L economia del nucleare da fissione potrà permettersi prezzi per l acquisto dell uranio anche di 1400 $/kg, poiché il costo del combustibile in un FBR incide poco sul costo totale dell elettricità (0.003 $/kwh). Inoltre gli FBR hanno la capacità di utilizzare anche il combustibile usato dai reattori termici e di semplificare la gestione delle scorie radioattive. L affermazione della tecnologia nucleare avverrà in un mercato più ampio e non dipendente da Paese a Paese, con impianti costruiti con componenti di qualità prodotti in tutto il mondo, come già avviene in campo aerospaziale. Se lo sviluppo industriale della tecnologia nucleare riuscirà a dare una risposta positiva ai problemi di sicurezza, di competitività economica, di riduzione e sistemazione definitiva delle scorie radioattive, il rilancio dell energia nucleare porterà i reattori nucleari a spettro veloce ad una rapida penetrazione nel mercato. La rinascita dell energia nucleare potrebbe avere un ruolo analogo a quello che ha avuto il carbone nella rivoluzione industriale: salvare il pianeta dai cambiamenti climatici ed assicurare, non solo una perequazione tra regioni ricche e regioni povere, ma anche uno sviluppo socio-economico millenario.