Scenari energetici futuri Prospettive della energia nucleare. G. Turchetti Dipartimento di Fisica e Centro Galvani UNIBO INFN Sezione di Bologna

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1 Prospettive della energia nucleare G. Turchetti Dipartimento di Fisica e Centro Galvani UNIBO INFN Sezione di Bologna

2 In memoria di Giuseppe Minardi, un amico, Senigalliese che amato la sua città come testimonia il suo libro Senigallia... frammenti di un luogo caro e che nel settore energetico ha svolto con passione la sua attività professionale.

3 Energia e clima Dai fossili ai rinnovabili La fissione nucleare Fusione a confinamento magnetico Fusione a confinamento inerziale I prossimi 1000 anni

4 Energia e clima L energia è un sistema complesso Le sorgenti sono naturali: sole, combustibili chimici e nucleari. Le tecnologie di trasformazione sono basate su chimica e fisica. La vita è un sistema complesso Energia e vita binomio inscindibile Energia abbondante per civiltà avanzate

5 STORIA Fabbisogno alimentare procapite Kcal/g Epoca 1 Kcal= J 1 Tep = 10 7 Kcal = Tep/y pro-cap Popolaz Total GTep Fonte Preistoria sole-legna legna Civ. storiche x sole-legna legna 10 J carbone-sole Iniz x carbone-sole Iniz x Fossili (sole10% fissione 10%) Iniz x Fusione (sole 20%)

6 Il consumo totale su tutte le fonti energetiche ora è 9 GTep pari a 3.8x10 20 J. Potenza media circa 10 TW= W. 13 W. Popolazione attuale 6 miliardi (6x10 9 ). Il doppio tra un secolo.

7 GEOGRAFIA I 2/3 delle riserve petrolifere sono in medio oriente. La Distribuzione del carbone è più uniforme. Consumi in Tep/anno: USA 10, EU 5, Emisfero sud <1, Media1.5 Legge di Pareto. Meno del 20% consuma più della metà

8 Sole Scenari energetici futuri ECOLOGIA E CLIMA Sole Fonte di energia primaria. Carbone, gas e petrolio sono energia solare accumulata in milioni di anni. Idroelettrica è è energia solare accumulata nel ciclo annuale. Clima. Dipende dalla concentrazione di CO2 in atmosfera.

9 Concentrazione di CO 2 e temperatura sono correlate. Relazioni di causa-effetto non chiare. Concentrazione: 270 ppm inizio Ora 360 ppm. Proiezioni 2100 tra 500 ppm e 900 ppm Correlazione tra CO2 e temperatura Concentrazione CO 2 negli ultimi anni Previsione aumento temperatura

10 Aumento CO 2 causato da crescita demografica e del livello di vita Oltre 80% di energia attuale dai fossili. Raddoppio concentrazione ne entro 50 anni con aumento importante della temperatura media.

11 Dai fossili ai rinnovabili Energia di origine non fossile meno del 20% (elettrica 30%) ITALIA 195 MTep: petrolio 92, gas 64, carbone 16, idro-geo 12. Energia elettrica 70 MTep (pari a 30 centrali da 1 Gw) Una centrale da 1 GW produce 3x10 16 J anno e con efficienza del 32% ha un consumo annuo di 2.3 MTep pari a 75 Kg/s... carbone nucleare idro petrolio gas

12 Energia solare La energia del sole è perpetua ma diluita e intermittente Costante solare: max energia per secondo e metro quadro W= 1 KW/m 2 E anno = 3x10 10 J = 0.7 Tep Corrisponde ai 2.3 TeP per produrre 1 KW in centrale con efficienza 30% Efficienza conversione 10%. Costante solare media 0.12 KW/m 2 <W> W picco ~ 12% <W< el > = 12 W/m 2

13 Centrali e tetti fotovoltaici I pannelli istallati sui tetti sono ecologici, le centrali meno. Il costo del KWh fotovoltaico è alto (4-5 5 x termico) Centrale da 1 GW quasi 100Km 2. Stoccaggio Potenza centrali italiane 30 GW pari a 3000 Km 2 di pannelli Dai tetti il 10%

14 Altri rinnovabili Idro-geo Fonte privilegiata, poco espandibile. Eolico. Forte variabilita. Centrali di sostegno. Solare termico. Più efficiente del fotovoltaico, poco scalabile Biomasse. Basso rendimento. Idrogeno da batteri. Possibile senza produrre CO2 Le fonti rinnovabili possono sostituire i fossili solo in parte. Il nucleare può sostituire la parte mancante

15 La energia da fissione nucleare Le reazioni nucleari sono molto più energetiche di quelle chimiche. Energia chimica si misura in ev Energia nucleare in MeV. Raggi degli atomi in nanometri Raggi dei nuclei in Fermi Rapporto energie legame 1 a 1 milione Fermi nm MeV = 10-6 = 10 6 ev Energia di Coulomb E = + e 2 /r Reazione a catena

16 La energia nucleare è stata messa al bando in Italia dopo il referendum del 1987 seguito all incidente di Chernobyl. L effetto più devastante è stato lo smantellamento progressivo delle competenze di natura scientifica, tecnologica e industriale che l Italia l vantave in questo settore, oltre ad una sistematica campagna di disinformazione da parte dei media.

17 Neutroni termici Prodotti di fissione. Decadono con emissione di n eutroni Energia cinetica dei prodotti di fissione circa 160 MeV nergia sviluppata dalla combustione di 1 g di Carbonio circa 33 KJ Energia sviluppata da 1 g di Uranio circa 36 GJ E(1 g U) E(1 g C) = 1 milione

18 Produzione energia elettrica Reattori: in operazione: 443 (in 30 paesi) in costruzione: 27 (in 11 paesi) Potenza totale installata: 370 GW(e) reattori in costruzione: 22 GW(e) Nucleare 19.3 % Nella UE 33% Italia 0% Gas naturale 19.4% Carbone 39.0% operativita reattori anni Idro+geo+rinn. 22.3%

19 Economicità Scenari energetici futuri Elelvati investimenti in impianti ad alta sicurezza.. Costi di esercizio molto bassi. La vita dei reattori di I e II generazione è stata portata da a anni Costo in euro di 1 MWh: nucleare 28,4, gas 35, carbone pulito 32 Euro Sicurezza Molto alti nei paesi occidentali. Dopo Cernobil migliorata la sicurezza negl impianti di Russia e Ukraina con assistenza UE. Migliora con generaz.. III e IV Rifiuti I problemi del nucleare da fissione Un reattore da 1 GW produce 30 tonnellate di combustibile esarito per anno. Stivaggio in depositi geologici. Ricerca avanzata sulla trasmutazione tazione degli attinidi a vita lunga. Problema molto ridotto nei reattori veloci generaz.. IV Proliferazione I reattori di II e III generazione producono plutonio usabile per armi nucleari

20 Siti di processamento e stoccaggio dei rifiuti Il riprocessamento in un reattore o con acceleratori è in studio. Yucca mountain USA Centre ANDRA de l Aube (Fr)

21 Evoluzione dei reattori nucleari dal 1960 al 2060

22 Dieci paesi si sono uniti per formare il Generation IV International Forum per sviluppare i sistemi nucleari di futura generazione. Italia assente Sostenibilità Economicità Sicurezza e affidabilità Resistenza alla proliferazione.

23 Andamento radioattività rifiuti in PWR e reattori generaz.. IV

24 Problema scorie invariato Scenari energetici futuri Reattori di generazione III+ PWR Questi reattori sono la evoluzione della generazione II con un aumento significativo delle sicurezza. Sono ad acqua pressurizzata PWR. In UE sono in costruzione due reattori r EPR di questo tipo in Francia (Flamanville( Flamanville) ) e Finlandia (Olkiluoto( Olkiluoto). In esercizio 2012 Sicurezza aumentata notevolmente. Stimato funzionamento per 100 milioni di anni senza incidenti gravi. Combustibile uranio arricchito 4-6% MOX miscela uranio-plutonio

25 Reattori di IV generazione Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR) Scenari energetici futuri Reattori a spettro veloce, refrigerati a sodio e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione dell uranio fertile e la gestione degli attinidi Spettro: veloce Refrigerante: sodio T out: 550 C Potenza rif: MWe (con comb. Lega U- Pu-MA-Zr) MWe (con comb. MOX) Ciclo: chiuso (MA inclusi e conversione Pu) Riciclo AM: si

26 Gas-Cooled Fast Reactor (GFR) Scenari energetici futuri Reattori a spettro veloce, refrigerati a elio e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione dell uranio fertile e la gestione degli attinidi Spettro: veloce Refrigerante: elio T out: 850 C Potenza rif.: 288 MWe Ciclo: chiuso, on site Riciclo AM: si Caratt. Particolari: produzione di H 2 per termodissociazione dell acqua

27 Lead-Cooled Fast Reactor (LFR) Reattori a spettro veloce, refrigerati a piombo o eutettico piombo-bismuto e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione dell uranio fertile e la gestione degli attinidi Spettro: veloce Refrigerante: Pb o Pb-Bi T out: 550 C (fino a 800?) Potenza rif.: MWe (reattore a batteria ) 600 MWe Ciclo: chiuso (on site o regional) Riciclo AM: si

28 Fusione termonucleare Quando due nuclei leggeri si fondono formano un nucleo con energia di legame piu alta e rilasciano energia. 2 D + 3 T= 4 He + n reazione fusione 6 Li + n = 4 He + 3 T produzione trizio

29 Vantaggi Risorse inesauribili (decine di milioni di anni) No scorie a vita lunga No emissioni CO2 No proliferazione No incidenti nucleari

30 Confinamento magnetico Confinamento inerziale Scenari energetici futuri PROBLEMI Estrema difficoltà nel realizzare la fusione controllata Due strade possibili: confinamento magnetico, inerziale Dimostrazione: 10 anni per inerziale 20 per magnetico Sviluppo tecnologie per centrali anni

31 Enormi progressi sono stati realizzati. L aumento L di potenza da reazioni di fusione segue la legge di Moore (esponenziale). Esperimento al JET con trizio prossimo al break-even even

32 . Il confinamento magnetico si realizza tramite campi a struttura toroidale che confinano il plasma. Il sole in bottiglia Il premio Nobel De Gennes ha detto: idea Buona peccato che manchi la bottiglia. Il JET ci ha fornito una mezza bottiglia. ITER Dovrebbe fornire la bottiglia intera.

33 . La fusione richiede temperature elevate di almeno 10 KeV pari a 1.2x10 8 gradi. Le condizioni per la fusione sono fissate dal criterio di Lawson ρ τ > c dove ρ è la densità e τ il tempo di confinamento. Confinamento magnetico: : densità basse, tempi lunghi (minuti) Confinamento inerziale : densità alte, tempi corti (nanosecondi)

34 . Scenari energetici futuri JET ITER DEMO Avvicinamento al break even Struttura di ITER

35 La fusione inerziale è una microesplosione simile a quella di una bomba termonucleare o di una supernova. La quantità di combustibile è minuscola, pochi mg di DT, e quindi l energia rilasciata può essere controllata. La energia di una bomba di decine di Mtons viene rilasciata in qualche decennio con una frequenza di 10 Hz. Esplosione termonucleare Camera di reazione di NIF

36 Dal diesel al motore a scoppio trermonucleare Negli esperimenti in corso le reazioni di fusione avvengono per compressione. La temperatura al centro consente le prime reazioni di fusione che si propagano come nel motore diesel. La fusione veloce si basa sul deposito di energia concentrata Tramite fascetti di elettroni o protoni prodotti da impulsi laser ultracorti (decine di fs). Impulso laser ultracorto Impulsi Laser per la compressione Questa fasci creano la scintilla che accende la reazione di fusione. Elettroni veloci

37 I Dispositivi per la fusione inerziale sono basati su laser Ne-vetro che hanno energie di KJ ma tasso di ripetizione molto basso (1 tiro ogni qualche ora). NIF ha 192 di questi lasers e deposita 3 MJ sul bersaglio. Nei prossimi 2 anni Esperimenti di ignizione a piena potenza. Si stanno sviluppando laser pompati a diodi che hanno frequenza elevata. Operativi per fusione tra anni circa. Laser Ne per NIF

38 Programma giapponese per fusione inerziale

39 LMJ Programmi in Europa LMJ Laser Megajoule esperimento militare francese, come NIF PETAL Esperimento civile francese per la fast ignition PETAL HIPER Progetto di esperimento UE per fast ignition HIPER PETAL HIPER

40 Italia Partecipa ad ITER e parteciperà ad HIPER Fusione magnetica: due macchine toroidali a Frascati e Padova Studi su fast ignition con il laser FLAME ora istallato afrascati. Impegno non confrontabile con Francia, Germania, UK. La ricerca in Italia non è considerata strategica.

41 Il progetto PROMETHEUS Struttura di ricerca con un laser di potenza nel laboratoriomontecuccolino della Un. Di Bologna che ospitava un reattore. Protoni per la terapia oncologica e ricerche sulla ignizione rapida Laboratorio di Montecuccolino

42 AD ASTRA Energia abbondante e pulita è condizione per la democrazia evitando il ritorno ad antiche schiavitù.. Apre anche le porte verso altri mondi altra condizione per il progresso dell umanit umanità