FACOLTA DI INGEGNERIA CLASSE LM-30 INGEGNERIA ENERGETICA E NUCLEARE (D.M. 270/04)

Transcript

1 FACOLTA DI INGEGNERIA CLASSE LM-30 INGEGNERIA ENERGETICA E NUCLEARE (D.M. 270/04) CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ENERGETICA E NUCLEARE (D.M. 270/04) ELENCO SCHEDE DI TRASPARENZA DEGLI INSEGNAMENTI ATTIVI NELL A.A SCHEDE DI TRASPARENZA DEGLI INSEGNAMENTI DI PRIMO ANNO (A.A. 2010/2011): Energetica dei processi Ingegneria degli impianti nucleari a fissione ed a fusione C.I. Laboratorio di misure nucleari Macchine e sistemi energetici Metodi matematici e calcolo numerico Misure Termofluidodinamiche 1

2 FACOLTÀ Ingegneria ANNO ACCADEMICO 2010/2011 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE Ingegneria Energetica e Nucleare INSEGNAMENTO Energetica dei processi TIPO DI ATTIVITÀ Caratterizzante AMBITO DISCIPLINARE Ingegneria energetica e nucleare CODICE INSEGNAMENTO ARTICOLAZIONE IN MODULI NO NUMERO MODULI SETTORI SCIENTIFICO DISCIPLINARI ING-IND/10 DOCENTE RESPONSABILE Celidonio Dispenza Professore Ordinario di Energetica SSD: ING-IND/10 Università di Palermo CFU 9 NUMERO DI ORE RISERVATE ALLO 118 STUDIO PERSONALE NUMERO DI ORE RISERVATE ALLE 107 ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ Nessuna ANNO DI CORSO I SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE Consultare il sito LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA Lezioni frontali, esercitazioni, discussione di casi-studio e di ricerche per l innovazione tecnologica dei processi energetici, revisione elaborati. MODALITÀ DI FREQUENZA Obbligatoria METODI DI VALUTAZIONE Prova Orale, Presentazione di elaborati relativi a studi di fattibilità e di simulazione della performance di impianti energetici TIPO DI VALUTAZIONE Voto in trentesimi PERIODO DELLE LEZIONI Primo semestre CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ Consultare il sito DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI Da concordare con gli studenti STUDENTI RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI Conoscenza e capacità di comprensione Lo studente, al termine del corso, avrà acquisito conoscenze adeguate per comprendere, con piena maturità, gli aspetti termodinamici e termofluidodinamici dei processi energetici che intervengono negli impianti industriali. Egli sarà in grado di applicare le proprie conoscenze e la propria comprensione per la progettazione, la realizzazione, il controllo e l organizzazione della gestione degli impianti energetici. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente, al termine del corso, avrà acquisito conoscenze e capacità di comprensione adeguate per condurre studi, anche complessi, per la caratterizzazione di macchine, impianti e processi 2

3 industriali, valutarne le prestazioni e la relativa efficienza, per affrontare, con piena maturità, problematiche relative agli usi dell energia (uso delle fonti energetiche, vettorizzazione delle fonti energetiche, risparmio energetico, cogenerazione, problemi relativi agli usi finali, vari aspetti della pianificazione energetica). Autonomia di giudizio Lo studente acquisirà adeguata capacità di giudizio in relazione alle tematiche di pertinenza dell insegnamento. Egli avrà, altresì, la capacità di integrare conoscenze e di affrontare la complessità, di formulare giudizi, pur disponendo talvolta di dati incompleti, sulla scorta dei dati raccolti e delle conoscenze acquisite, e sarà in grado di formulare giudizi autonomi sull efficacia delle diverse soluzioni ingegneristiche applicabili alla fattispecie di volta in volta esaminata, nonché sull impatto tecnico-economico delle soluzioni proposte. Abilità comunicative Lo studente sarà in grado di comunicare con competenza e proprietà di linguaggio in relazione alle tematiche di pertinenza dell insegnamento. Capacità d apprendimento Lo studente sarà in grado di affrontare in autonomia le problematiche relative alle tematiche di pertinenza dell insegnamento. OBIETTIVI FORMATIVI Il Corso di Energetica dei processi e' rivolto all'energetica industriale e richiede una congrua maturità dell'allievo per i molteplici richiami alle materie studiate nel Corso di Laurea triennale. L Energetica in senso lato studia i processi legati all uso dell energia che consentono le attività produttive e la possibilità di vivere con un adeguato comfort e si occupa dello sviluppo delle tecnologie correlate ai processi energetici e della programmazione energetica. La disponibilità energetica è legata all uso di fonti primarie che vengono in vario modo trasformate perché ne sia possibile l utilizzazione in modo ottimale presso l utenza finale. Il complesso dell utenza finale, dei processi per la trasformazione delle fonti, dei sistemi per l approvvigionamento e la distribuzione delle fonti, nel contesto di una certa parte di territorio costituisce un sistema energetico. E perciò necessario studiare in Energetica con un approccio di tipo globale i sistemi energetici ai vari livelli gerarchici. Qualsiasi approccio globale, però, se deve essere pieno di contenuti, deve necessariamente partire dalla conoscenza di adeguate metodologie (sia per effettuare analisi di tipo tecnico che economico) che consentano di astrarre dalla conoscenza del tessuto tecnologico di una certa regione o di un certo contesto certi parametri utili per la caratterizzazione delle prestazioni di impianti e sistemi energetici. Il corso si caratterizza per un coerente ed accurato approfondimento di quello di Energetica che gli allievi hanno seguito per la laurea di primo livello; esso quindi contribuisce a formare delle figure professionali specializzate nell ambito energetico, capaci di affrontare le moderne problematiche energetiche per tutte le fonti primarie e la loro utilizzazione. Ciò è importante in un momento in cui si delinea nel mondo, nell Unione Europea ed anche in Italia un ritorno all interesse per il nucleare, che potrà anche riguardare il breve termine, e la necessità di garantire uno sviluppo sostenibile in un mondo che, per almeno altri 50 anni, dovrà servirsi ampiamente delle fonti fossili con tecnologie innovative. Gli argomenti trattati nel Corso di Energetica dei processi vertono principalmente su: 1) argomenti propedeutici che riguardano approfondimenti metodologici moderni di Termodinamica e Termofluidodinamica applicate, 2) argomenti rivolti allo studio delle fonti energetiche, alle analisi dei consumi, alla razionalizzazione dell'uso delle risorse, alle pianificazioni energetiche territoriali ed alle pianificazioni delle necessarie infrastrutture, 3) ampio spazio nelle esercitazioni è dedicato ad argomenti su tecnologie energetiche rivolte alla individuazione di possibilità di innovazione 3

4 tecnologica. Il corso è parecchio impegnativo, perché richiede una congrua maturità dell'allievo per i molteplici richiami alle materie studiate nel Corso di Laurea triennale ed è fortemente correlato alle parti di approfondimento trattate nella parte iniziale di questo corso. Energetica dei processi ORE FRONTALI LEZIONI FRONTALI 5 Analisi energetica approfondita basata su metodi che vertono sulla individuazione di sistemi ottimizzati in cui l obiettivo è la minima produzione entropica 10 Esempi applicativi 6 Metodi di ottimizzazione di impianti complessi basati sulle Metodologie della Pinch Technology nelle varie versioni moderne (con l analisi estesa ai sistemi in cui intervengono in operazioni di recupero energetico anche scambi di calore latente, ai sistemi che producono o utilizzano lavoro meccanico) 6 Esempi applicativi 3 Metodo della retta operativa basata sulle metodologie di analisi di minima produzione entropica 3 Esempi applicativi 4 Analisi termo-economica 3 Esempi applicativi 5 Metodi economici basati sui flussi di cassa afferenti a scenari di simulazione di processi e sistemi energetici (IRR, MPVC, Metodo dei Costi marginali, Metodi basati sulle perturbazioni dei Flussi di cassa) Metodi ausiliari per giudicare sulla profittabilità delle iniziative in sede di progetto, realizzazione, gestione dei sistemi (EMIP, IRP etc) 1 Esempi applicativi 3 Quadro coerente ed approfondito in modo adeguato delle operazioni per le trasformazioni delle fonti primarie in fonti disponibili all utenza finale (con esclusione di quanto già trattato nel Corso di Energetica) 2 Strumenti metodologici necessari per l individuazione del parco tecnologico afferente al sistema energetico e la sua caratterizzazione nei riguardi dei processi energetici coinvolti (con esclusione di quanto già trattato nel Corso di Energetica) 3 In relazione a quanto sopra: Studio per la caratterizzazione di processi di conversione energetica coinvolti nel contesto dei sistemi studiati 3 Concetti e strumenti metodologici principali per l analisi della consistenza termodinamica dei sistemi energetici territoriali 2 Esempi applicativi 3 Quadro aggiornato delle prospettive di innovazione tecnologica dei processi energetici 62 Totale ORE FRONTALI ESERCITAZIONI 2 Analisi energetica approfondita basata su metodi che vertono sulla individuazione di sistemi ottimizzati in cui l obiettivo è la minima produzione entropica 5 Esempi applicativi 4 Metodi di ottimizzazione di impianti complessi basati sulle Metodologie della Pinch Technology nelle varie versioni moderne (con l analisi estesa ai sistemi 4

5 in cui intervengono in operazioni di recupero energetico anche scambi di calore latente, ai sistemi che producono o utilizzano lavoro meccanico) 8 Esempi applicativi 0 Metodo della retta operativa basata sulle metodologie di analisi di minima produzione entropica 3 Esempi applicativi 4 Analisi termo-economica 5 Esempi applicativi 5 Metodi economici basati sui flussi di cassa afferenti a scenari di simulazione di processi e sistemi energetici (IRR, MPVC, Metodo dei Costi marginali, Metodi basati sulle perturbazioni dei Flussi di cassa) Metodi ausiliari per giudicare sulla profittabilità delle iniziative in sede di progetto, realizzazione, gestione dei sistemi (EMIP, IRP etc) 4 Esempi applicativi 0 Quadro coerente ed approfondito in modo adeguato delle operazioni per le trasformazioni delle fonti primarie in fonti disponibili all utenza finale (con esclusione di quanto già trattato nel Corso di Energetica) 0 Strumenti metodologici necessari per l individuazione del parco tecnologico afferente al sistema energetico e la sua caratterizzazione nei riguardi dei processi energetici coinvolti (con esclusione di quanto già trattato nel Corso di Energetica) 1 In relazione a quanto sopra: Studio per la caratterizzazione di processi di conversione energetica coinvolti nel contesto dei sistemi studiati 2 Concetti e strumenti metodologici principali per l analisi della consistenza termodinamica dei sistemi energetici territoriali 2 Esempi applicativi 0 Quadro aggiornato delle prospettive di innovazione tecnologica dei processi energetici 45 Totale TESTI CONSIGLIATI 1. Appunti del Docente e copie di articoli e manuali distribuiti durante il corso. 2. H.D.Baher, Thermodynamik, Springer-Verlag, Berlin, A. Sorensen, Energy Conversion Systems, J.Wiley New York, A.P.Fraas, Engineering Evaluation of Energy Systems, Mc Graw Hill, New York, R.W.Haywood, Analysis of Engineering cycles - Power, Refrigeratine and Gas Liquefaction plant, Pergamon press, ISBN , G.Petrecca, Industrial Energy Management: principles and applications - Kluwer Ac. Pub., Boston, A.Bejan, G.Tsatsaronis, M.Moran, Thermal design and optimization J.Wiley, A.Bejan, Entropy generation minimization, CRC Press, V.V.Sycev - Sistemi termodinamici complessi, Editori riuniti/mir, L.Borel, Thermodynamique et energetique, Vol. 1, Press. Pol. et Un. Romandes,ISBN , L.Borel, D.Lan Nguyen, M.Batato, J.Montero, Thermodynamique et energetique, Vol. 2, Press. Pol. et Un. Romandes,ISBN , M. Silvestri - Il futuro dell'energia, Bollati Boringhieri, Ottobre I.Prigogine, D.Kondepudi, Termodinamica: dalle macchine termiche alle 5

6 strutture dissipative, bollati Boringhieri, ISBN X, B.Linnhoff et a., A user guide on Process integration for the efficient use of energy, The institution of Chemical engineers, England, ISBN ,

7 FACOLTÀ Ingegneria ANNO ACCADEMICO CORSO DI LAUREA MAGISTRALE Ingegneria Energetica e Nucleare INSEGNAMENTO Ingegneria degli Impianti Nucleari a Fissione ed a Fusione (CI) TIPO DI ATTIVITÀ Caratterizzante AMBITO DISCIPLINARE LM-30 CODICE INSEGNAMENTO ARTICOLAZIONE IN MODULI SI NUMERO MODULI 3 SETTORI SCIENTIFICO DISCIPLINARI ING-IND/19 DOCENTE RESPONSABILE (MODULO 1) Giuseppe Vella Professore Ordinario Università di Palermo DOCENTE COINVOLTO da designare (MODULO 2) DOCENTE COINVOLTO da designare (MODULO 3) CFU 12 NUMERO DI ORE RISERVATE ALLO 190 STUDIO PERSONALE NUMERO DI ORE RISERVATE ALLE 110 (80 di lezioni frontali e 30 di esercitazioni) ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ Calcolo, Fisica, Metodi Matematici, Principi di Ingegneria Nucleare, Impianti Nucleari ANNO DI CORSO I - II SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE Consultare il sito LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA Lezioni frontali, Esercitazioni in aula MODALITÀ DI FREQUENZA Facoltativa METODI DI VALUTAZIONE Prova Orale TIPO DI VALUTAZIONE Voto in trentesimi PERIODO DELLE LEZIONI Primo e secondo semestre CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ Consultare il sito DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI Lunedi mercoledi venerdi STUDENTI RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI Conoscenza e capacità di comprensione Lo studente, al termine del corso, avrà maturato un opportuno livello di conoscenza e di comprensione sui seguenti argomenti: Principio di funzionamento di un reattore a fissione nucleare Reattori nucleari di I e II Generazione: principali filiere e relativi schemi di impianto Reattori nucleari di III e IV Generazione: principali filiere, relativi schemi di impianto e aspetti di maggiore sicurezza intrinseca e passiva Elementi di regolazione di un reattore a fissione nucleare 7

8 Ingegneria dei principali componenti di un reattore a fissione nucleare (Vessel, Barre di Controllo, Pompe, Circuiti di refrigerazione, Pressurizzatore e Scambiatore di Calore, Contenimento) Reazioni di fusione nucleare, plasmi, sezioni d urto, tasso di reazione e parametro di reazione Modelli fisico-matematici per la descrizione della dinamica di un plasma Break-even ed ignizione di un plasma: criteri di Lawson Metodo di confinamento inerziale di un plasma Metodo di confinamento magnetico di un plasma; Macchine TOKAMAK e Stellarator Dinamica del trizio in un reattore a fusione di potenza Problematiche tecnologiche connesse allo sfruttamento su scala industriale della reazione di fusione nucleare e principali schemi di impianto allo studio Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente, al termine del corso, avrà maturato un opportuno livello di conoscenza e di comprensione applicate sui seguenti argomenti: Analisi e dimensionamento del core di un impianto nucleare di tipo LWR. Analisi e dimensionamento del Vessel e dei Circuiti in pressione di un impianto nucleare di tipo LWR. Analisi e dimensionamento delle valvole e delle pompe di circolazione e/o di alimentazione di un impianto nucleare di tipo LWR. Studio della dinamica di un plasma D T tramite un modello a parametri concentrati Analisi delle prestazioni di un sistema di confinamento magnetico di tipo TOKAMAK Studio della dinamica del trizio in un reattore a fusione di potenza di tipo DEMO Autonomia di giudizio Lo studente, al termine del corso, avrà maturato un opportuno livello di autonomia di giudizio sui seguenti argomenti: Comprensione di rapporti tecnici pertinenti ad impianti ad alta intensità energetica Progettazione di componenti ad alto flusso termico e mantelli triziogeni di reattori a fusione Valutazione di massima dell inventario di Trizio in un impianto a fusione di data potenza Abilità comunicative Lo studente, al termine del corso, avrà maturato un opportuno livello di dimestichezza con il linguaggio tecnico-scientifico impiegato nell ambito dell ingegneria degli impianti ad alta intensità energetica con specifico riferimento a quelli nucleari a fissione ed a fusione. Capacità d apprendimento Lo studente, al termine del corso, avrà sviluppato la capacità di apprendere le problematiche scientifico-tecnologiche che caratterizzano lo sviluppo e la progettazione dei più rilevanti componenti di reattori nucleari a fissione ed a fusione. OBIETTIVI FORMATIVI DEL MODULO I Il modulo mira ad approfondire le tematiche connesse alla progettazione dei principali componenti circuitali e di controllo di un impianto elettronucleare di II e III generazione. L attenzione sarà focalizzata sul principio di funzionamento di un tipico impianto nucleare a fissione e sulla individuazione dei suoi componenti chiave e delle relative funzioni. Si procederà alla classificazione di tali impianti in generazioni, concentrando l attenzione sugli impianti di I e II generazione. Si continuerà classificando quest ultimi in reattori termici, epidermici e veloci coerentemente con lo spettro energetico dei neutroni di fissione e, in relazione ai primi, si considereranno le principali filiere di reattori, classificandole in relazione alla tipologia ed allo stato del moderatore previsto. 8

9 L attenzione si concentrerà in seguito sulla descrizione della metodologia di progettazione di componenti di impianti nucleari, approfondendo l aspetto concernente la normativa ASME di pertinenza. Successivamente si descriveranno le caratteristiche costruttive e funzionali dei tipici circuiti di un impianto elettronucleare e si illustreranno i principi dell ingegneria dei circuiti idraulici di un tal tipo di impianto. Verranno in seguito esaminati nel dettaglio gli elementi di progettazione relativi ai seguenti componenti di impianto: Barre di controllo Vessel, contenitori in pressione e pressurizzatore Pompe e Valvole Scambiatore di Calore MODULO I INGEGNERIA DEGLI IMPIANTI NUCLEARI ORE FRONTALI LEZIONI FRONTALI 1 Principio di funzionamento di un reattore a fissione 2 Classificazione dei reattori nucleari a fissione in I, II, III e IV Generazione Reattori a fissione moderati ad acqua: Principali filiere e relativi schemi di 2 impianto Nocciolo - Elementi di combustibile Vessel Pressurizzatore Generatore di vapore Pompe di circolazione ed alimentazione 3 Tipici componenti di un impianto elettronucleare 5 Ingegneria dei circuiti idraulici di un impianto nucleare 2 Elementi di progettazione delle Barre di controllo di un impianto nucleare 5 Elementi di progettazione di Vessel e contenitori in pressione 5 Elementi di progettazione del Pressurizzatore di un impianto nucleare 5 Elementi di progettazione delle Pompe di un impianto nucleare 5 Elementi di progettazione delle Valvole di un impianto nucleare Elementi di progettazione dello Scambiatore di Calore di un impianto 5 nucleare ESERCITAZIONI 2 Elementi di progettazione delle Barre di controllo di un impianto nucleare 2 Elementi di progettazione di Vessel e contenitori in pressione 2 Elementi di progettazione del Pressurizzatore di un impianto nucleare 3 Elementi di progettazione delle Pompe di un impianto nucleare 3 Elementi di progettazione delle Valvole di un impianto nucleare 3 TESTI CONSIGLIATI Elementi di progettazione dello Scambiatore di Calore di un impianto nucleare M. Cumo, Impianti Nucleari, UTET C. Lombardi, Impianti Nucleari, CUSL J. R. Lamarsh, Introduction to Nuclear Engineering, Addison&Wesley Dispense su alcuni degli argomenti del corso OBIETTIVI FORMATIVI DEL MODULO II Il modulo mira a formare un corpus di conoscenze di fisica del plasma propedeutiche allo studio delle funzioni e del comportamento dei principali componenti di un reattore a fusione nucleare. L attenzione sarà focalizzata sulle principali reazioni di fusione nucleare ipotizzate per lo sviluppo di reattori su scala industriale e sulle relative caratteristiche energetiche. Si introdurrà il concetto di plasma quale quarto stato di aggregazione della materia e se ne definiranno le principali grandezze fisico-matematiche che ne consentono la caratterizzazione del comportamento quali la funzione di distribuzione delle specie particellari, la temperatura assoluta nonché il tasso ed il parametro di reazione. Si esamineranno i principali processi collisionali tra particelle cariche in plasma, 9

10 introducendo il concetto di lunghezza di Debye e si appunterà l attenzione sull emissione di radiazioni di bremsstrahlung e di ciclotrone. Si procederà allo sviluppo dei modelli cinetici e dei modelli fluidi di un plasma, appuntando l attenzione su un modello semplificato di plasma omogeneo ed uniforme, che verrà applicato al caso di un plasma D-T. Infine, si introdurranno i concetti di break-even ed ignizione e se ne deriveranno i pertinenti criteri di Lawson. MODULO II INGEGNERIA DEI REATTORI A FUSIONE - I ORE FRONTALI LEZIONI FRONTALI 1 Reazione di fusione nucleare Cenni sulla dinamica di una reazione di fusione nucleare - Energia di soglia 1 Sezione d urto Il plasma Funzioni di distribuzione delle particelle, temperatura assoluta, 3 tasso di reazione e parametro di reazione Principio di quasi-neutralità del plasma Processi collisionali di particelle cariche Sezione d urto di scattering 2 elastico - Lunghezza di Debye Radiazioni di Bremsstrahlung e di ciclotrone Modello cinetico di un plasma Equazione del trasporto di Boltzmann 3 Equazione di Vlasov Modelli fluidi di un plasma Equazioni di continuità, della quantità di moto e 4 dell energia di una popolazione di particelle Tempi di confinamento Modello magnetoidrodinamico di un plasma Modello dinamico di un plasma omogeneo ed uniforme. Applicazione al caso 3 di plasmi D - T 2 Break-even ed ignizione: criteri di Lawson ESERCITAZIONI Il plasma Funzioni di distribuzione delle particelle, temperatura assoluta, 2 tasso di reazione e parametro di reazione Principio di quasi-neutralità del plasma Processi collisionali di particelle cariche Sezione d urto di scattering 1 elastico - Lunghezza di Debye Radiazione di Bremsstrahlung Modelli fluidi di un plasma Equazioni di continuità, della quantità di moto e 1 dell energia di una popolazione di particelle Tempi di confinamento Modello magnetoidrodinamico di un plasma Modello dinamico di un plasma omogeneo ed uniforme. Applicazione al caso 3 di plasmi D - T 1 Break-even ed ignizione: criteri di Lawson T. Dolan, Fusion Research Vol. I-III, Pergamon Press, 1982 TESTI Harms et alii, Principles of Fusion Energy, World Scientific, 2000 CONSIGLIATI F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Plenum Press, 1984 OBIETTIVI FORMATIVI DEL MODULO III Il modulo mira a fornire una panoramica delle principali problematiche ingegneristiche connesse allo sviluppo di reattori a fusione nucleare, analizzandone i principali componenti e le pertinenti funzioni e condizioni di sollecitazione. L attenzione sarà focalizzata sul confinamento del plasma e sulle relative metodologie con particolare riferimento al confinamento inerziale ed a quello magnetico. Per quanto concerne il primo se ne studierà il bilancio energetico, definendo l energia di compressione. Per quanto attiene al secondo si studierà il moto di una particella carica in un campo elettromagnetico in presenza di 10

11 campi esterni, evidenziandone i moti di deriva e gli invarianti del moto. Si analizzeranno le caratteristiche e la stabilità dei sistemi di confinamento magnetico aperti e chiusi, con particolare attenzione ai reattori TOKAMAK. Successivamente si studieranno i principali componenti di un reattore TOKAMAK, quali i magneti, il blanket ed i componenti ad alto flusso, e si studieranno le interazioni plasma parete e la dinamica del trizio in un reattore di tal tipo. MODULO III ORE FRONTALI INGEGNERIA DEI REATTORI A FUSIONE - II LEZIONI FRONTALI Confinamento del plasma Confinamento elettrostatico Confinamento gravitazionale - Confinamento inerziale Confinamento magnetico Metodo di confinamento inerziale Parametro ρ-r Bilancio energetico ed energia di compressione Metodo di confinamento magnetico: Moto di una particella carica in un campo elettromagnetico Moti di deriva dovuti a campi esterni, campi variabili in intensità ed in direzione Invarianti del moto Sistemi di confinamento magnetico aperti pressione cinetica e magnetica Specchi magnetici - Instabilità Sistemi di confinamento magnetico chiusi Campi toroidali e poloidali Macchina TOKAMAK: confinamento delle particelle, equilibrio e stabilità Macchina Stellarator Principali componenti di un reattore di tipo TOKAMAK: magneti, blanket e componenti ad alto flusso Interazioni plasma parete ed effetto delle impurità 3 Modelli per la dinamica del trizio - Tritium breeding 1 Reattori JET, ITER e DEMO ESERCITAZIONI 1 1 Metodo di confinamento inerziale Parametro rho-r Bilancio energetico ed energia di compressione Metodo di confinamento magnetico: Moto di una particella carica in un campo elettromagnetico Moti di deriva dovuti a campi esterni, campi variabili in intensità ed in direzione Invarianti del moto Sistemi di confinamento magnetico aperti pressione cinetica e magnetica 1 Specchi magnetici - Instabilità Sistemi di confinamento magnetico chiusi Campi toroidali e poloidali 1 Reattori TOKAMAK e Stellarator: confinamento, equilibrio e stabilità Principali componenti di un reattore di tipo TOKAMAK: magneti, blanket e 1 componenti ad alto flusso Interazioni plasma parete ed effetto delle impurità 2 Modelli per la dinamica del trizio - Tritium breeding TESTI CONSIGLIATI T. Dolan, Fusion Research Vol. I-III, Pergamon Press, 1982 Harms et alii, Principles of Fusion Energy, World Scientific, 2000 F. Chen, Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion, Plenum Press,

12 FACOLTÀ Ingegneria ANNO ACCADEMICO 2010/2011 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE Ingegneria Energetica e Nucleare INSEGNAMENTO Laboratorio di Misure Nucleari TIPO DI ATTIVITÀ Caratterizzante AMBITO DISCIPLINARE Ingegneria Energetica e Nucleare CODICE INSEGNAMENTO ARTICOLAZIONE IN MODULI NO NUMERO MODULI SETTORI SCIENTIFICO DISCIPLINARI ING-IND/20 DOCENTE RESPONSABILE SALVATORE RIZZO PROF. ORD. Università Degli Studi Di Palermo CFU 6 NUMERO DI ORE RISERVATE ALLO STUDIO PERSONALE 90 NUMERO DI ORE RISERVATE ALLE 60 ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ - ANNO DI CORSO I SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE Consultare il sito LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA Attività didattica Ore Lezioni frontali 60 Esercitazioni 30 Laboratorio 10 MODALITÀ DI FREQUENZA Obbligatoria METODI DI VALUTAZIONE Prova Orale TIPO DI VALUTAZIONE Voto in trentesimi PERIODO DELLE LEZIONI Secondo semestre CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ Consultare il sito DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI martedì e giovedì STUDENTI Risultati di apprendimento attesi Conoscenza e capacità di comprensione Lo studente, al termine del corso, dovrà avere maturato competenze teoriche e ingegneristiche avanzate nel campo della modellazione delle misure nucleari, della progettazione di semplici circuiti per il funzionamento di catene di conteggio e nella progettazione di programmi per l analisi dei dati. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente dovrà essere capace di realizzare e applicare programmi modellazione delle misure nucleari, realizzare semplici circuiti per il funzionamento di catene di conteggio e programmi per l analisi dei dati. Autonomia di giudizio 12

13 Lo studente sarà in grado di verificare l attendibilità dei risultati e gestire eventuali disfunzioni. Abilità comunicative Lo studente sarà capace di risolvere e modellare problematiche complesse per la progettazione dei sistemi utili per la progettazione dei circuiti o dei programmi di interesse. Capacità d apprendimento Lo studente sarà in grado di approfondire tematiche complesse riguardanti l interazione dei neutroni, dei gamma e degli elettroni con i vari materiali simulati nonché il funzionamento dei vari componenti elettronici. OBIETTIVI FORMATIVI Obiettivo del corso è approfondire alcune tematiche inerenti la modellazione nel campo delle misure nucleari con metodi Montecarlo. Obbiettivi sono inoltre lo studio e la realizzazione di semplici circuiti per il funzionamento di una catena di conteggio e la realizzazione di programmi per l analisi dei dati. LEZIONI FRONTALI 10 Introduzione al corso. La modellazione con metodi Montecarlo. 20 Applicazione delle tecniche Montecarlo al la simulazione delle misure nucleari. Rivelazione dei raggi gamma emessi da sorgenti di varie geometrie con diversi rivelatori a oscillazione ed a semiconduttore. Determinazione di varie grandezze, quali flusso e dose dei neutroni emessi da sorgenti di varie geometrie immersi i vari materiali. 15 Progettazione della catena di conteggio da realizzare, scelta dei componenti. Studio delle loro caratteristiche di funzionamento.. 15 Linguaggi di programmazione e caratteristiche del programma di analisi dei dati da realizzare. 15 ESERCITAZIONI pratiche Realizzazione dei programmi e verifica sperimentale dei risultati 15 ESERCITAZIONI PRATICHE Stesura e prova del programma. Valutazione dei risultati. 10 LABORATORIO: Realizzazione del circuito di funzionamento della catena di rivelazione e prova delle prestazioni. TESTI CONSIGLIATI MCNP/MCNPX: manuale d uso. Appunti del docente 13

14 FACOLTÀ Ingegneria ANNO ACCADEMICO CORSO DI LAUREA MAGISTRALE Ingegneria Energetica e Nucleare INSEGNAMENTO Macchine e sistemi energetici TIPO DI ATTIVITÀ Caratterizzante AMBITO DISCIPLINARE Ingegneria Energetica e Nucleare CODICE INSEGNAMENTO ARTICOLAZIONE IN MODULI SI NUMERO MODULI 2 SETTORI SCIENTIFICO DISCIPLINARI ING-IND/08 DOCENTE RESPONSABILE (MODULO 1) DOCENTE COINVOLTO (MODULO 2) CFU 9 14 Stefano Beccari Docente a contratto Università di Palermo NUMERO DI ORE RISERVATE ALLO 135 STUDIO PERSONALE NUMERO DI ORE RISERVATE ALLE 90 ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ Nessuna ANNO DI CORSO 1 SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE Consultare il sito LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA Lezioni frontali, Esercitazioni in aula MODALITÀ DI FREQUENZA Obbligatoria METODI DI VALUTAZIONE Prova Orale, Prova Scritta TIPO DI VALUTAZIONE Voto in trentesimi PERIODO DELLE LEZIONI Secondo semestre CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ Consultare il sito DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI Venerdì dalle ore 15 alle ore 19 STUDENTI RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI Conoscenza e capacità di comprensione Lo studente, al termine del corso, conoscerà le problematiche inerenti il funzionamento delle macchine a fluido motrici all interno dei relativi impianti. Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente sarà in grado di abbinare le diverse tipologie di macchina a fluido a concreti casi ingegneristici. Autonomia di giudizio Lo studente sarà in grado di interpretare il corretto modo di funzionamento della macchina prescelta per la singola applicazione, privilegiando di volta in volta la soluzione più appropriata. Abilità comunicative Lo studente acquisirà la capacità di comunicare ed esprimere problematiche inerenti l oggetto del

15 corso. Sarà in grado di sostenere conversazioni su tematiche energetiche ed impiantistiche sia per quanto riguarda le macchine termiche che quelle idrauliche. Capacità d apprendimento Lo studente avrà appreso le interazioni tra le tematiche energetiche e le problematiche realizzative delle macchine, e questo gli consentirà di proseguire gli studi ingegneristici con maggiore autonomia e discernimento. OBIETTIVI FORMATIVI La conoscenza adeguata degli aspetti metodologici-operativi relativi agli argomenti oggetto del corso e la capacità di utilizzare tale conoscenza per interpretare e descrivere i problemi dell'ingegneria. ORE FRONTALI LEZIONI FRONTALI Richiami sulle applicazioni del teorema di Bernoulli. Richiami di termodinamica delle macchine: il primo principio della termodinamica in ottica lagrangiana ed euleriana (quest ultima utile allo studio del moto dei fluidi in regime permanente); trasformazioni termodinamiche di interesse tecnico; Equazione di Eulero. Impianti motori idraulici per la produzione di energia elettrica: elementi principali dell impianto (condotta forzata, organi della regolazione, turbina, alternatore); rendimenti caratteristici dell impianto e potenze ottenibili; le tipologie di turbine idrauliche e la loro classificazione: triangoli delle velocità; rendimenti e potenze; caratteristiche di funzionamento e curve di regolazione, similitudine di funzionamento, scelta della macchina e diagramma di Balje. Studio del moto isentropico di un fluido comprimibile in un condotto fisso a sezione variabile (ugello di De-Laval). Portata critica ed eventi dissipativi (urti). Metodi di regolazione delle turbine a vapore. Impianti a vapore cogenerativi (produzione di energia elettrica e calore) e relativa regolazione. Le turbine a fluido comprimibile: triangoli delle velocità di stadi assiali ad azione e a reazione; condizioni ottime di funzionamento nel caso ideale e nel caso reale (dissipazioni per attrito fluidodinamico); rendimenti e potenze. Motori alternativi a combustione interna: cicli termodinamici di riferimento (Otto, Diesel), ciclo indicato e p mi, rendimenti e consumo specifico, coefficiente di riempimento, Potenza e p me, curve caratteristiche di funzionamento. Propulsori aerospaziali: Turboelica, Turboreattori semplici e a doppio flusso, Esoreattori ed Endoreattori. Spinta, Potenza e rendimento. ESERCITAZIONI 6 Dimensionamento ed esercizio delle turbine idrauliche e dei relativi impianti. 3 Regolazione di impianti cogenerativi. 6 Turbine a vapore ad azione e a reazione. Cicli termodinamici e prestazioni di motori ad accensione comandata e ad 3 accensione per compressione. 6 Turboreattori ed Endoreattori. TESTI CONSIGLIATI G. Cornetti Macchine Idrauliche, edizioni Il Capitello, Torino, G. Cornetti Macchine Termiche, edizioni Il Capitello, Torino,

16 FACOLTÀ INGEGNERIA ANNO ACCADEMICO 2010/2011 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE Ingegneria Energetica e Nucleare INSEGNAMENTO Metodi Matematici e Calcolo Numerico TIPO DI ATTIVITÀ Affine AMBITO DISCIPLINARE Matematica, Informatica, Statistica CODICE INSEGNAMENTO ARTICOLAZIONE IN MODULI NO NUMERO MODULI SETTORI SCIENTIFICO DISCIPLINARI MAT/08 (Analisi Numerica) DOCENTI Nome e Cognome: Elisa Francomano Qualifica: P.A. Università di appartenenza: Università degli Studi di Palermo CFU 6 NUMERO DI ORE RISERVATE ALLO STUDIO PERSONALE NUMERO DI ORE RISERVATE ALLE ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ ANNO DI CORSO SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA MODALITÀ DI FREQUENZA METODI DI VALUTAZIONE TIPO DI VALUTAZIONE PERIODO DELLE LEZIONI CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI STUDENTI Calcolo I, Calcolo II I Consultare il sito Lezioni frontali, Esercitazioni in aula Facoltativa Prova Orale, Prova Scritta Voto in trentesimi Primo semestre Consultare il sitowww.ingegneria.unipa.it Ogni giorno previo appuntamento RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI Conoscenza e capacità di comprensione: Lo studente al termine del corso avrà compreso il ruolo della matematica computazionale nell analisi dei fenomeni del mondo reale e nella risoluzione dei problemi delle discipline scientifiche e tecniche. Avrà maturato conoscenza delle metodologie matematiche e numeriche alla base delle scienze applicate. Saprà distinguere nel processo di risoluzione di un problema del mondo reale la fase della modellizzazione matematica del problema, la fase della discretizzazione del modello continuo, la fase relativa all individuazione di un metodo risolutivo e all analisi dell efficienza del metodo e infine sarà in grado di realizzare schemi logici dei metodi trattati per la loro esecuzione automatica. Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Lo studente sarà in grado di utilizzare gli opportuni strumenti della matematica computazionale relativamente all analisi degli errori del calcolo scientifico, alla risoluzione di sistemi di equazioni, alla approssimazione di funzioni, alla risoluzione discreta di integrali definiti e di equazioni differenziali. Saprà valutare la buona posizione e il condizionamento di un problema, la stabilità di un algoritmo e la sua complessità 16

17 computazionale. Sarà capace di procedere nella ricerca e formulazione di algoritmi efficienti. Autonomia di giudizio: Lo studente sarà capace di individuare tra le metodologie proposte quella più adeguata ai dati relativi al problema da risolvere. Sarà capace di interpretare i dati del problema in studio, i risultati della computazione e l efficacia del solutore matematico applicato. Abilità comunicative: Lo studente acquisirà la capacità di comunicare ed esprimere problematiche inerenti l oggetto del corso. Sarà in grado di argomentare a sostegno degli algoritmi ideati e valutare criticamente la risposta ottenuta dall utilizzo del software impiegato. Capacità d apprendimento: Lo studente avrà acquisito le competenze basilari della matematica computazionale necessarie a proseguire gli studi ingegneristici con maggiore autonomia e discernimento. OBIETTIVI FORMATIVI Il corso si articola nella trattazione dei temi fondamentali della modellizzazione matematica numerica di problemi ingegneristici. Gli argomenti vengono affrontati sia dal punto di vista teorico che algoritmico con analisi critica dei risultati ottenuti. Il corso introduce all approssimazione di funzioni mediante processi interpolatori e con metodi di minimizzazione; si studiano processi per la risoluzioni di sistemi di equazioni lineari e non lineari, formule di quadratura numerica e i processi risolutivi per le equazioni differenziali ai valori iniziali. Si daranno concetti basilari di programmazione in linguaggio evoluto. ORE FRONTALI LEZIONI FRONTALI 5 Errore assoluto ed errore relativo. Propagazione dell errore inerente. Errore assoluto e relativo riguardante le operazioni aritmetiche. Condizionamento di un problema e stabilità di un algoritmo. Valutazione del costo computazionale. 5 Formule di interpolazione polinomiale. Differenze finite e differenze divise. 7 Approssimazione mediante processo dei minimi quadrati. Approssimazione trigonometrica. Polinomi Ortogonali. Minimi quadrati, caso continuo e caso discreto. 8 Integrazione numerica di funzioni: formule di quadratura interpolatorie Formule di Newton Cotes. Formule composite. Estrapolazione di Richardson. Integrazione di Romberg. 10 Metodi per la risoluzione di sistemi lineari- Metodi diretti e metodi iterativi- Metodi numerici per l approssimazione di autovalori. 5 Risoluzione numerica di equazioni differenziali ordinarie: il problema di Cauchy. Metodi numerici ad un passo. Formule di Runge Kutta. Consistenza, stabilità e convergenza dei metodi one step. 5 Risoluzione di equazioni non lineari: metodo di bisezione, metodi delle corde, secanti, tangenti,regula falsi. Il metodo di iterazioni di punto fisso. Il metodo di Newton. Criteri di arresto. Risoluzione di sistemi non lineari: metodo di Newton e metodi di punto fisso. ESERCITAZIONI 15 Esercizi ed applicazioni sui processi numerici studiati. TESTI CONSIGLIATI A. Quarteroni Matematica numerica - Springer G. Monegato Fondamenti di Calcolo Numerico CLUT Torino R. Bevilacqua, D.Bini, M. Capovani, O. Menchi Metodi Numerici Zanichelli. 17

18 FACOLTÀ Ingegneria ANNO ACCADEMICO CORSO DI LAUREA MAGISTRALE INGEGNERA ENERGETICA E NUCLEARE INSEGNAMENTO Misure Termofluidodinamiche TIPO DI ATTIVITÀ Caratterizzante AMBITO DISCIPLINARE Ingegneria Energetica e Nucleare CODICE INSEGNAMENTO ARTICOLAZIONE IN MODULI NO NUMERO MODULI 1 SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE ING-IND/10 - FISICA TECNICA INDUSTRIALE DOCENTE RESPONSABILE Da designare CFU 6 NUMERO DI ORE RISERVATE ALLO 100 STUDIO PERSONALE NUMERO DI ORE RISERVATE ALLE 48 ATTIVITÀ DIDATTICHE ASSISTITE PROPEDEUTICITÀ Fisica Tecnica, Termofluidodinamica ANNO DI CORSO I SEDE DI SVOLGIMENTO DELLE Consultare il sito LEZIONI ORGANIZZAZIONE DELLA DIDATTICA Esercitazioni sperimentali in laboratorio precedute da Lezioni frontali.. MODALITÀ DI FREQUENZA Obbligatoria METODI DI VALUTAZIONE Presentazione di una Tesina + Prova Orale TIPO DI VALUTAZIONE Voto in trentesimi. PERIODO DELLE LEZIONI Secondo semestre CALENDARIO DELLE ATTIVITÀ Consultare il sito DIDATTICHE ORARIO DI RICEVIMENTO DEGLI Consultare il sito STUDENTI RISULTATI DI APPRENDIMENTO ATTESI Conoscenza e capacità di comprensione Lo scopo del corso è quello di fornire agli allievi una conoscenza teorica pratica della strumentazione e della tecnica nel campo delle misure e delle regolazioni termotecniche e fluidodinamiche. Lo studente, al termine del corso, avrà acquisito conoscenze di base sulle strumentazione e sulle tecniche e dispositivi di attuazione nel campo delle misure e delle regolazioni termotecniche e fluidodinamiche. Sarà in grado di individuare, comprendere ed analizzare le problematiche che si possono presentare nella sperimentazione, sia in laboratorio che in campo, e saprà dare loro soluzione Capacità di applicare conoscenza e comprensione Lo studente avrà acquisito conoscenze e metodologie da applicare per analizzare e risolvere casi tipici: a) delle misure di temperatura, velocità di fluidi, pressione, umidità, conduttanza termica, trasmittanza termica, calore specifico, titolo di vapore, necessarie nelle prove, 18

19 verifiche e collaudi di componenti ed impianti termici; b) delle misure e delle regolazioni termofluidodinamiche nell ambito della sperimentazione a fini scientifici in laboratori in tali settori di ricerca. Avrà acquisito conoscenze approfondite e pratiche sui sistemi di acquisizione di dati e sulla elaborazione delle grandezze rilevate. Avrà acquisito conoscenze approfondite e pratiche sui principali sistemi e dispositivi per la regolazione nel compo della termofluidodinamica. La maggior parte delle sperimentazioni viene svolta nella forma di tesina curata direttamente dagli allievi. Autonomia di giudizio Lo studente potrà trattare con competenza ed autonomia di giudizio problematiche connesse con la acquisizione di grandezze termofluidodinamiche. Abilità comunicative Lo studente sarà in grado di relazionare con competenza e proprietà sia in veste di esecutore di sperimentazioni termofluidodinamiche che in veste di supervisore di gruppi di lavoro o responsabile di tale attività. Capacità d apprendimento Lo studente avrà acquisito un ampia maturazione nell affrontare in ragionevole autonomia problematiche nuove attinenti alla rilevazione e gestione di misurazioni e delle regolazioni termofluidodinamiche. OBIETTIVI FORMATIVI Lo scopo del corso è quello di fornire agli allievi una conoscenza teorica pratica della strumentazione e della tecnica nel campo delle misure e regolazioni termotecniche e fluidodinamiche. Lo studente, al termine del corso, avrà acquisito conoscenze di base sulle strumentazioni e sviluppato, attraverso la pratica di laboratorio, le più comuni tecniche nel campo delle misure e delle regolazioni termotecniche e fluidodinamiche Sarà in grado di individuare, comprendere ed analizzare le problematiche che si possono presentare nella sperimentazione, sia in laboratorio sia in campo, e possiederà gli strumenti per potere sapere individuare e dare soluzione anche a casi al di fuori dell usuale. ORE FRONTALI 19 LEZIONI FRONTALI 10 Termometria - Il sistema Internazionale di Misure in termotecnica - Scale di temperatura - Il sistema I.P.F.S. - Metodi di misura della temperatura - Termometria a gas - Termometri a dilatazione - Termometri a tensione di vapore - Termocoppie - Termoresistenze - Termistori - Pirometri a radiazione integrale - Pirometri a radiazione specifica - Pirometri ottici - Affidabilità e precisione nelle misure di temperature - Accorgimenti nelle misure di temperatura - Particolari costruttivi - Criteri di montaggio - Taratura dei misuratori di temperatura - Metodi di elaborazione dei segnali - Registratori termometrici - Registrazione di dati - Sistemi automatici di acquisizione e di elaborazione di dati - Metodi fotografici. Principi e sistemi nel campo della regolazione della temperatura. 5 Anemometria- Anemometri - Misure di velocità in fluidi a densità costante o variabile - Anemometria a filo caldo in correnti monoassiali e correnti

20 triassiali - Principi e sistemi nel campo della regolazione della velocità di correnti fluide. Metodi ottici in termofluidodinamica: Shadowgraphia - Schileren - Anemometria laser doppler. 3 Flussimetria - Misuratori volumetrici - Diaframmi - Boccagli - Venturimetri - Rotametri - Taratura e normativa dei misuratori di portata - Registratori di portata. Principi e sistemi nel campo della regolazione della portta. di correnti fluide. 3 Calorimetria industriale - Misura dei calori specifici - Misura del titolo di vapore - Misure di conduttività termica su materiali buon conduttori - Misure di conduttività termica sui materiali isolanti e da costruzione - Misure del potere calorifico 3 Manometria - Manometri a liquido, metallici, elettrici, vacuometri - Taratura manometri e vacuometri - Criteri di installazione e impiego. Principi e sistemi nel campo della regolazione della pressione. 3 Igrometria - Psicrometri - Igrometri - Criteri di installazione ed impiego - Registratori igrometrici - Misure di permeabilità al vapore acque nei materiali da costruzione. Principi e sistemi nel campo della regolazione della Umidità relativa ed associata 3 Apparecchi per il controllo della combustione-misure occorrenti negli impianti di combustione - Apparecchi per il rilievo e la registrazione dei prodotti da una combustione - Normativa per il controllo della combustione nella prevenzione dello inquinamento atmosferico. Principi e sistemi nel campo della regolazione degli impianti di generazione di calore per combustione. Tot 30 ESERCITAZIONI 6 Termometria 5 Anemometria Metodi ottici in termofluidodinamica: 2 Flussimetria 1 Calorimetria industriale 2 Manometria 2 Igrometria Tot 18 TESTI CONSIGLIATI Testi di riferimento: - Dispense del corso - V. Preobrazensky: "Measurement & Instrumentation in Heat Engineering - Doebelin : "Measurement Sistems" Testi per consultazioni - Michelini, Cappello : "Misure e strumentazioni industriali" - Angeleri : "Misure e regolazioni termotecniche" 20