La ricerca innovativa

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1 L INGEGNERE E LE ATTIVITÀ NUCLEARI: STATO, PROSPETTIVE E CRITICITÀ Inserire il titolo dell incontro (es. corso di aggiornamento ) sottotitolo o riferimento normativo La ricerca innovativa Ing. Massimo Sepielli Dirigente di Ricerca dell ENEA 4 marzo 2014

2 Curriculum Vitae - Perito nucleare (1977) - Dottore in Ingegneria nucleare (1983) - Abilitato (1984) - Iscrizione all Ordine (1984) - Specializzato Sicurezza impianti nucleari e radioprotezione (1987) - Membro OdI di Commissione Esami di Stato - ENEA (1983) - Dipartimento Reattori termici - Dipartimento Energia - Calcolo e modellistica - Grande Servizio Paese 2 RAD - Dipartimento Fusione e Presidio Nucleare - Direttore di Ricerca (2010) UT Fissione Tecnologie e Gestione Materiale nucleare - Esercente reattori Triga e Tapiro e DdL - Delegato Italiano GB SNETP (CE-Euratom) - Presidente SC1 UNICEN - Italian Officer NEA - Commissione I&C IAEA Ing. Massimo Sepielli L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 4

3 Indice degli argomenti: L ingegnere «nucleare» e la ricerca La multidisciplinarietà dell ingegneria nucleare Gli strumenti dell ingegnere della ricerca Gli Enti di ricerca, l industria, le istituzioni pubbliche, Università, l Autorità Le modalità della ricerca La ricerca nel settore nucleare: energetica e non Criticità Conclusioni L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 5

4 L ingegnere «nucleare» nel mondo della ricerca L ingegnere nucleare fra i ricercatori (fisici nucleari, chimici, biologi, ecc.) L ingegnere e i tecnici di laboratorio L ingegnere e gli amministrativi (contratti, appalti, disposizioni, ecc.) L ingegnere e l organico (assunzioni, progressioni, ecc.) L ingegnere e i progetti di ricerca nazionali (accordi di programma ministeriali) progetti Europei, la gestione di commesse di ricerca L ingegnere Datore di Lavoro Dirigente per la Sicurezza (81/2008) L ingegnere, gli impianti ed i laboratori di ricerca (gestione, manutenzione, forniture, ecc.) L ingegnere e la protezione dalle radiazioni ionizzanti (D.Lgs. 230/95, medici competenti, esperti qualificati, autorità di controllo, piani di emergenza) L ingegnere e gli organismi internazionali (IAEA, NEA, Commissione) L ingegnere e la security nucleare (trattati internazionali e multilaterali) L ingegnere e la Direzione di Cantiere per lavori nell Istituto L ingegnere nucleare ricercatore e l Ordine degli ingegneri? L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 6

5 Gli strumenti dell ingegnere nucleare nella ricerca Codici di calcolo, modellistica e simulazione (neutronica, termoidraulica, CFD) Reti di calcolo (GARR, CRESCO) Banche dati nazionali ed internazionali (NEA, ENEA, ISPRA) I trattati internazionali (Atomi per la pace, Euratom, Security internazionale) Standard nazionali ed internazionali (IAEA, ENSREG, WENRA, G.T. ISPRA) Documenti di strategia (SET-Plan, SRIA, SRA) Punti di Contatto e reti nazionali ed internazionali Recepimento Direttive EC (70/2011, 71/2011) Leggi e Decreti sicurezza e radioprotezione (81/2008, 230/95, 31/2010, ) Contratto collettivo di lavoro Normativa UNICEN, ASME, AFNOR / AFCEN Network e riviste tecniche e informative Bandi nazionali ed internazionali ( Disposizioni, circolari ministeriali e di Istituto Codice Contratti e Appalti, Direzione lavori (D.Lgs. 163/2006), MEPA, CONSIP Sinergia con Ordini professionali competenti L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 7

6 La multidisciplinarietà dell ingegneria nucleare Nucleare Energetica Fisica Fisica tecnica Civile costruzioni Meccanica Elettrotecnica Elettronica Chimica Radioprotezione Impianti Controlli Ambientale Gestionale economia Sintesi Analisi Flessibilità Senso del Gruppo Internazionalizzazione L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 8

7 L ingegnere nucleare ricercatore e i soggetti con cui si interfaccia ENEA, CNR, INFN, INGV, ISPRA, ISS, RSE, Ansaldo Nucleare, Enel, Sogin, NUCLECO, Operatori S.I., SME, Fornitori componenti PdC, MiSE, MIUR, MATTM, MAE, Prefetture, DIFESA, Enti locali, VV.FF. CASSA CONGUAGLIO RSE, AEEG ISPRA Dipartimento nucleare ISIN?, ISPESL, UNI CIRTEN (ROMA1, UNIPI, UNIBO, POLIMI, POLITO, UNIPV, UNIPD, UNIPA) IAEA, NEA, UE, bilaterali (F, USA, Fed. Russa, Cina, ecc.) L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 9

8 I modi della ricerca I contributi dello Stato Gli accordi di programma (MiSE-RSE) I bandi (MIUR Regioni) I fondi coesione I FP progetti Europei I servizi tecnologici Gli accordi di cooperazione internazionale (IAEA, bilaterali) Le piattaforme, i comitati, i gruppi di lavoro L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 10 4 marzo 2014 pag. 10

9 La ricerca nucleare La ricerca energetica e non energetica Energetica: fissione e fusione Non energetica Fissione: Sicurezza dei reattori in operazione (Gen II) Progettazione reattori Gen III e IV, Chiusura ciclo combustibile (SF & WM) Fusione: calda e fredda Fisica nucleare (infrastrutture di irraggiamento n, gamma) Radiochimica Radioprotezione Metrologia Radiomedicina (radiofarmaci, BNCT, traccianti diagnostica e radioterapia) Effetti delle radiazioni sugli esseri viventi (Biorad) Applicazioni delle radiazioni in agricoltura Applicazioni della radiazioni in industria Gestione dei rifiuti radioattivi non da ciclo combustibile Security L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 11 4 marzo 2014 pag. 11

10 La ricerca nucleare energetica La fissione L evoluzione tecnologica Gli incidenti La sicurezza Le nuove generazioni di reattori Il ciclo del combustibile Lo smaltimento L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 12 4 marzo 2014 pag. 12

11 FISSIONE NUCLEARE L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 13

12 L EVOLUZIONE TECNOLOGICA e LA STORIA ITALIANA ISPRA-1 GARIGLIANO LATINA TRINO CAORSO MONTALTO CISE->CNRN (1952)-> CIRENE - PEC CNEN 1960)-> ENEA (1982)-> 2013?????

13 Seconda generazione, tecnologia occidentale L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 17

14 Three Mile Island (1979) Tipologia PWR Sequenza incidentale: Blocco della portata di alimentazione ai generatori di vapore nel circuito secondario Blocco del circuito primario con aumento di pressione e apertura valvola PORV con SCRAM La valvola rimase aperta e gli operatori non si accorsero di ciò. Il primario si svuotò parzialmente provocando una fusione parziale del nocciolo Nessuna fuga radioattiva Scala INES, LIVELLO 5 L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 18

15 Seconda generazione, tecnologia ex-urss L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 19

16 Chernobyl (1986) Tipologia RBMK Sequenza incidentale: Si voleva verificare se il generatore poteva alimentare le pompe d acqua che raffreddano il reattore in caso di perdita di potenza Si tolse potenza troppo rapidamente, producendo isotopi di Xe che avvelenarono il reattore Come risposta le barre di controllo furono alzate per stimolare la reazione La diminuita velocità di raffreddamento delle pompe portò alla creazione di vapore che incrementò la potenza del reattore La temperatura salì così rapidamente che non fu possibile inserire per tempo le barre di controllo per arrestare la fusione del nocciolo Esplosione del tetto, la violentaimmissione di ossigeno causò un incendio che sparse il materiale radioattivo su una grande aerea Scala INES, LIVELLO 7 L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 20

17 Gli eventi estremi: Fukushima L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 21

18 Fukushima Daichii (2011) Sequenza incidentale: Sisma di magnitudo 9.0, seguito da uno Tsunami di 14 m (altezza max di progetto 7m) Impianto elettrico allagato 1/10 della radiazione rilasciata a Chernobyl Scala INES, LIVELLO 7 L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 4 marzo 2014 pag. 22

19 Sequenza eventi secondo AREVA (RV/CV) Stima finale della frazione di nocciolo danneggiato nei reattori della centrale di FukushimaDai ichi Unità 1 70% Unità 2 30% Unità 3 25%

20 La ricerca per la sicurezza Stress test su tutti gli impianti Europei Safety guides ENSREG / WENRA / IAEA / NEA Analisi incidentali (simulazione e codici) Eventi estremi (BDBA) e impatto ambientale Sistemi di sicurezza attivi e passivi Sistemi mobili FP7 e H2020 L ingegnere e le attività nucleari - La ricerca innovativa 24 4 marzo 2014 pag. 24

21 LA TERZA GENERAZIONE I REATTORI EVOLUTIVI APR-1400 (KEPCO KOREA) EPR AREVA (EDF-ENEL) AP1000 (W-Ansaldo) ABWR / ESBWR AVVER PWR che si basa sull esperienza trentennale di sistemi della Generazione II Tempi brevi di costruzione Sicurezza intrinseca Error-proven Arricchimento più elevato Fermate più rare e tempi di fermata più brevi Più economico: 1.5 M /Mw Costo kwh: 3 c (carbone) Tempo di costruzione: 50 Mesi Fattore di carico: 85 % Vita: 60 anni

22 IL REATTORE PRESSURIZZATO A SISTEMI ATTIVI: EPR

23 IL REATTORE PRESSURIZZATO PASSIVO

24 Come funziona la sicurezza passiva (RV)

25 Come funziona la sicurezza passiva (CV)

26 SANMEN AP1000, time lapse

27 Varo del Lomonosov Propulsione Navale: verso gli SMR e la Gen III+ / IV Reattori Piccoli & Modulari (SMR) utilizzati sin dagli albori dell era nucleare per la propulsione navale militare Sottomarino USS Nautilus [SSN-571] (1955) Portaerei USS Enterpirse [CVN-65] (1960) Impianto propulsivo basato su Reattori ad Acqua Pressurizzata (PWR) di piccola taglia Potenza (termica) MWth Range di navigazione sommersa/emersa praticamente illimitato (refueling ogni anni) Primo reattore USA per la produzione commerciale di energia elettrica derivato dal reattore del «Nautilus» «Shippingport» NPP (1958) Notevole esperienza accumulata, pari a quella del nucleare civile (ca anni/reattore) Nuovi reattori SMR russi, per la produzione di energia elettrica, derivanti da reattori per navi rompighiaccio Academician Lomonosov (2x32 MWe), in costruzione Shippingport NPP

28 LA TECNOLOGIA DI GENERAZIONE III avanzata I reattori piccoli e modulari 600 MWe Loop-Type PWR 58m 40m IRIS 335 MWe 25m Sicurezza - a progetto, intrinseca, error proven Economico - Prezzo competitivo dell elettricità Flessibili ed adattabili

29 LA TECNOLOGIA DI GENERAZIONE IV I 6 progetti del GIF Sostenibilità - Sfruttamento massimo del combustibile nucleare e minimizzazione dei rifiuti Non proliferazione - resistenza accumulo di Pu separato, riutilizzo completo del fissile Sicurezza ed economicità

30 I PROGRAMMI EUROPEI SNETP - ESNII ESNII The European Sustainable Nuclear Industrial Initiative October 2010 A contribution to the EU Low Carbon Energy Policy: Demonstration Programme for Fast Reactors

31 «UN REATTORE «ITALIANO» il reattore veloce a metallo liquido

32 ALFRED ENEA, coi fondi AdP 7 FP EC coordina gli sforzi R&D per la tecnologia LFR, principalmente per ALFRED: Partner principali: CIRTEN, FN, UNITV, CSM SpA 35 ricercatori, tecnici, personale ENEA coinvolto nel progetto 40 deliverables prodotti Sinergie FP7 progetto EC: o THINS o LEADER o SEARCH o MAXSIMA o MATTER o GETMAT ALFRED LFR Demonstrator Romania

33 Circuiti sperimentali Gas e Metalli Fluidi 37

34 La ricerca e la chiusura del ciclo nucleare: Spent fuel e radwaste management Ciclo chiuso Reattori veloci autofertilizzanti e burners Sistemi di partitioning e riprocessamento non proliferante (pirometallurgia) Sistemi di trattamento e condizionamento innovativi (concentrazione e riduzione volumi rifiuti liquidi LL - HLW e condizionamento in matrici stabili) ADS (Trasmutatori - Bruciatori) Depositi geologici (SNETP-IGDTP) 38

35 I rifiuti radioattivi Da: U. Spezia Caratteristiche tecniche, economiche e ambientali dell energia nucleare Seminario per i parlamentari Roma, 23 luglio 2008.

36 Radiotossicità relativa Prospettive a lungo termine (schema concettuale) Partitioning U Pu AM Reattore III gen Rifiuti a breve vita Residui a lunga vita Oppure ADS? Reattore veloce IV gen Fabbricazione Combustibile a U-Pu-AM U nat U depl Combustibile esausto Rifiuti a lunga vita Prodotti di Fissione Rifiuti a breve vita Deposito geologico Barriere naturali ~ anni Minerale di Uranio ~430 anni 1 O O Deposito superficiale Barriere artificiali 0, anni

37 Riprocessamento pirometallurgico Block diagram of the pyrochemical process

38 La strategia italiana sul piombo Le attività italiane di R&D negli impianti a metallo liquido pesante (HLM) iniziarono nei tardi anni 90 col progetto ADS (ENEA, ANSALDO, INFN). Nello scenario GEN-IV, il sistema italiano (ENEA + UNIs + Industries) è fortemente coinvolto nella tecnologia al piombo (LFR): MYRRHA: ENEA ANSALDO ALFRED: ENEA ANSALDO MERIVUS (TECNOMEC group FN CSM CIRTEN MYRRHA LFR Technology Pilot Project Belgium

39 Lo smaltimento dei rifiuti radioattivi Il Deposito Superficiale o sub superficiale è costituito da sole (o quasi)barriere artificiali (opere ingegneristiche), idonee a mantenere confinata la radioattività per un periodo relativamente breve (tipicamente inferiore a 1000 anni), comunque sufficiente al decadimento radioattivo. Il Deposito Geologico è costituito da barriere artificiali (opere ingegneristiche) e barriere naturali stabili (formazioni saline, argillose, granitiche, etc.), idonee a mantenere confinata la radioattività per un periodo relativamente lungo (superiore a diverse centinaia di migliaia di anni), sufficiente al decadimento radioattivo. La qualificazione dei depositi è effettuata (Performance Assessment) con lunghi studi ed approfondite analisi dei fenomeni di dispersione della radioattività attraverso le barriere protettive.

40 Smaltimento geologico Lo smaltimento in profondità dei rifiuti radioattivi a lunga vita ed alta attività e del combustibile irraggiato è attivamente avviato in Finlandia, Svezia, Stati Uniti, mentre altri Paesi (Francia, Giappone, Belgio, etc) sono in una fase di studio e di progetto molto avanzata (Laboratori Sotteranei). Le formazioni geologiche scelte sono principalmente i depositi salini, le sedimentazioni argillose e le rocce granitiche. Forsmark, Svezia Costruzione: Esercizio: Formazione di granito

41 Caratterizzazione delle formazioni geologiche Studio e qualificazione barriere geologiche, R&ST: ricerca geologica di base; ricerche mirate su specifici contesti geoscientifici (geologia regionale, idrogeologia, geologia strutturale, geomeccanica: ammassi rocciosi, formazioni saline di origine evaporitica e formazioni argillose); attività di studio in situ con Underground Research Laboratory (comportamento materiali ingegneristici, risposta allo stress e alle perturbazioni indotte dalla realizzazione ed dall esercizio, interazione rifiuto/formazione, caratterizzazione chimico-fisica, stabilità geodinamica e sismica, permeabilità idraulica e gassosa, conduttività termica, plasticità, adsorbimento/migrazione nuclidi, porosità, solubilità, proprietà meccaniche, capacità autosigillante, Andra, Dossier 2005 Concetti fondamentali: Passività del sistema; Sicurezza (radioattività ed antintrusione); Flessibilità e convenienza; Fattibilità; Reversibilità (periodo iniziale); Rispetto delle risorse (idriche, minerarie o altro).

42 Laboratori sotterranei Belgio, SCK.CEN, formazione argillosa Yucca Mountain, USA Studio impatto termico Germania Konrad, miniere di ferro; Gorleben, miniera di sale. France, Haute-Marne, Bure. Strato di argilla a 500 m, (di 150 milioni anni)