L energia nucleare. nuclear.org/info/reactors.htm.

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1 L energia nucleare Ernesto Pedrocchi Politecnico di Milano 1 SITI PER INFORMAZIONI SULL ENERGIA NUCLEARE html/general/fact.html nuclear.org/info/reactors.htm. 2

2 BREVE STORIA DELL'ENERGIA NUCLEARE Becquerel - Radioattività dell'uranio Curie - Studi sulla radioattività 1900/ Einstein, Rutherford e Heisenberg - Struttura dell'atomo 1930/ Chadwick, Fermi, Szilard, Strassmann, Bohr e Wigner -Fissione dell'uranio e reazione a catena Teller -L'uso militare Fermi -La pila atomica (Il primo reattore) Le bombe atomiche (Alamagordo, Hiroshima e Nagasaki) 1950/55- La polemica sulla bomba H (Teller ---Oppenheimer ) Il primo reattore di potenza americano Il primo reattore di potenza russo I sottomarini Three Mile Island Chernobyl 3 4

3 World primary energy consumption 5 Usi e contributi delle Energie Rinnovabili (Stime) 2000 TIPO ET % EE % Anno EP % Hydro (large-small) 17,5 6,5 Biomass and waste 9 1,0 10 Geothermal 0,1 0,4 0,5 Tide 0,1 0,1 Wind 0,1 0,0 Solar Photovoltaic 0,0 Thermal solar? 0,0 TOTAL?

4 PREVISIONI NB. In questo diagramma l energia idrica è computata come primaria 7 8

5 Rate of population increase Year World Population 1 billion 1.5 billion 2 billion 3 billion 4 billion 5 billion 6 billion Rate of Increase per year 1.0% 1.0% 1.7% 2.0% 1.8% 1.7% 1.3% 9 Popolazione mondiale [miliardi] 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Tasso di crescita annuo [%] Popolazione mondiale (miliardi) Crescita della popolazione mondiale 3,0% 2,8% 2,5% 2,3% 2,0% 1,8% 1,5% 1,3% 1,0% 0,8% 0,5% 0,3% 0 0,0% Anno

6 Electricity Production: Billion Kilowatt Hours (TWh) Increase Source: OECD/IEA 2000, Energy Statistics of Non-OECD countries, OECD % non-oecd % World % non OECD: former USSR % Africa % Latin America % Asia (exc( exc.. China) % China % Middle East % 11 I vincoli ai combustibili fossili LE RISERVE DI COMBUSTIBILI FOSSILI L EFFETTO SULL AMBIENTE 12

7 L energia nucleare in sintesi (ottobre 2005) 368 GW potenza elettrica installata 440 numero di reattori in funzione 23 numero di reattori in costruzione ( per 17 GW) 2620 TWh energia prodotta nel 2004 ( ~ 16% di EE ~6% di EP) 13 -The first commercial nuclear power stations started operation in the 1950s. -There are now some 441 commercial nuclear power reactors operating in 31 countries, with over 364,000 MWe of total capacity. -They supply 16% of the world's electricity, as base-load power, and their efficiency is increasing. -56 countries operate a total of 284 research reactors and a further 220 reactors power ships and submarines. 14

8 Japan outage Chernobyl TMI 15 16

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10 World Nuclear Power Reactors and Uranium Requirements 1 August 2005 NUCLEAR REACTORS REACTORS under REACTORS URANIUM REACTORS PLANNED ELECTRICITY OPERABLE CONSTRUCTION PROPOSED REQUIRED GENERATION 2004 July 2005 July 2005 July 2005 July billion kwh % e No. MWe No. MWe No. MWe No. MWe tonnes U Argentina Armenia Belgium Brazil Bulgaria Canada* China Czech Republic Egypt Finland France Germany Hungary India Indonesia Iran Israel Japan Korea DPR (North) Korea RO (South) Lithuania World Nuclear Power Reactors and Uranium Requirements 1 August 2005 Mexico Netherlands Pakistan Romania Russia Slovakia Slovenia South Africa Spain Sweden Switzerland Turkey Ukraine United Kingdom USA Vietnam WORLD , , , ,145 68,357 billion kwh % e No. MWe No. MWe No. MWe No. MWe tonnes U NUCLEAR URANIUM REACTORS ON ORDER or ELECTRICITY REACTORS BUILDING PROPOSED REQUIRE OPERATING PLANNED GENERATION 2004 D 20

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12 CONFRONTO DI POTENZA ED ENERGIA PRODOTTA IN UN ANNO DALLA FONTE NUCLEARE E DA ALCUNE FONTI RINNOVABILI FONTE Potenza Energia prodotta in un anno Tempo di funzionamento in un anno Nucleare 360 GW 2574 TWh 7150 h Geotermico 8 GW 50 TWh 6250 h Solare PH 2 GW 2 TWh 1000 h Eolica 30 GW 30 TWh 1000 h 23 Incidenza delle diverse fonti utilizzate per la produzione di energia elettrica 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Idro e altre Nucleare Biomasse Gas Petrolio Carbone 20% 10% 0% Austria Belgio Danimarca Finlandia Francia Germania Grecia Irlanda Italia Lussemburgo Olanda Portogallo Regno Unito Spagna Svezia USA Giappone Fonte: IEA Energy statistics of OECD countries

13 Il contributo delle varie fonti per la produzione di energia elettrica (2003) 25 26

14 REATTORI A FISSIONE REATTORI TERMICI Nucleo fissile U 235 (0,7% dell uranio naturale) Fabbisogno annuo 70*10 3 t Riserve accertate 4*10 6 t (durata ~ 60 anni) REATTORI AUTOFERTILIZZANTI Nuclei fissili artificiali U 233 da Th 232 Pu 239 da U 238 Inesauribile a prospettiva storica (molto studiati) 27 Le reazioni di fertilizzazione 92 U n +1n Np 239 +β 94 Pu 239 +β 90 Th n +1n Pa 233 +β 92 U 233 +β 28

15 Known Recoverable Resources of Uranium tonnes U 3 O 8 percent of world Australia 863,000 28% Kazakhstan 472,000 15% Canada 437,000 14% South Africa 298,000 10% Namibia 235,000 8% Brazil 197,000 6% Russian Fed. 131,000 4% USA 104,000 3% Uzbekistan 103,000 3% World total 3,107,

16 I problemi dell energia energia nucleare Le scorie radioattive La sicurezza L uso perverso La competitività economica 31 LE SCORIE RADIOATTIVE CLASSIFICAZIONE 1 a Cat Bassa attività e a vita breve (t 1/2 <30 anni, decadono in poche decine di anni) 2 a Cat Alta attività o a vita lunga (contengono nuclei radioattivi a vita media molto lunga, ma che contribuiscono a 1/ della reattività iniziale) 32

17 Confronto per l Impatto l Ambientale Centrale da 1000 MW 33 Confronto per l Impatto l Ambientale Centrale da 1000 MW funz h/y Oltre a 6 / 2 milioni di tonnellate di CO 2 e m 3 di ceneri per il carbone 34

18 LA PRODUZIONE DI SCORIE RADIOATTIVE DAI REATTORI t/y per tutti i reattori ora in funzione nel mondo t/y m 3 - di 1 a Cat (cubo di 30*30*30 m) t/y 2.000m 3 (7,5%)- di 2 a Cat (cubo di 12*12*12 m) Per produrre l energia elettrica necessaria a tutta la vita di un uomo di un paese avanzato 1000 cm 3 di scorie totali, 50 cm 3 di scorie di 2a Cat (una pallina da tennis). 35 Per un reattore da 1000 MW funz h/y (6,5 TWh/y 100 m 3 /y) a Cat 2a Cat m3 36

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20 39 La gestione del combustibile nucleare 40

21 Il trattamento delle scorie radioattive 41 LA SICUREZZA Protezione persone e dell ambiente Contenere le emissioni durante il normale funzionamento Prevenire ogni tipo di incidente Limitare i danni in caso di incidente (a priori non mai escludibile) 42

22 Le barriere di confinamento delle scorie radioattive nel combustibile dei reattori 43 I tipi di incidente 1. Aumento della reattività 2. Mancanza di raffreddamento 3. Rottura circuito primario 4. Rottura guaina del combustibile 44

23 Scala indicativa degli incidenti LIV DEF.NE CRITERI ESEMPI 7 Incidente molto grave Rilascio all'esterno di una grossa percentuale del materiale radioattivo contenuto in un impianto di grandi dimensioni diffuso in un'area molto vasta con conseguenze ambientali a lungo termine. Impianto nucleare di Chernobyl,URSS (oggi Rep.Ucraina) Incidente grave Rilascio all'esterno di materiale radioattivo attuazione delle contromisure del piano di emergenza esterno al fine di limitare gravi effetti sulla salute della popolazione. 5 Incidente con possibili conseguenze all'esterno dell'impianto 4 Incidente senza conseguenze significative all'esterno dell'impianto Rilascio limitato all'esterno di materiale radioattivo. Danneggiamento grave di un impianto nucleare.. Rilascio all'esterno di materiale radioattivo avente come conseguenza una dose di alcuni msv alla persona più esposta esternamente al sito. 3 Guasto grave Rilascio all'esterno di materiale radioattivo al di sopra dei limiti prescritti, ma avente come conseguenza una dose efficace, alla persona più esposta esternamente al sito, dell'ordine di decimi di mv 2 Guasto Eventi con un significativo malfunzionamento nei sistemi di sicurezza ma con un margine sufficiente della difesa per far fronte a ulteriori gusti. 1 Anomalia Deviazioni dal normale regime di funzionamento. Impianto nucleare per il trattamento di combustibili irradiati di Kyshtym, URSS (oggi Rep. Russa) 1957 Impianto nucleare di Winscale UK 1957 Impianto nucleare di Three Mile Island USA 1979 Impianto nucleare per il trattamento di combustibili irradiati di Windscale UK 1973 Impianto nucleare di Saint Laurent Francia 1980 Insieme critico a Buenos Aires Argentina 1983 Impianto nucleare di Vandellos, Spagna 1989 Deviazione NON SIGNIFICATIVO PER LA SICUREZZA 45 46

24 LE SORGENTI RADIOATTIVE AGENTI SULL UOMO UOMO 47 48

25 Dose di Irradiazione naturale (all anno per pers) in Svizzera 49 50

26 Aree geografiche ad alto fondo Brasile Guarapiri msv/y Francia Centro S-O S 100 India Iran Kerala 50 Ramsar

27 53 LA SICUREZZA Protezione persone e dell ambiente -Contenere le emissioni durante il normale funzionamento -Prevenire ogni tipo di incidente -Limitare i danni in caso di incidente (a priori non mai escludibile) 54

28 ALCUNE POSSIBILI DEDUZIONI Italia 60 milioni di abitanti 1. -dose complessiva media per Chernobyl 1mSv per persona rischio singolo 0,05*(1/1.000) rischio per tutta la popolazione 0,05*(1/1.000)*60*106=3.000 decessi 2. -dose fondo naturale media 2mSv per persona per anno rischio singolo per dose annua 0,05*(2/1.000) rischio per tutta la popolazione per ogni anno 0,05*(2/1.000)*60*106=6.000 decessi/anno per 70 anni decessi 55 Chernobyl: la vera dimensione dell incidente (dati dal documento del Chernobyl Forum- oct 2005) Finora una sessantina di decessi attribuibili con certezza alle radiazioni Liquidatori e staff che hanno ricevuto dosi elevate di radiazioni ( persone) attesi decessi Accertati casi di tumore alla tiroide attesi 40 decessi Gli esperti stimano al massimo in totale decessi su una popolazione interessata di circa persone ( del punto secondo e delle aree contaminate) 56

29 L USO PERVERSO La proliferazione delle armi nucleari Fuel cycle proliferation resistant Gli attentati ad impianti nucleari 57 GLI ATTENTATI AD IMPIANTI NUCLEARI L isola nucleare è piccola Il contenitore ha spessore di calcestruzzo di circa 1m ed è a prova di bomba e di impatto d aereod Il materiale fortemente radioattivo è nel combustibile che è ulteriormente protetto Nel caso siano colpiti altri edifici il reattore automaticamente si spegne 58

30 LA COMPETITIVITA ECONOMICA /olio 59 Costi di produzione valutati in Finlandia ad Aprile 2004 per diverse alternative in /MWh nuclear e carbon e ciclo comb. legno eolico Solare ph. capital cost 13,8 7,6 5, ,1 O & M 7,2 7,4 3,5 8,2 10,0 fuel 2,7 17,9 22,4(45) 25,6 - - emission trade totale , (61) 300/ 1000 Note I confronti economici con altre alternative per base-load di 8000 ore/anno, come ricalcolati ad aprile 2004, Occorre ricordare che sono stati considerati: -un tasso reale di sconto del 5% -emission trade a 20 /t CO2 -per l eolico sono state considerate 2200 ore/anno Il prezzo medio di mercato del Nord Pool per acquisto di una produzione 60 equivalente era ad aprile 2004 di 35,3 /MWh. 7,

31 61 Comparison of EE cost Report WNA dec Interest rate 10% -Coal 47 /MWh -Gas 51 -Nuclear 40 Interest rate 5% -Coal 37 /MWh -Gas 41 -Nuclear 26 62

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33 PREZZI ENERGIA ELETTRICA PREZZI DELL'ENERGIA ELETTRICA AL NETTO DELLE IMPOSTE PER TIPOLOGIE DI CONSUMO ANNUO NEI PAESI EUROPEI UTENZE DOMESTICHE E INDUSTRIALI 1 gennaio 2001 Prezzi in lire/kwh a cambi correnti UTENZE DOMESTICHE UTENZE INDUSTRIALI consumo annuo kwh media ponderata tipologie di consumo consumo annuo 2 GWh media ponderata tipologie di consumo Finlandia 123,3 142,5 72,0 76,9 Francia (2) 177,1 192,5 107,8 131,1 Italia (1) 310,6 267,5 186,5 184,2 Svezia 121,7 160,2 60,7 61,4 Media europea (3) Scostamento percentuale Italia / media europea 195,1 216,7 120,6 152,5 59,2 23,5 54,7 20,

34 67 Confronto dei prezzi dei combustibili fossili 68

35 Anche il mercato va aiutato L energia nucleare è economicamente vantaggiosa, ma un impianto nucleare richiede un investimento iniziale circa doppio pio rispetto a quello richiesto da un impianto convenzionale. la realizzazione di una centrale nucleare richiede un tempo almeno doppio rispetto al tempo di realizzazione di una centrale convenzionale. La complessità dell iter autorizzativo e le resistenze per l accettazione dell impianto prolungano ulteriormente i tempi realizzativi (la costruzione della centrale di Caorso ha richiesto 10 anni). Posto che non esistano altri ostacoli, chi sceglierebbe un investimento doppio e a redditività differita per immettere sul mercato lo stesso prodotto? i meccanismi di mercato non sono i soli ad operare altri meccanismi ostacolano la riapertura dell opzione nucleare in Italia 69 I nuovi reattori nucleari 1 a Generazione (reattori ante anni 70) 2 a Generazione (reattori costruiti anni 70-80, prevalentemente ad H 2 O, sono quelli ora in funzione) 3 a Generazione (reattori ad H 2 O derivati dai precedenti con ottimizzazione sulla sicurezza. EPR, ABWR, AP sono ora in fase di costruzione) 4 a Generazione (reattori allo studio per ~ 2030) 70

36 71 I reattori della 4 a Generazione 72

37 I reattori della 4 a Generazione Le sei tecnologie prescelte Reattore veloce raffreddato a gas GFR Reattore veloce raffreddato a piombo LFR Reattore veloce raffreddato a sodio SFR Reattore a sale fuso MSR Reattore supercritico raffreddato a acqua SCWR Reattore a gas ad alta temperatura VHTR 73 74