L energia nucleare Vantaggi, limiti e prospettive future N. Colonna INFN Sezione di Bari 1
La produzione di CO 2 Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), 2007 www.ipcc wg1.unibe.ch/publications/wg1 ar4/wg1 ar4.html Necessario (e sempre più urgente) sviluppare, fonti di energia pulita, sicura e a basso costo. La parola d ordine dordine e diversificare: risparmio e maggiore efficienza energetica (fondamentale nel breve termine) fonti rinnovabili: solare, eolico, biomasse, etc (sviluppo nel medio termine) NUCLEARE Per soddisfare la domanda energetica mondiale (in particolare quella dei paesi emergenti), minimizzando le conseguenze sul clima, è necessario un mix di fonti che includa anche l energia nucleare (Intergov. Panel on Climatic Change, IPCC ONU, Valencia, 17 Nov. 2007). 2
La produzione di energia nel mondo L 80 % dell energia attualmente consumata nel mondo è prodotta da combustibili fossili Problemi associati allo sfruttamento dei combustibili fossili: approviggionamento (picco di produzione entro 2020); ambientali (cambiamenti climatici i in genere per CO 2 + inquinamentoatmosferico). i t i INFN Pisa, 24 Novembre 2009 3
Vantaggi del nucleare: i gas serra Il vantaggio principale è la bassa emissione di CO 2 o di altri inquinanti (SO 2, polveri sottili, ) 4
Vantaggi del nucleare Altri aspetti positivi: disponibilità del combustibile le principali miniere di uranio si trovano in Canada e Australia indipendenza da aree soggette a turbolenze politiche (paesi arabi produttori di petrolio) bassa incidenza del costo del combustibile sul costo del kwh il raddoppio del prezzo dell uranio si traduce in un aumento del 10% sul kwh (mentre il raddoppio del petrolio produce un 70% di aumento). in futuro potrebbe essere usato per produrre idrogeno, sostituendo il petrolio anche nei trasporti l idrogeno e un vettore (e non una fonte) di energia, e per produrlo occorre spendere energia. Il nucleare potrebbe portare ad un sistema energetico a bassa emissione di CO 2,senza mettere a repentaglio il progresso economico e sociale. Tuttavia i reattori attuali presentano due grosse limitazioni, che ne frenano una maggiore diffusione: uso inefficiente delle risorse di Uranio produzione di scorienucleari a lunga vita media 5
L età dei reattori nucleari attualmente operativi In funzione nel mondo 439 centrali, per un totale di 356 GWe (in media 800 MWe/reattore). Chernobyl Num mero di re eattori Three Mile Island Anni Entro 20 30 anni, una grossa partedei reattori attualmente in funzione dovranno essere dismessi e sostituiti, possibilmente da reattori di nuova concezione. 6
I reattori nucleari nel mondo Un terzo dei reattori attualmente in funzione si trovano in Europa (e di questi, il 40 % in Francia) 7
Stato Numero di reattori Fabbisogno coperto (%) Belgio 7 54 In costruzione (programmati) Bulgaria 2 44 (2) Rep. Ceca 6 31 Finlandia 4 28 1 Francia 59 78 1+ (1) Germania 17 32 Ungheria 4 38 Nucleare Lituania 1 69 Carbone Olanda 1 4 Gas Romania 1 9 1 Russia 31 16 3 + (8) Slovacchia 5 57 (2) Rinnovabili bl Slovenia 1 40 Spagna 8 20 Svezia 10 48 Svizzera 5 37 Ucraina 15 48 (2) UK 19 18 Europa 196 35 6+(14) In Europa (+Russia) il nucleare copre circa un terzo del fbbi fabbisogno di energia elettrica (il doppio della media mondiale). Il nucleare attualmente fornisce il contributo maggiore alla produzione di energia elettrica in Europa. Idroelettrico Olio combust. 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% L Italia non è l unico paese europeo senza nucleare, ma è l unico del G8!
Le centrali in costruzione Attualmente sono in costruzione nel mondo 57 centrali, la maggior parte delle quali nei paesi in via di sviluppo (Cina, Russia, India). 9
I reattori attuali I sistemi attuali sono once through : il combustibile, U o Pu, passa una sola volta attraverso il core del reattore Problemi dei reattori attuali: uso inefficiente delle risorse di Uranio (solo 1 % produce energia) grandi quantità di scorie radioattive con tempi di decadimento molto lunghi rischi di incidenti, soprattutto per i reattori più vecchi (e con il licensing esteso a 60 anni) necessità di grossi investimentie lunghi tempi di costruzione. problemi di proliferazione (utilizzo di materiale fissile per scopi militari) Nel breve periodo: problema dello smaltimento delle scorie Nel lungo periodo (> 50 anni): esaurimento disponibilità di Uranio 10
L utilizzo del combustibile 3% Uranio235 97% Uranio238 94% Uranio238 4% Prodotti di fissione 1% Plutonio e attinidi minori 1% Uranio235 96% Materiale riutilizzabile Combustibile Combustibile spento Se si utilizzasse 238 U per produrre energia, risorse sufficienti per migliaia di anni!! 11
La richiesta di Uranio Nel lungo periodo (50 anni a partire da ora), la disponibilità di uranio potrebbe diventare un problema (anche considerando risorse attualmente sconosciute). 12
Il problema delle scorie Produzione di scorie Al rate attuale di crescita della produzione di energia elettrica, e con il nucleare al 20 % del totale, necessario approntare un deposito geologico tipo Yucca Mountain ogni 20 anni. 13
Le scorie nucleari nei reattori (1 GW e LWR) Figura Nucleosintesi (frecce che si muovono) Foto FIC 244, 245 Cm 1.5 Kg/yr 241 Am:11.6 Kg/yr 243 Am: 4.8 Kg/yr 239 Pu: 125 Kg/yr 237 Np: 16 Kg/yr LLFP LLFP 76.2 Kg/yr 14
Il ciclo Th/U Figura Nucleosintesi (frecce che si muovono) Foto FIC LLFP LLFP 15
Le varie componenti delle scorie nucleari I Frammenti di Fissione decadono in poche centinaia di anni (a parte alcune eccezioni). Per il loro stoccaggio sono sufficienti barriere ingegneristiche. Gli attinidi sopravvivono per milioni di anni, e richiedono siti di stoccaggio geologici. Plutonio e attinidi minori rappresentano il problema principale per lo smaltimento delle scorie nucleari. Radio otossicità Materiali attivazione Uranio recuperato Transuranici: Np, Pu, Am,, Cm Frammenti di Fissione Uranium ores Minerale Uranio Tempo dopo smaltimento (anni) 16
I reattori di nuova generazione La soluzione al duplice problema dei reattori attuali (scorie e utilizzo inefficiente dell U) è il riutilizzodel combustibile spento: ciclo chiuso. Principio fondamentale: reattori autofertilizzanti in grado di bruciare anche una frazione importante delle scorie (attinidi a lunga vita media). Recycling Attualmente allo studio diversi sistemi nucleari innovativi: reattori di IV Generazione (critici), con scopo primario la produzione di energia; Accelerator Driven Systems (sottocritici), mirati per lo più alla trasmutazione delle scorie radioattive (LLFF e MA); Reattori basati sul ciclo Th/U 17
I reattori veloci di IV Generazione L innovazione principale riguarda la possibilità di produrre energia bruciando le scorie a più alta radiotossicità: Np, Am, Cm (1 g di scorie produce stessa energia di 3 tonn di carbone). Aparteil 245 Cm, gli attinidi minori presentano una soglia di fissione intorno al MeV. Per bruciare gli attinidi minori sono necessari neutroni veloci (E n >500 kev). Ireattoriveloci autofertilizzanti di IV Generazione produrrebbero e brucerebbero attinidi (Pu e MA): utilizzo ottimale delle risorse di Uranio minore produzione di scorie da smaltire in siti geologici. Differential ne eutron flux dn/dlog og(e) x 10-13 n/cm m 2 /s 3 2.5 25 2 1.5 1 Isotopi fissili (senza soglia) Spettro neutronico in reattori veloci Neutron Spectrum (Gen IV e ADS) 241 240 Am Pu 239 Pu Sezioni d urto di fissione a soglia 244 237 Cm Np 243 Am 0.5 0.5 1 MeV 0 0 1x10 4 1x10 5 1x10 6 1x10 7 Neutron energy, ev 3 2.5 25 2 1.5 1 tion, barn Fis ission Cross sect Lo sviluppo di reattori veloci di IV Generazione richiede dati nucleari su diversi attinidi 18
Reattori termici e reattori veloci I neutroni emessi nella reazione di fissione hanno energia del MeV. In un reattore termico, i neutroni sono moderati o rallentati, in genere con acqua (o grafite), ad un energiaprossima i a quella termica (qualche decina di mev). In un reattore veloce, i neutroni non sono moderati, e mantengono un energia relativamente alta (da qualche kev a qualche MeV). I reattori veloci possono essere breeder (producono combustibile in quantità maggiore o uguale a quella consumata). Spettro termico Reattori termici Reattori veloci Spettro di fissione 1 mev 1 ev 1 kev 1 MeV 19
Richieste di progetto per ireattoridiiv Generazione Basso impatto ambientale: bassa emissione di CO 2,SO 2,etc (energia pulita) minore produzione di scorie Sostenibilità (disponibilità del combustibile a lungo termine): maggiore efficienza di burn upup ed efficienza termica Economicità: tempiecostidi costruzione (capital risk) confrontabili con altre fonti energetiche costo del kwh confrontabile o inferiore ad altre fonti (rinnovabili) Sicurezza bassissimo rischio di danno al nocciolo (sicurezze passive) e protezione contro attacchi terroristici (attualmente richiesto 10 7 reattori anno) Non proliferazione difficoltà di utilizzare combustibile per scopi militari o terroristici Possibilità di produrre idrogeno estensione dl del nucleare al settore dei trasporti 20
I reattori di IV Generazione Attualmente allo studio sei tipi di reattori di IV Generazione (di cui tre veloci) Sistemi di IV Generazione Acronimo Gas cooled Fast Reactors GFR Lead cooled ldfast Reactors LFR Sodium cooled Fast Reactors SFR Molten SaltReactors MSR Supercritical Water Cooled Reactors SCWR Very High Temperature Reactors VHTR E probabile che alcuni siano abbandonati strada facendo, o che siano introdotte altre varianti. Quattro sistemi it ihanno già di dei piani finali di sviluppo: GFR, SFR, SCWR, VHTR LFR è in fase di studio MSR è previsto per il futuro Per alcuni tipi di reattori esiste già esperienza negli anni passati a cui fare riferimento (Phenix, SuperPhenix, Peeble bed reactors, reattori raffreddati a Pb/Bi nei sottomarini russi classe Alpha, etc ) 21
I reattori di IV Generazione Attività di R&D necessaria per lo sviluppo di reattori di IV Generazione: ottimizzazione del combustibile: U Pu, U Pu MA, Th Pu MA, etc tecnologia del riprocessamento sistemi di raffreddamento (termoidraulica): He, Pb/Bi, Na, Li, etc materiali strutturali: nuovi acciai, composti di carbonio, etc Sistemi di monitoraggio avanzati Per il momento nella progettazione considerato solo il ciclo di combustibile U/Pu, ma potrebbero essere adattati per sfruttare il ciclo del Th/U. 22
Reatt. altassima temperatura (Very high Temperature Reactor, VHTR) Caratteristiche Raffreddamento a He temperatura in uscita 1000C!! Reattore once through (tradizionale) i con spettro termico (moderato a grafite). Dimensione piccola (250 MWe) Vantaggi Produzione di idrogeno (dissociazione termochimica dell acqua) Alta efficienza termica Alto grado di sicurezze passive Prototipo: 2022 23
La schedula dei reattori Gen IV Studio di fattibilità Performance Dimostratore L obiettivo è di fare in modo che i reattori di IV Generazione siano pronti per il 2030, quando starà per scadere la licenza della maggior parte dei reattori attuali. 24
La produzione di 233 U Il materiale fissile nel ciclo è l 233 U, che ha una alta sezione d urto di fissione e alta molteplicitàdi neutroni emessi nella fissione. L 233 U non esiste in natura, ma può essere prodotto a partire dal 232 Th per cattura neutronica. β -, t β -, t 1/2 =27 d 232 Th(n,γ) 233 1/2 =22 m Th 233 Pa 233 U Una volta prodotta una quantità sufficiente di 233 U, è possibile realizzare un reattore autofertilizzante basato interamente sul ciclo Th/U (può essere termico o veloce). Allettante per la grande quantità di Torio in natura (è tre volte più abbondante dell U) e perché produce una bassa quantità di scorie. L India stapuntandosuireattoriath/u per la propria sicurezza energetica. Potrebbe rivelarsi i soluzione molto menocomplessa e costosa dig dei Gen IV 25
Conclusioni Molto oto probabile pobab eche il nucleare e debba far parte del mix di fonti energetiche e getc e del futuro. Reattori attuali presentano alcuni limiti, fra cui quelli principali sono la produzione di scorie e l uso inefficiente i dll delle risorsedi uranio. Necessario sviluppare reattori rivoluzionari, a ciclo chiuso (Gen IV), in grado di risolvere molti problemi dei reattori attuali, in particolare quello delle scorie radioattive (in particolare attinidi minori quali Np, Am, Cm). Impellente richiesta di nuovi e più accurati dati nucleari un largo range energetico e per numerosi isotopi (attinidi) di interesse per reattori nucleari avanzati. 26
Fare ricerca oggi, per prepararsi ai bisogni i energetici i del lfuturo Grazie per l attenzione
Alcuni dati sui reattori proposti per l Italia: EPR (European Pressurized Reactor) Contributo singolo reattore Costo previsto Tempo necessario Competenze necessarie 1.6 GWe 3.33 % del fabb. energia elettr. 4.5 miliardi di Euro 10-15 anni (incluso scelta sito) in parte da ricostruire 28
Le scorie 29
La trasmutazione delle scorie radioattive Trasmutazione (o incenerimento nucleare) delle scorie radioattive reazioni indotte da neutroni che trasformano isotopi i radioattivi i a lunga vita media in isotopi stabili o a vita media breve. Reazioni di trasmutazione Frammenti tidi fissione i (LLFF) Pu e attinidi idiminori i 151 Sm, 99 Tc, 121 I, 79 Se 240 Pu, 237 Np, 241,243 Am, 244,245 Cm, cattura neutronica (n,γ) n + 99 Tc (2.1x10 5 y) 100 Tc (16 s) 100 Ru fissione indotta da neutroni (n,f) cattura neutronica (n,γ) 30
neutroni neutrone I frammenti di fissione Frammenti restano radioattivi per di fissione Energia (E=mc2) centinaia di anni. Possono essere stoccati in siti costruiti dall uomo. Nucleo di uranio ( 235 U) neutrone γ Nuclei Nucleo transuranici di uranio (Plutonio, ( 238 U) Nettunio, Americio, Curio, ) I nuclei transuranici restano radioattivi per centinaia di migliaia ilii di anni (emettono particelle α). ) Rappresentano la parte più pericolosa delle scorie nucleari, da smaltire in depositi geologici (siti stabili per milioni di anni, tipo miniere di sale). L idea rivoluzionaria dei reattori di IV Generazione è utilizzare i transuranici come combustibile
Le generazioni passate e future Jacine Kadi Breeding factors?? (Aiche o altro) 32