Andrea Borio di Tigliole

PIANO FORMATIVO LOCALE DEL PERSONALE dell ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE Pavia, 16 Novembre 2011 Stato attuale e prospettive di sviluppo della fonte elettronucleare Andrea Borio di Tigliole Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica Laboratorio Energia Nucleare Applicata Università degli Studi di Pavia, 27100 Pavia, Italy andrea.borio@unipv.it 1

1.7 Miliardi di anni fa Almeno 17 reattori naturali 1 Milione di anni di funzionamento intermittente Consumo di circa 6 ton di U-235 (U al 3.7%-wt di U-235) ~ 100 TWh(th) prodotti (~ 4 anni di produzione di un impianto nucleare da 1000 MWe) 2

Nel 1932 James Chadwick scoprì il neutrone e, nel 1934, Enrico Fermi e i ragazzi di via Panisperna (D'Agostino, Segrè, Amaldi, Rasetti) sperimentarono le prime reazioni nucleari indotte dal bombardamento di uranio con dei neutroni lenti 3

Nel 1938 Otto Hahn, Fritz Strassmans e Lise Meitner sperimentarono e spiegarono la reazione di fissione nucleare dell uranio 4

La Chicago Pile-1 : Il 2 dicembre 1942 alle ore 15:25, sotto le tribune del campo sportivo dell Università di Chicago (Illinois), Enrico Fermi realizzò la prima reazione di fissione nucleare a catena auto-sostenuta (0.5 W per 28 min), ossia il primo reattore nucleare a fissione (350 t di grafite + 36.5 t di UO2 + 5.64 t di Unat metallico) 5

EBR 1: il primo Impianto Elettronucleare Nel 1951, ad Arco nell Idaho (USA), entrò in funzione il primo reattore nucleare per uso civile che alimentò quattro lampadine da 200 Watt ciascuna installate a 15 km di distanza dall impianto. Era un reattore veloce a sodio liquido che utilizzava come combustibile Pu-239 6

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PWR Reactor Pressure Vessel (RPV) 9

Sistemi di Contenimento PWR Containment BWR Containment 10

REATTORI TERMICI: Utilizzano prevalentemente neutroni di bassa energia (< 1 ev) per sostenere la reazione di fissione nucleare. Poichè i neutroni di fissione nascono veloci, i reattori termici necessitano di un MODERATORE per rallentare i neutroni 11

REATTORI VELOCI: Utilizzano prevalentemente neutroni di energia dell ordine dell energia di fissione (~ MeV) per sostenere la reazione di fissione nucleare. Non hanno il moderatore. Possono essere utilizzati per convertire materiale fertile in materiale fissile (autofertilizzanti o Breeder ) 12

REATTORI A CICLO INDIRETTO: Il fluido termovettore che asporta il calore dal nocciolo del reattore cede il calore attraverso uno scambiatore/generatore di vapore ad un secondo fluido termovettore che viene immesso in turbina 13

REATTORI A CICLO DIRETTO: Il fluido termovettore che asporta il calore dal nocciolo del reattore viene immesso direttamente in turbina 14

REATTORI TERMICI Sono classificati generalmente in base al tipo di moderatore in: Reattori a Grafite - Magnox, AGR, HTGR, RBMK LWR (Light Water Reactor) PWR, BWR, VVER HWR (Heavy Water Reactor) CANDU, PHWR in base al tipo di fluido termovettore in: Reattori Raffreddati a Gas - Magnox, AGR, HTGR Reattori Raffreddati ad Acqua (leggera/pesante) LWR, HWR, RBMK in base al tipo di ciclo in: Pressurizzati (ciclo indiretto) PWR, PHWR Bollenti (ciclo diretto) - BWR 15

Fonte IEA KWES 2011 16

Fonte IEA KWES 2011 17

Fonte IAEA 18

Operational Reactors by Type No. of Units Total MW(e) BWR 84 77.595 FBR 2 580 GCR 17 8.732 LWGR 15 10.219 PHWR 47 23.077 PWR 268 246.387 Total: 433 366.590 Fonte IAEA 19

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Fonte IAEA 21

Fonte IEA KWES 2011 22

163 Impianti dal 1986 al 2010 Potenza elettronucleare +50% Fonte IAEA 23

USA GW We year 24

Fonte IAEA 25

Reactors Under Construction by Type No. of Units Total MW(e) BWR 4 5250 FBR 2 1274 LWGR 1 915 PHWR 4 2582 PWR 54 52571 Total: 65 62592 Fonte IAEA 26

2011 Highlights New connection to the grid: 5 Kaiga 4 (202 MW(e), PHWR, India) - first grid connection on 19 January Chasnupp 2 (300 MW(e), PWR, Pakistan) - first grid connection on 14 March Lingao 4 (1000 MW(e), PWR, China) - first grid connection on 3 May CEFR - China Experimental Fast Reactor (20 MW(e), FBR, China) - first grid connection on 21 July Bushehr 1 (915 MW(e), PWR-VVER, Iran) - first grid connection on 3 September Final shutdowns: 13 Fukushima-Daiichi 1,2,3,4 (439/760/760/760 MW(e), BWR, Japan) were declared as permanently shutdown on 20 May Oldbury A2 (217 MW(e), GCR-Magnox, UK) was permanently shut down on 30 June Biblis A and B (1167/1240 MW(e), PWR, Germany) were declared as permanently shutdown on 6 August Brunsbuettel (771 MW(e), BWR, Germany) was declared as permanently shutdown on 6 August Isar 1 (878 MW(e), BWR, Germany) was declared as permanently shutdown on 6 August Kruemmel (1346 MW(e), BWR, Germany) was declared as permanently shutdown on 6 August Neckarwestheim 1 (785 MW(e), PWR, Germany) was declared as permanently shutdown on 6 August Philippsburg 1 (890 MW(e), BWR, Germany) was declared as permanently shutdown on 6 August Unterweser (1345 MW(e), PWR, Germany) was declared as permanently shutdown on 6 August Construction initiation: 2 Chasnupp 3 (315 MW(e), PWR, Pakistan) - construction officially started on 28 May Rajasthan 7 (630 MW(e), PHWR, India) - construction officially started on 18 July 27

Molti Paesi hanno renectemente avviato importanti programmi di rilancio del nucleare USA: 12 COL presentate per oltre 20 impianti UK: è stato avviato nel 2007 il nuovo programma nucleare che prevede la realizzazione di 6-8 nuove unità Francia: nel 2012 sarà avviata la realizzazione del 2 EPR francese nel sito di Penly Finlandia: nel 2012 sarà avviata la preparazione del sito (municipalità di Pyhäjoki) per la realizzazione di un 2 EPR Cina: oltre alle 27 unità in costruzione, altre 13 sono già pianificate per un totale di 40 Russia: oltre agli 11 in costruzione altri 14 sono pianificati,,,, 28

La NEA/OECD ha stimato (Outlook 2008) la capacità globale di produzione nucleare all orizzonte del 2050 usando due diversi scenari di crescita (High e Low): La capacità di produzione di energia elettrica da fonte nucleare crescerà di un fattore compreso tra 1,5 (Low) e 3,8 (High) 29

Fonte IEA KWES 2011 30

Le Riserve di Uranio (Fonte OECD NEA & IAEA, Uranium 2009) Convenzionali Identificate (costo estrazione < 130 $/kg U) 5.4 milioni di ton Convenzionali Ipotizzate (costo estrazione < 130 $/kg U) 5.5 milioni di ton Non Convenzionali (costo estrazione 60 100 $/kg U ) 22 milioni di ton (ad es. sottoprodotto della produzione di acido fosforico) Non Convenzionali (costo estrazione n.d. ) 4.5 miliardi di ton (acqua di mare) (In Giappone impianto che alimenta 2 PWR da 1000 MWe : 300 $/kg U) Il consumo annuo mondiale di Uranio è di circa 68,000 ton, quindi centinaia di anni di autonomia 31

L energia nucleare offre un grado di sicurezza di rifornimenti superiore al petrolio e al gas perché il suo combustibile, l uranio, proviene da una pluralità di Paesi e i principali fornitori operano in Paesi politicamente stabili Distribuzione geografica delle riserve di uranio convenzionali identificate estraibili ad un costo < 130 US$/kg U Fonte: OECD NEA & IAEA, Uranium 2009 Uranium percentage of tonnes world stock Australia 1,673,000 31% Kazakhstan 651,000 12% Canada 485,000 9% Russia 480,000 9% South Africa 295,000 5% Namibia 284,000 5% Brazil 279,000 5% Niger 272,000 5% USA 207,000 4% China 171,000 3% Jordan 112,000 2% Uzbekistan 111,000 2% Ukraine 105,000 2% India 80,000 1.5% Mongolia 49,000 1% other 150,000 3% World total 5,404,000 100% 32

Impianti di IV Generazione 33

Le Reazioni di Conversione 34

Le Reazioni di Conversione 35

Da una comparazione dei costi attualizzati relativi alla produzione d elettricità nelle centrali nucleari, a carbone ed a gas, fatta nel 2005 dalla NEA/OECD e dall IEA risulta che l energia nucleare è competitiva (3 6 cent /kwh), in modo più o meno netto in funzione delle circostanze locali, relativamente al carbone e più competitiva del gas naturale Composizione del costo di produzione del kwh nucleare Fabbricazione Combustibile Approvvigionamento 10% Uranio 5% Smantellamento 5% Gestione Scorie Nucleari 5% Operation & Maintenance 15% Costo Capitale 60% 36

Fonte : IEA /OECD 2010 37

CONCLUSIONI 38

A. Borio - 03.06.2010 Conferenza AIESEC 39

14 Impianti nucleari di potenza sono stati smantellati allo stato di green field, di cui 10 negli USA: Big Rock Point Fort St. Vrain Nuclear Generating Station Haddam Neck - Connecticut Yankee Shoreham Nuclear Power Station CTVR (Pressurized Tube, Heavy Water); Pathfinder (Superheat BWR). Maine Yankee Atomic Power Station Saxton Trojan Yankee Rowe Nuclear Station Altri 13 impianti negli USA sono in fase di smantellamento negli USA 40

BIBLIOGRAFIA 1. Nucleare da Fissione: Stato e Prospettive, a cura di Stefano Monti, ed. ENEA 2. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory - http://www.nndc.bnl.gov/ 3. Key World Energy Statistics 2011, International Energy Agency 4. World Energy Outlook 2010, International Energy Agency 5. Nuclear Energy Outlook 2008, NEA/OECD 6. International Atomic Energy Agency Data Center (NUCLEUS), http://nucleus.iaea.org/nucleus/nucleus/content/index.html 41