SEMINARIO LA FUSIONE NUCLEARE E LE SUE PROSPETTIVE RICERCA NUCLEARE E INGEGNERIA ing. Alberto Taglioni Frascati, 13 febbraio 2015
Contenuti dell intervento Aree e Commissioni tematiche dell Ordine degli Ingegneri di Roma Ingegneria e Ricerca La ricerca nucleare nel mondo e in Italia Ricadute convenzionali della Ricerca Nucleare
Aree e Commissioni tematiche dell Ordine degli Ingegneri di Roma 3
Compiti istituzionali delle COMMISSIONI TEMATICHE l approfondimento di leggi e norme la produzione di memorie e contributi tecnici l organizzazione di visite tecniche, seminari, convegni di aggiornamento professionale 4
Attività NUCLEARI in ITALIA smantellamento degli impianti esistenti trattamento e gestione dei rifiuti radioattivi da essi provenienti raccolta di rifiuti nucleari di origine industriale e medica il loro trasporto localizzazione e realizzazione del deposito nazionale per il loro smaltimento partecipazionie a Gruppi di Lavoro e Commissioni per la elaborazione di norme e il loro aggiornamento professionale applicazioni mediche ricerca su reattori innovativi (fissione e fusione) 5
ASSETTO COMMISSIONI TEMATICHE DELL ORDINE INGEGNERI / 1 Area Tematica IMPIANTI Area Tematica AMBIENTE Area Tematica ENERGIA Area Tematica IMPIANTI ELETTRICI DISSESTO IDROGEOLOGICO IDROELETTRICA IMPIANTI CHIMICI RIFIUTI E BONIFICHE FOTOVOLTAICO METANODOTTI VALUTAZIONI AMBIENTALI SOLARE TERMODINAMICO RICERCA EREATTORI INNOVATIVI.. INGEGNERIA NUCLEARE 6
ASSETTO COMMISSIONI TEMATICHE DELL ORDINE INGEGNERI / 2 Area Tematica IMPIANTI Area Tematica AMBIENTE Area Tematica ENERGIA Area Tematica NUCLEARE IMPIANTI ELETTRICI DISSESTO IDROGEOLOGICO IDROELETTRICA IMPIANTI e DECOMMISSIONING IMPIANTI CHIMICI RIFIUTI E BONIFICHE FOTOVOLTAICO RADIOPROTEZIONE ED EMERGENZE METANODOTTI VALUTAZIONI AMBIENTALI SOLARE TERMODINAMICO RICERCA E REATTORI INNOVATIVI.. 7
Ingegneria e Ricerca 8
Definizione di RICERCA (da wikipedia) La ricerca è un'attività umana avente lo scopo di scoprire, interpretare e revisionare fatti, eventi, comportamenti eteorie relative a qualunque ambito della conoscenza e esperienza umana La ricerca scientifica è la metodologia usata per accrescere la conoscenza all'interno della scienza ed è uno dei fattori chiave per la crescita e lo sviluppo della società nel mediolungo periodo in virtù della sua potenziale capacità di fornire innovazione attraverso l'applicazione tecnologica e organizzata delle scoperte scientifiche. 9
Tipologie di RICERCA / 1 (da wikipedia) Ricerca di base La ricerca di base, ha come obiettivo primario l'avanzamento della conoscenza e la comprensione teorica delle relazioni tra le diverse variabili in gioco in un determinato processo. Viene condotta senza un particolare scopo pratico previsto, anche se i suoi risultati possono avere ricadute applicative inaspettate. L'espressione "di base" indica che, attraverso la generazione di nuove teorie, la ricerca di base fornisce le fondamenta per ulteriori ricerche con ricadute applicative nel medio lungo termine. Ricerca applicata La ricerca applicata è svolta allo scopo di trovare soluzioni pratiche e specifiche. Il suo obiettivo è lo sfruttamento della conoscenza teorica già acquisita, al fine di sviluppare una tecnologia.è basata su precedenti ricerche di base e viene eseguita in ambiente industriale, enti di ricerca oppure in università, con finanziamenti provenienti da industrie interessate. 10
Tipologie di RICERCA / 2 (da wikipedia) Ricerca operativa La ricerca operativa (nota anche come teoria delle decisioni o scienza della gestione) è la branca della matematica applicata, in cui problemi decisionali complessi vengono analizzati e risolti mediantemodelli matematici e/o quantitativi avanzati (ottimizzazione, simulazione, ecc.). L'obiettivo è quello di fornire un supporto alla presa di decisioni. Per giungere a questo scopo, la ricerca operativa fornisce strumenti matematici di supporto alle attività decisionali in cui occorre gestire e coordinare attività e risorse limitate al fine di massimizzare o minimizzare una funzione obiettivo. 11
Elogio dell Ingegnere (Herbert Hoover, Presidente degli USA dal 1928 al 1932) Gran professione quella dell'ingegnere! Con l'aiuto della scienza egli deve trasformare un pensiero in linee di un progetto per realizzarlo poi in pietra o metallo o energia. Quindi creare lavoro e case per gli uomini elevando il tenore di vita e aggiungendone conforto. Questo è il grande privilegio dell'ingegnere e anche il grande rischio perché le sue opere, a confronto di quelle di altri uomini e professionisti, sono all'aperto, sotto lo sguardo di tutti. I suoi atti passo, passo - sono di dura materia. L'ingegnere non può seppellire i suoi errori nella tomba come i medici; né può trasformarli in aria sottile o darne colpa ai giudici come gli avvocati. Egli non può coprire i suoi RICERCA insuccessi!!! con alberi o rampicanti come gli architetti, né, come i politici, riversare gli errori sugli oppositori sperando che la gente dimentichi. L'ingegnere, semplicemente, non può negare quello che ha fatto e viene condannato se l'opera non regge. D'altra parte, in contrasto con quella dei medici, la sua non è vita in mezzo ai deboli, né la distruzione è il suo scopo, come per i militari, e le contese non sono il suo pane quotidiano come per l'avvocato. All'ingegnere compete rivestire di vita, conforto e speranza lo scheletro della scienza. Con il passare degli anni senza dubbio la gente, se mai lo ha saputo, dimentica l'ingegnere che ha costruito. Qualche politico avrà posto il suo nome o quella sarà stata attribuita a qualche promotore che ha fatto uso del denaro altrui. L'ingegnere, con una soddisfazione che poche professioni conoscono, gode dei benefici senza fine che scaturiscono dai suoi successi: il verdetto dei suoi colleghi è il solo titolo d'onore che egli desidera.
L ingegnere nel mondo della ricerca «nucleare» 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, ) 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?
Gli strumenti dell ingegnere nella ricerca nucleare 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, SNETP, ESNII, SRIA, SRA) Punti di Contatto e reti nazionali ed internazionali Recepimento Direttive EC (70/2011, 71/2011) e recepimenti nazionali 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 ricercatore e i soggetti con cui si interfaccia
Finanziamento, programmi e reti della ricerca I contributi dello Stato Gli accordi di programma (MiSE-RSE) I bandi (MIUR Regioni) I FP progetti Europei I servizi tecnologici Gli accordi di cooperazione internazionale (IAEA, bilaterali) Le piattaforme, i comitati, i gruppi di lavoro 16
La Ricerca Nucleare 17
Tipologie di ricerca nucleare energetica Energia da fissione: Energia da fusione : Sicurezza dei reattori in operazione (Gen II) Progettazione reattori Gen III e IV, Chiusura ciclo combustibile (SF & WM) Usi non elettrici (dissalazione, propulsione) calda fredda non energetica Fisica nucleare (infrastrutture di irraggiamento n, gamma) Radiochimica, Radioprotezione, Metrologia Radiomedicina (radiofarmaci, traccianti diagnostica e radioterapia) Effetti delle radiazioni sugli esseri viventi Applicazioni delle radiazioni in agricoltura e industria
RICERCA NUCLEARE: attività in ENEA Formazione studenti e dottorandi, addestramento supervisori ed operatori Studi di materiali e di strutture per i sistemi nucleari di nuova generazione e la fusione termonucleare controllata Analisi per attivazione neutronica, radiografie e tomografie neutroniche, a fini di ricerca, medicina e attività forensi Ricerca finalizzata alla produzione di radiofarmaci per applicazioni mediche di diagnostica e terapia dei tumori Irraggiamenti su apparecchiature elettroniche per applicazioni spaziali per verificare la resistenza alla radiazione cosmica Effetti della trasmutazione sugli isotopi transuranici per ridurre I rifiuti radioattivi a lunga vita ed alta attività Sviluppo e validazione di codici di calcolo di neutronica 19
ENERGIA DA FISSIONE : 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 20
ENERGIA DA FISSIONE : sostenibilità e chiusura del ciclo del combustibile Sostenibilità del ciclo uranio Minimizzazione rifiuti Riduzione radiotossicità Riduzione volumi Aumento durabilità Isolamento confinamento dalla biosfera Cicli aperti e chiusi Reattori veloci autofertilizzanti ADS (Trasmutatori Bruciatori) Sistemi di partitioning e riprocessamento non proliferante del combustibile esaurito (pirometallurgia) Sistemi di trattamento e condizionamento dei rifiuti per la massima riduzione dei volumi e durabilità nel tempo dei manufatti Deposito ingegneristico (superficiale) Deposito geologici (SNETP IGDTP)
Il programma europeo sulla Fusione La ricerca sulla Fusione fa parte del programma EURATOM ed è completamente integrata a livello europeo attraverso : coordinamento dei programmi nazionali collaborazioni tra centri di ricerca conduzione dell esperimento JET partecipazione alle collaborazioni internazionali, quali ITER, Broader Approach The Swiss Conf.; 5% FZJ; 5% CCFE ; 6% Other s; 15% KIT; 6% IPP; 30% CEA; 17% ENEA ; 16% Partecipazione alle attività dei laboratori europei
La fusione a confinamento magnetico Occorre riscaldare il gas di deuterio-trizio a 150-200 milioni di C mantenerlo in un opportuna configurazione di equilibrio evitarne il contatto con le pareti della camera di reazione Confinamento magnetico Il gas (plasma) è confinato in una camera a forma di ciambella mediante intensi campi magnetici prodotti da bobine magnetiche avvolte intorno alla camera stessa ITER: camera da vuoto, bobine del campo magnetico toroidale e polodale
Combustibile: deuterio, litio - Prodotto finale: elio Deuterio : 1 g in 39 litri di acqua Ciclo del reattore a fusione D + T 4 He + n Litio : molto abbondante nelle rocce, oceani Trizio: prodotto in ciclo chiuso nel reattore n + 6 Li 4 He + T 100 l acqua (2.5 g deuterio) + 100 g litio (7.5 g litio 6) = 600 000 kwh termici 40% efficienza di conversione 240 000 kwhe (50 ton petrolio ~150 ton CO 2 ) La fusione è : intrisecamente sicura (no melting down), praticamente inesauribile (riserve per migliaia di anni) sostenibile per l ambiente (zero emissioni, no attinidi)
ITER, reattore a fusione (Cadarache) Programma: dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione Tokamak Temperatura di plasma: 1,5 10 8 K Potenza in uscita: 500 700 MW Durata dell'impulso di fusione: > 300 s Rendimento: > 10
Nuove frontiere: Fusione inerziale, fredda e fissioni «alternative»... Fusione inerziale LLNL USA laser Ignitor (Prof. Coppi) Fusione fredda palladio (ENEA Violante et al.) Fusione fredda nichel (Rossi-Focardi) Piezo-nucleolisi e piezo- inertizzazione (Cardone et al).
La ricerca nucleare non energetica 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 27
Criticità Italiane rispetto allo sviluppo delle tecnologie nucleari Il piano energetico Il programma nucleare nazionale L Autorità di controllo indipendente I fondi e il sostegno Istituzionale Fuga dei migliori ingegneri presso Società estere Mancanza di sinergia fra gli stakeholders Il ruolo dei media e della politica Il clima di scarsa scientificità e contestazione
Ricadute convenzionali della ricerca nucleare 29
PROCEDURE NUCLEARI E CONVENZIONALI Analisi di sicurezza Siting impiantistico Garanzia della qualità sviluppo scenari GIS, modellistica qualificazione materiali e sistemi 30
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INTERFACCIE CONVENZIONALI DEL NUCLEARE Strutturali (statiche e dinamiche) Geotecniche e geologiche Meccaniche e impiantistiche Ambientali Economico/gestionali security 33
PRINCIPALI AMBITI DI RICERCA NUCLEARE E CONVENZIONALE analisi sismiche schematizzazione e studio di effetti di urti, esplosioni, eventi estremi (deliberati e no) studi su materiali (caratteristiche meccaniche e chimiche, durabilità) alterazioni ambientali (robustezza dei modelli) biologia, medicina, 34
Progettazione, ingegneria sperimentale e modellistica 35
MODELLAZIONE DEL TERRENO 36
OSCILLATORE A PIU GRADI DI LIBERTA 37
STRUTTURE NUCLEARI AD ELEMENTI FINITI 38
CARPENTERIA DI UN EDIFICIO REATTORE 39
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TELAIO AD ELEMENTI FINITI 43
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water pressure in the cavity of grout scheme of experimental apparatus. modular container grout cavities (drums) water in pression supports collection tank
Conclusioni 47
Conclusioni L ingegnere professionista può avere un ruolo nella ricerca ed assumere posizioni dirigenziali L ingegnere nucleare ricercatore può trarre a sua volta beneficio dalle Attività dell ordine (Commissioni, Direzione LL., Corsi e Seminari) Gli Istituti di Ricerca e le Università dovrebbero essere sempre più in sinergia con l Ordine per iniziative comuni di formazione, di diffusione e disseminazione, come questo seminario
Grazie per l attenzione ing. Alberto Taglioni antalgo@libero.it 49