1 lenergia nucleare alcune riflessioni sui pro e sui contro n. colonna istituto nazionale fisica...

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L’energia nucleare

Alcune riflessioni sui pro e sui contro

N. Colonna

Istituto Nazionale Fisica NucleareSezione di Bari

Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

Il problema dell’energia

• Aumento della popolazione mondiale (10 miliardi nel 2050)

• Miglioramento generale degli standard di vita (soprattutto nei paesi emergenti)

Aumento costante del consumo di energia nel mondo (+ 40 % nel 2020):

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Consumo di energia nel mondo

Anno


La produzione di energia nel mondo

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Problemi associati allo sfruttamento dei combustibili fossili: • approviggionamento (picco di produzione entro 2020);

• ambientali (cambiamenti climatici in genere per CO2 + inquinamento atmosferico).

L’80 % dell’energia attualmente consumata nel mondo è prodotta da combustibili fossili


La produzione di CO2

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,

Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), 2007www.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 e’ DIVERSIFICARE:• risparmio e maggiore efficienza energetica

(fondamentale nel breve termine, soprattutto nei paesi più sviluppati);

• fonti rinnovabili: solare, eolico, biomasse, etc… (sviluppo nel medio termine);

• Nucleare (soprattutto nei paesi emergenti, in particolare Cina, India, Brasile, etc…).

“Le Forze Nascoste”, Rotary International, Campobasso, 14 Marzo 2010

Lo sfruttamento dei combustibili fossili porta ad un aumento della CO2 nell’atmosfera, causa di “effetto serra” (aumento della temperatura terrestre).

I reattori nucleari nel mondo

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Anni

Num

ero

di re

attor

i

Attualmente, sono operativi nel mondo 440 reattori nucleari, per una potenza installata complessiva di 356 GWe (in media 800 MWe per reattore).

Chernobyl

Three Mile Island


I reattori nucleari nel mondo

Un terzo dei reattori attualmente in funzione si trovano in Europa

6Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)

Stato Numero di reattori

Fabbisogno coperto (%)

In costruzione (programmati)

Belgio 7 54

Bulgaria 2 44 (2)

Rep. Ceca 6 31

Finlandia 4 28 1

Francia 59 78 1 + (1)

Germania 17 32

Ungheria 4 38

Lituania 1 69

Olanda 1 4

Romania 1 9 1

Russia 31 16 3 + (8)

Slovacchia 5 57 (2)

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 il nucleare copre più di un quarto del fabbisogno di energia elettrica (più che negli Stati Uniti e in Giappone). Attualmente, è insieme al carbone la fonte principale di energia elettrica.

Produzione energia elettricaEuropa - 27

Olio combust.

Rinnovabili

Idroelettrico

Gas

Nucleare

Carbone

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%

I nuclei transuranici restano radioattivi per centinaia di migliaia di anni.

Rappresentano la parte più pericolosa delle scorie nucleari, da smaltire in “depositi geologici” (siti stabili per milioni di anni, tipo miniere di sale).

I reattori di IV Generazione utilizzeranno i transuranici come combustibile

I frammenti di fissione restano radioattivi per

qualche centinaio di anni.Possono essere stoccati in siti

costruiti dall’uomo.neutrone

Nucleo di uranio(235U)

Frammentidi fissione Energia (E=mc2)

neutroni

neutrone

Nucleo di uranio(238U)

Nuclei transuranici

131I (t1/2 = 8 giorni)137Cs (t1/2 = 30 anni)90Sr (t1/2 = 29 anni)

237Np (t1/2 = 2 milioni di anni)239Pu (t1/2 = 24110 anni)243Am (t1/2 = 7370 anni)

Come funziona un reattore


1. Le reazioni di fissione producono calore che trasforma l’acqua in vapore.

2. Il vapore fa muovere delle turbine che producono energia elettrica.

3. Il vapore viene poi raffreddato e si ritrasforma in acqua che viene pompata nuovamente nel reattore (e il ciclo ricomincia).

Il reattore è all’interno di una struttura di contenimento (acciao e cemento).

Da un kg di uranio naturale si ricavano 160 MWh (20 tonnellate di carbone).

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3

2

Come funzionano i reattori attuali (Generazione II e III):• L’uranio è estratto dalle miniere (Canada, Australia, Nigeria, Kazakistan, etc…), viene

“arricchito”, e preparato in barre di combustibile.• Le barre vengono inserite nel nocciolo del reattore, e producono energia per 12-18 mesi.• Le barre sono rimosse, ed il “combustibile spento” è inserito in fusti (sigillati) da stoccare

in opportuni siti (quelli temporanei sono spesso vicini al reattore).

I reattori attuali

I sistemi attuali sono “once through”: il combustibile passa una sola volta attraverso il nocciolo del reattore

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Miniere di uranioReattore nucleare

Deposito di scorie

Un reattore da 1 GWe produce in un anno circa 2 tonnellate di scorie ad alta radioattività (+ 20 ton. a bassa radioattività)


Vantaggi del nucleare: i gas serra

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Il vantaggio principale è la bassa emissione di CO2 o di altri inquinanti (SO2, polveri sottili, …)


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).

Vantaggi del nucleare (2)

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 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 (per esempio dalla dissociazione dell’acqua) occorre spendere energia.


Limiti del nucleare attuale

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SicurezzaFatti grossi passi avanti:• sistemi passivi (non richiedono intervento umano)• sistemi attivi ridondanti• training continuo degli operatori (simulazioni)

I reattori in costruzione hanno un rischio di incidente al nocciolo inferiore a 10-7 per reattore per anno (dal 2001 si considera anche la possibilità di impatto di un aereo).

In caso di incidente, sistemi per mitigare (o limitare) gli effetti:• doppio contenitore del nocciolo• volume di espansione del combustibile fuso

Non esiste la sicurezza assoluta (come in nessun’altra attività umana). Incidenti possono verificarsi per eventi eccezionali imprevisti (Fukushima), per imperizia umana (Chernobyl, Goiania), o per malfunzionamento (Three Mile Island).

Il problema di un incidente nucleare è che può interessare vaste aree ed un gran numero di persone. Inoltre, i suoi effetti possono essere duraturi nel tempo.


I limiti del nucleare (2)

Produzione di scorie

Negli Stati Uniti hanno stimato che, continuando ad usare reattori tradizionali, sarebbe necessario individuare un deposito geologico (tipo Yucca Mountain, Nevada) ogni 20 anni.

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Scorie radioattiveProblema nell’individuare siti geologici per le scorie a lunga vita media.


Altre limiti del nucleare attuale

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Nel breve periodo: problema della gestione e smaltimento delle scorieNel lungo periodo (> 50 anni): esaurimento delle risorse di Uranio

Bassa efficienza nell’uso dell’uranio• nei reattori attuali, solo il 3 % dell’uranio è utilizzato per produrre energia• le riserve di uranio potrebbero esaurirsi entro 50-100 anni (o anche meno ci dovesse

essere una forte crescita del nucleare nei prossimi anni)• se si utilizzasse il 100 % dell’uranio, ce ne sarebbe a sufficienza per 3000 anni !!

Tempi di costruzione lunghi e grosso investimento iniziale• ci vogliono dai 10 ai 15 anni per scelta sito, progetto, costruzione e collaudo• tipicamente un reattore costa dai 2 ai 4 miliardi di Eu (in parte per interessi)• Costi elevati (e non facilmente quantificabili) per lo smantellamento delle centrali a fine

ciclo e per lo stoccaggio delle scorie.

Proliferazione • possibilità di utilizzare le tecnologie e il materiale per il nucleare civile per scopi militari

(vedasi caso dell’Iran).


Recycling

I reattori di IV Generazione

Principio fondamentale dei reattori di IV Generazione è il riutilizzo totale o parziale del combustibile spento (le attuali scorie nucleari). Reattori a ciclo chiuso.

Principali scopi dei reattori di IV Generazione:• minima produzione di scorie;• utilizzo ottimale delle risorse di uranio;• bassi investimenti iniziali e rapidità di costruzione;• massima sicurezza e non-proliferazione;• produzione di idrogeno (per uso nei trasporti)

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Scorie residue

Miniere di uranio

Riciclo


Scelta dei siti

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Criteri generali indicati dalla IAEA (e recepiti dagli organismi nazionali):• Bassa sismicità e stabilità idrogeologica dell’area;• Resistenza ad altri rischi ambientali esterni (inondazioni,

tsunami, etc…);• Vicinanza a fonti di acqua per il raffreddamento del reattore

(anche acqua di mare);• Bassa intensità di attività umane nella regione.


L’insieme dei criteri sopra indicati rende di non facile soluzione l’individuazione di siti idonei in Italia. Inoltre, necessario ri-acquisire il know how (competenze) tecnologiche (preparazione di esperti, agenzie di supervisione e controllo, etc…).

Necessità ed urgenza della scelta nucleare in Italia tutta da dimostrare (non così in Cina o altri paesi emergenti)

Il nucleare da fusione

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L’energia è ottenuta dalla fusione di due nuclei leggeri (idrogeno), come avviene nel Sole. Non sono prodotte scorie !!

Per innescare la reazione di fusione, necessario raggiungere temperature altissime.Confinamento magnetico: progetto ITER.

Fusione inerziale con laser: progetto NIF.

2H 3HHe


Sommario

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• Il nucleare (da fissione) contribuisce a soddisfare la richiesta di energia nel mondo e potrebbe aiutare a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili (in particolare nei paesi emergenti).

• In Europa, attualmente fornisce ~30 % dell’energia elettrica.• Il principale vantaggio rispetto ai combustibili fossili è la bassa

emissione di gas serra (CO2) e altri inquinanti, e la scarsa incidenza del costo del combustibile sul kWh.

• Resta irrisolto il problema delle scorie.• Richiede grossi investimenti iniziali (quasi sempre a garanzia

pubblica), tempi di costruzione lunghi (10 anni), e alti costi a fine ciclo.

• Rischio di incidenti gravi molto basso (e per lo più collegato ad eventi eccezionali), ma gli effetti possono essere disastrosi e duraturi nel tempo.

• In Italia, diversi motivi rendono la scelta più complicata che altrove.


Grazie per l’attenzione


La situazione italiana

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L’Italia non è l’unico paese europeo a non avere il nucleare (Austria, Danimarca, Grecia, Irlanda, Portogallo, Polonia, Turchia), ma è l’unico paese del G8 a non averlo.

Da considerare nella discussione:• fabbisogno energetico, costi, possibili alternative, etc…• numero e tipo di centrali (gradualità, Gen III+ o IV, grandi o piccole, etc…)• scelta sito (specificità del territorio e “consenso informato” delle

popolazioni).

Alcuni dati sui reattori proposti per l’Italia:• EPR (European Pressurized Reactor) 1.6 GWe• Contributo singolo reattore 3.3 % del fabb. energia

elettr.• Costo previsto 4.5 miliardi di Euro• Tempo necessario 10-15 anni (incluso scelta sito)• Competenze necessarie in parte da ricostruire


I dati si riferiscono al 2007

Fra i paesi più industrializzati, la Francia produce la minor quantità di CO2 per abitante, e per energia consumata

Le generazioni passate e … future

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Jacine KadiBreeding factors ?? (Aiche o altro)


L’incidente di Fukushima


1 lenergia nucleare alcune riflessioni sui pro e sui contro n. colonna istituto nazionale fisica...

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