L’ENERGIA NUCLEARE : EVOLUZIONE E PROSPETTIVE

M.Salvatores (CEA, Cadarache e Argonne National Laboratory, USA) 

Il contesto internazionale

Panorama della situazione attuale

Nuove linee di sviluppo : esempi di nuovi concetti di reattori e cicli del combustibile avanzati

Conclusioni e prospettive.

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1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

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Other Renewable

Biomass

Nuclear

Gas

Oil

Coal

Population

Domanda di energia e sviluppo demografico…..

…il prezzo del petrolio…..

….il cambiamento climatico….

Trends: U.S. Public OpinionTrends: U.S. Public OpinionFavor/Oppose Use of Nuclear EnergyFavor/Oppose Use of Nuclear Energy(Annual Averages 1983-2004)(Annual Averages 1983-2004)

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2000

2001

2002

2003

2004

May-05

Favor Oppose

…evoluzione dell’opinione pubblica…

Multiple Questions: U.S. Public OpinionMultiple Questions: U.S. Public Opinion Steps to New Nuclear Power PlantsSteps to New Nuclear Power Plants

Important for our energy

future

83%

Prepare to build

77%

Definitely build

nuclear plants in

future

58%

Accept new

reactors at nearest

plant

69%

Favor use

of nuclear energy

70%

Source: Bisconti Research Inc./NOP World, May 2005, 1,000 national adults

…e segni di cambiamento di politica negli USA

Benefits•Provide abundant energy without generating carbon emissions or greenhouse gases.•Recycle used nuclear fuel to minimize waste and reduce proliferation concerns.•Safely and securely allow developing nations to deploy nuclear power to meet energy needs.•Assure maximum energy recovery from still-valuable used nuclear fuel.•Reduce the number of required U.S. geologic waste repositories to one for the remainder of this century.

Una nuova iniziativa (Febbraio 2006): GNEP

Le generazioni successive di reattori nucleari

Generation I

Generation II

1950 1970 1990 2010 2030 2050 2070 2090

Generation III

Primi Primi reattorireattori

Reattori attualiReattori attuali

Reattori Reattori “avanzati”“avanzati”

Sistemi del Sistemi del futurofuturo

Generation IV

Generazione II: I reattori di oggiGenerazione II: I reattori di oggi

Situazione nel 2005: reattori per “famiglie”…

TipoTipo No. di unitàNo. di unità Capacità Capacità totale (MWetotale (MWe))

PWRPWR 263263 236236

BWRBWR 9292 8181

PHWRPHWR 3838 1919

GCRGCR 2626 1111

LWGRLWGR 1717 1313

FBRFBR 33 11

TotaleTotale 439439 361361

Generazione II: I reattori di oggiGenerazione II: I reattori di oggi…e per Paese

PaesePaese No. di unitàNo. di unità Capacità (Gwe)Capacità (Gwe)

United StatesUnited States 104104 9898

FranceFrance 5959 6363

JapanJapan 5353 4444

RussiaRussia 3030 2121

United KingdomUnited Kingdom 2727 1212

South KoreaSouth Korea 1919 1616

GermanyGermany 1818 2121

CanadaCanada 1616 1111

UkraineUkraine 1313 1111

Others (22)Others (22) 100100 6464

TotalTotal 439439 361361

Generazione III: reattori Generazione III: reattori “avanzati”“avanzati”

Una nuova generazione di reattori che beneficiano della Una nuova generazione di reattori che beneficiano della vasta vasta esperienza acquisita nell’operazione di Gen-II e esperienza acquisita nell’operazione di Gen-II e delle delle lezioni apprese a TMIlezioni apprese a TMI

I reattori ad acqua sono ancora dominantiI reattori ad acqua sono ancora dominanti

Nuovi miglioramenti alla sicurezza, ma la competitività Nuovi miglioramenti alla sicurezza, ma la competitività economica è l’obbiettivo principaleeconomica è l’obbiettivo principale

Diversi approcci in competizione industriale:Diversi approcci in competizione industriale:

piccola/grande tagliapiccola/grande taglia

sicurezza passiva/attivasicurezza passiva/attiva

La mitigazione delle conseguenze di un eventuale La mitigazione delle conseguenze di un eventuale incidente incidente grave è un risultato particolarmente grave è un risultato particolarmente significativosignificativo

Reattori industriali, sviluppabili a corto termine:

Generazione III : l’offerta Generazione III : l’offerta industrialeindustriale

Generation III reactors identified as

‘Near Term Deployment’ by the Generation IV Forum

Advanced Pressurized Water Reactors

AP 600, AP 1000, APR1400, APWR+, EPR

Advanced Boiling Water Reactors

ABWR II, ESBWR, HC-BWR, SWR-1000

Advanced Heavy Water Reactors

ACR-700 (Advanced CANDU Reactor 700)

Small and middle range power integrated Reactors

CAREM, IMR, IRIS, SMART

High Temperature, Gas Cooled, Modular Reactors

GT-MHR, PBMR

Generazione III : prospettive di mercatoGenerazione III : prospettive di mercato

PaesePaese No. di No. di reattorireattori

Età mediaEtà media

United United StatesStates

104104 29 years29 years

FranceFrance 5959 19 years19 years

JapanJapan 5353 19 years19 years

United United KingdomKingdom

2727 30 years30 years

GermanyGermany 1818 23 years23 years

SwedenSweden 1111 25 years25 years

BelgiumBelgium 77 27 years27 years

ChinaChina 99 5 years5 years

FinlandFinland 44 24 years24 years

Età media dei reattori in operazione (2004)

Reattori ad acqua leggera: Generazione IIIReattori ad acqua leggera: Generazione III

AREVA : EPR (European Pressurized Reactor)

Un EPR in costruzione in Finlandia e prossimo ordine in Francia.In competizione per un ordine di 4 centrali in Cina.

I reattori…ma quale ciclo del combustibile?

-stoccaggio diretto del combustibile usato (direct disposal)

-ciclo »chiuso » (riprocessamento e riciclaggio) (closed cycle)

Se si riprocessa (ciclo chiuso), i rifiuti radioattivi (prodotti di fissione e attinidi minori: Np, Am, Cm) vengono « vitrificati »

Questa operazione riduce significativamente lo spazio di stoccaggio.

Per quanto riguarda i rischi di proliferazione, lasciare il Plutonio nel combustibile usato (cioè fare dello stoccaggio diretto) presenta ovvi inconvenienti:

In sostanza, 3 inconvenienti maggiori legati allo stoccaggio diretto:

-Utilizzo estremamente inefficiente dell’Uranio (<1%)

-Grandi volumi di stoccaggio

-Formazione di « miniere » di Plutonio

Geological Disposal

Dedicated Fueland

LLFP targetFabrication

Pu, MA, LLFP

Direct Disposal

P & T

PartitioningSpent Fuelfrom LWRs

Transmutation

GeologicalDisposal

Dedicated Fueland

LLFP TargetReprocessing

Stable FP, TRU losses

Pu, MA, LLFP

Stable FP, TRU losses

Cs, Sr Temporary Storagefor heat decay

LLFP: Long lived fission products (Tc -99, I -129, Se -79, ...); MA: Minor Actinides (Am, Np, Cm)

Geological DisposalGeological Disposal

Dedicated Fueland

LLFP targetFabrication

Pu, MA, LLFP

Direct Disposal

P & T

PartitioningSpent Fuelfrom LWRs

Transmutation

GeologicalDisposal

Dedicated Fueland

LLFP TargetReprocessing

Stable FP, TRU losses

Pu, MA, LLFP

Stable FP, TRU losses

Cs, Sr Temporary Storagefor heat decay

LLFP: Long lived fission products (Tc -99, I -129, Se -79, ...); MA: Minor Actinides (Am, Np, Cm)

Chiudere il ciclo è quindi essenziale per un nucleare durevole e per minimizzare i rifiuti radioattivi

BENEFICI POTENZIALI DELLA BENEFICI POTENZIALI DELLA SEPARAZIONE/TRANSMUTAZIONESEPARAZIONE/TRANSMUTAZIONE

-Riduzione della sorgente di radiotossicità potenziale in un deposito geologico

-Riduzione del calore residuo: aumento della capacità del deposito geologico

-Se i transuranici non vengono separati fra di loro, diminuzione del rischio di proliferazione

Generazione IV: i sistemi del futuroGenerazione IV: i sistemi del futuro

La domanda di energia nucleare è potenzialmente in La domanda di energia nucleare è potenzialmente in aumento aumento significativo.significativo.

L’esigenza per il nucleare di essere “durevole” (cioè di L’esigenza per il nucleare di essere “durevole” (cioè di permettere permettere la conservazione delle risorse) diventa un la conservazione delle risorse) diventa un obbiettivo obbiettivo maggiore. La riduzione dei rifiuti e del rischio maggiore. La riduzione dei rifiuti e del rischio di di proliferazione diventano criteri altrettanto importanti proliferazione diventano criteri altrettanto importanti

quanto la sicurezza e l’economia.quanto la sicurezza e l’economia.

Inoltre, altre applicazioni dell’energia nucleare vengono Inoltre, altre applicazioni dell’energia nucleare vengono proposte:proposte: la produzione di idrogeno, l’uso industriale del la produzione di idrogeno, l’uso industriale del calore, la calore, la desalinizzazione dell’acqua marina.desalinizzazione dell’acqua marina.

Lo sviluppo di nuovi sistemi richiede tempo e la loro Lo sviluppo di nuovi sistemi richiede tempo e la loro introduzione introduzione su scala industriale è prevedibile verso il su scala industriale è prevedibile verso il 2030 o oltre.2030 o oltre.

• Concetti decisamente innovanti perConcetti decisamente innovanti per::Minimizzazione dei rifiutiMinimizzazione dei rifiutiConservazione delle risorseConservazione delle risorseNon proliferazioneNon proliferazione

Maturità tecnica verso il 2030Maturità tecnica verso il 2030

Nuovi mercatiNuovi mercati - produzione di idrogeno

- uso diretto del calore - desalinizzazione

R&D distribuita a livello internazionaleR&D distribuita a livello internazionale

Nuovi requisiti per un nucleare “durevole”:Nuovi requisiti per un nucleare “durevole”:

Generation IV

International Forum

Members

Generation IV

International Forum

Members

U.S.A.U.S.A.

ArgentinaArgentina

BrazilBrazil

CanadaCanada

FranceFrance

JapanJapan

South AfricaSouth Africa

UnitedUnitedKingdomKingdom

South KoreaSouth Korea

SwitzerSwitzerlandland

Generazione IV : International Generazione IV : International ForumForum

• Miglioramenti graduali perMiglioramenti graduali per:: Competitività

Sicurezza e affidabilità

E.U.E.U.

Dai reattori ad acqua leggera ai Dai reattori ad acqua leggera ai reattori di Gen-IV….reattori di Gen-IV….

- Una tecnologia matura con la più vasta esperienza di Una tecnologia matura con la più vasta esperienza di costruzione, manutenzione, operazionecostruzione, manutenzione, operazione

- Notevoli progressi nella transizione da Gen-II a Gen-IIINotevoli progressi nella transizione da Gen-II a Gen-III

- Due limitazioni principaliDue limitazioni principali:: a) temperatura sotto i 300°C (rendimento “basso”)a) temperatura sotto i 300°C (rendimento “basso”) b) bilancio neutronico che non lascia margini (per es. b) bilancio neutronico che non lascia margini (per es.

per la surgenerazione) per la surgenerazione)

-Fin dagli anni ’50, individuate due vie per palliare a queste Fin dagli anni ’50, individuate due vie per palliare a queste limitazioni:limitazioni:

a) i reattori velocia) i reattori velocib) i reattori ad alta temperaturab) i reattori ad alta temperatura

I reattori ad acqua leggera:

Reattori ad alta temperaturaReattori ad alta temperatura

-Temperature dell’ordine di 800-1000°C permettono l’uso Temperature dell’ordine di 800-1000°C permettono l’uso diretto del calore per l’industria e la produzione di diretto del calore per l’industria e la produzione di idrogeno idrogeno tramite processi chimici.tramite processi chimici.

- L’unica possibilità è il raffreddamento con un gas, e l’elio è L’unica possibilità è il raffreddamento con un gas, e l’elio è la scelta più conveniente.la scelta più conveniente.

- Primi prototipi negli anni 70 (Fort St Vrain negli USA, THTR Primi prototipi negli anni 70 (Fort St Vrain negli USA, THTR in Germania).in Germania).

- Piccoli reattori sperimentali costruiti recentemente in Asia Piccoli reattori sperimentali costruiti recentemente in Asia (HTTR in Giappone, HTR 10 in Cina).(HTTR in Giappone, HTR 10 in Cina).

- Nuovi progetti allo studio nel quadro di Gen III (PBMR in Sud Nuovi progetti allo studio nel quadro di Gen III (PBMR in Sud Africa) o di Gen IV ( NGNP negli USA).Africa) o di Gen IV ( NGNP negli USA).

Reattori ad alta temperaturaReattori ad alta temperatura

Source: General Atomics

Reattori ad alta temperatura: le sfideReattori ad alta temperatura: le sfide

1 – Il combustibile: sferette con rivestimento di carbonio e SiC; 1 – Il combustibile: sferette con rivestimento di carbonio e SiC; sferette a loro volta inserite in blocchi di grafite secondo sferette a loro volta inserite in blocchi di grafite secondo diverse diverse opzioni:opzioni:

- compacts (FSV, GT-MHR)- compacts (FSV, GT-MHR)

- pebbles (THTR, PBMR)- pebbles (THTR, PBMR)

2 – Materiali strutturali: la grafite è dominante nel core, ma materiali 2 – Materiali strutturali: la grafite è dominante nel core, ma materiali atti alle alte temperature (per es. negli scambiatori), devono atti alle alte temperature (per es. negli scambiatori), devono

essere sviluppatiessere sviluppati

3 – Il sistema di raffreddamento : circuiti a elio con conversione diretta 3 – Il sistema di raffreddamento : circuiti a elio con conversione diretta (ciclo di Brayton) o conversione indiretta per mezzo di (ciclo di Brayton) o conversione indiretta per mezzo di

scambiatori.scambiatori.

4 – Potenza del reattore: limitata dalla bassa potenza specifica e 4 – Potenza del reattore: limitata dalla bassa potenza specifica e alta pressione.alta pressione.

Reattori ad alta temperatura: un esempio Reattori ad alta temperatura: un esempio di combustibiledi combustibile

Elemento di combustibile prismatico con sferette TRISO

Reattori a neutroni velociReattori a neutroni veloci

I neutroni “veloci” danno luogo ad un rapporto fra I neutroni “veloci” danno luogo ad un rapporto fra probabilità probabilità di fissione e probabilità di assorbimento molto di fissione e probabilità di assorbimento molto

favorevole, e quindi un bilancio neutronico ricco in favorevole, e quindi un bilancio neutronico ricco in neutroni disponibili.neutroni disponibili.

Ne consegue la possibilità di un uso efficace dell’Uranio, Ne consegue la possibilità di un uso efficace dell’Uranio, con trasformazione dell’U-238 in Pu-239con trasformazione dell’U-238 in Pu-239

Inoltre, gli attinidi “minori” (Am, Cm, Np) vengono bruciati Inoltre, gli attinidi “minori” (Am, Cm, Np) vengono bruciati molto meglio che nei reattori a neutroni termici a molto meglio che nei reattori a neutroni termici a causa causa delle alte probabilità di fissione dei neutroni delle alte probabilità di fissione dei neutroni veloci veloci nell’interazione con questi elementi.nell’interazione con questi elementi.

Il riciclaggio Il riciclaggio multiplomultiplo di tutti i transuranici è fattibile di tutti i transuranici è fattibile

Reattori veloci: ottimizzazione delle risorse

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2000 2020 2040 2060 2080 2100Year

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LWR Once Through

FR Introduced 2050

FR Introduced 2030

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LWR Once Through

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FR Introduced 2030

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Reattori veloci: minimizzazione dei rifiuti Reattori veloci: minimizzazione dei rifiuti radioattiviradioattivi

Plutonium recycling

Spent FuelDirect disposal

Uranium Ore (mine)

Time (years)

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P&T of MA

Pu +MA +FP

MA +FP

FP

Reattori veloci: le tecnologieReattori veloci: le tecnologie

Per mantenere i neutroni “veloci”, si devono evitare materiali Per mantenere i neutroni “veloci”, si devono evitare materiali leggeri per il core e soprattutto per il refrigerante.leggeri per il core e soprattutto per il refrigerante.

Le due principali classi di refrigeranti sono i metalli liquidi Le due principali classi di refrigeranti sono i metalli liquidi (Na, Pb, Pb/Bi) e i gas (He, CO2).(Na, Pb, Pb/Bi) e i gas (He, CO2).

Notevole esperienza internazionale sulla tecnologia del Notevole esperienza internazionale sulla tecnologia del raffreddamento con il Na (BN600 in Russia, raffreddamento con il Na (BN600 in Russia, Superphenix e Superphenix e Phenix in Francia, Monju in Giappone, Phenix in Francia, Monju in Giappone, FFTF negli FFTF negli USA).USA).

I Russi hanno usato il Pb per i reattori dei sottomarini.I Russi hanno usato il Pb per i reattori dei sottomarini.

L’uso della tecnologia dell’He sviluppata per gli HTR, è L’uso della tecnologia dell’He sviluppata per gli HTR, è considerata anche per i veloci.considerata anche per i veloci.

Reattori veloci: la tecnologia del NaReattori veloci: la tecnologia del Na- Il sodio è un ottimo refrigerante:Il sodio è un ottimo refrigerante:

- liquido in un ampio intervallo di liquido in un ampio intervallo di temperature (90 – 890°C) temperature (90 – 890°C)- mono isotopico (Na23)mono isotopico (Na23)- parametri termodinamici parametri termodinamici favorevolifavorevoli- non corrosivo (se purificato)non corrosivo (se purificato)

- notevole esperienza industriale :notevole esperienza industriale :- vari usi industrialivari usi industriali- 40 anni di studi tecnologici per 40 anni di studi tecnologici per applicazioni nucleariapplicazioni nucleari- molti prototipimolti prototipi

- Ben noti svantaggi :Ben noti svantaggi :- reattività chimica (fuochi di reattività chimica (fuochi di sodio e reazione sodio-acqua)sodio e reazione sodio-acqua)- difficoltà per la manutenzione e difficoltà per la manutenzione e l’ispezionel’ispezione

BN 600 (Russia)BN 600 (Russia)

A 600 MWe plant built at Beloyarsky (Russia)First criticality: 1980; still in operation

SUPERPHENIXSUPERPHENIX

A 1200 MWe plant built at Creys-Malville (France)First criticality: 1985; Shutdown: 1997

Reattori veloci: la tecnologia del PbReattori veloci: la tecnologia del Pb

Candidato per evitare fuochi di Na e Candidato per evitare fuochi di Na e reazioni Na-acquareazioni Na-acqua

Refrigerante meno favorevole Refrigerante meno favorevole (parametri termodinamici e rischi di (parametri termodinamici e rischi di corrosione)corrosione)

L’eutettico Pb-Bi permette di L’eutettico Pb-Bi permette di alleviare i rischi di corrosionealleviare i rischi di corrosione

L’esperienza è limitata L’esperienza è limitata all’applicazione in Russia per la all’applicazione in Russia per la propulsione navalepropulsione navale

Molti studi in corso inMolti studi in corso in differenti differenti paesipaesi

Reattori veloci: la tecnologia dell’HeReattori veloci: la tecnologia dell’He

Il raffreddamento con un gas è meno efficiente che con un metallo Il raffreddamento con un gas è meno efficiente che con un metallo liquidoliquido

Lo sviluppo di un reattore veloce a gas necessita un nuovo tipo di Lo sviluppo di un reattore veloce a gas necessita un nuovo tipo di combustibilecombustibile

La tecnologia dell’elio è già considerata per i VHTRLa tecnologia dell’elio è già considerata per i VHTR

Specifici problemi di sicurezza devono essere risoltiSpecifici problemi di sicurezza devono essere risolti

In caso di successo, il risultato In caso di successo, il risultato permetterebbe di raggiungere permetterebbe di raggiungere entrambi gli obbiettivi per uno entrambi gli obbiettivi per uno sviluppo durevole sviluppo durevole (fisica dei neutroni veloci e (fisica dei neutroni veloci e tecnologia ad alte temperature)tecnologia ad alte temperature)

In conclusione:

Dopo un periodo di stagnazione e di dubbio, ci sono chiari segnali di una nuova, significativa ripresa del nucleare nel mondo. I paesi asiatici si mostrano i piu volontaristi, ma recenti dichiarazioni e

iniziative negli USA e in Europa sono altrettanto significative.

L‘innovazione giocherà un ruolo essenziale per rispondere ai nuovi obbiettivi di sviluppo durevole e di minimizzazione dei rifiuti.

Un problema essenziale: la formazione di una nuova generazione di specialisti nei diversi settori: materiali, chimica degli attinidi, ingegneria del sistema, fisica dei reattori, meccanica, termoidraulica….

Le „sfide“ scientifiche offrono potenzialmente stroardinarie aperture nell‘industria, nei centri di ricerca e nell‘Università.

L‘energia è un tema centrale nelle nostre società. Contribuire allo sviluppo di un nucleare durevole, sicuro e rispettoso dell‘ambiente non è soltanto un „challenge“ scientifico, ma un vero e proprio „challenge“ di società.