Prospettive della energia nucleare

Scenari energetici futuriScenari energetici futuriProspettive della energia nucleareProspettive della energia nucleare

G. TurchettiG. TurchettiDipartimento di Fisica e Centro Galvani UNIBODipartimento di Fisica e Centro Galvani UNIBO

INFN Sezione di BolognaINFN Sezione di Bologna

Scenari energetici futuriScenari energetici futuri

In memoria di Giuseppe Minardi, un amico, Senigalliese In memoria di Giuseppe Minardi, un amico, Senigalliese che amato la sua cittche amato la sua cittàà come testimonia il suo libro come testimonia il suo libro

Senigallia... frammenti di un luogo caroSenigallia... frammenti di un luogo caro

e che nel settore energetico ha svolto con passione la e che nel settore energetico ha svolto con passione la sua attivitsua attivitàà professionale.professionale.


Energia e climaEnergia e clima

Dai fossili ai rinnovabiliDai fossili ai rinnovabili

La fissione nucleareLa fissione nucleare

Fusione a confinamento magneticoFusione a confinamento magnetico

Fusione a confinamento inerzialeFusione a confinamento inerziale

I prossimi 1000 anniI prossimi 1000 anni


Energia e climaEnergia e clima

LL’’energia energia èè un sistema complesso un sistema complesso •• Le sorgenti sono naturali: sole, combustibili chimici e nucleariLe sorgenti sono naturali: sole, combustibili chimici e nucleari..

•• Le tecnologie di trasformazione sono basate su chimica e fisica.Le tecnologie di trasformazione sono basate su chimica e fisica.

La vita La vita èè un sistema complessoun sistema complesso

Energia e vita binomio inscindibileEnergia e vita binomio inscindibile

Energia abbondante per civiltEnergia abbondante per civiltàà avanzateavanzate


STORIASTORIA

Fabbisogno alimentare procapite 2500Fabbisogno alimentare procapite 2500--3000 Kcal/g3000 Kcal/g

1 1 Kcal=Kcal= 4.2 104.2 1033 J 1 J 1 TepTep = 10= 1077 Kcal = 4.2 10Kcal = 4.2 1010 10 JJ

EpocaEpoca TepTep/y/y propro--capcap PopolazPopolaz Total Total GTepGTep FonteFonte

PreistoriaPreistoria 0.10.1 101066 1010--44 solesole--legnalegna

Civ. storicheCiv. storiche 0.20.2--0.30.3 2x102x1088 0.05 0.05 solesole--legnalegna

18001800 0.50.5--11 101099 0.50.5--11 carbonecarbone--sole sole

InizIniz. 1900. 1900 11 1.5x101.5x1099 1.51.5 carbonecarbone--solesole

InizIniz 20002000 1.51.5 6.6x106.6x1099 99 Fossili (sole10%Fossili (sole10%fissione 10%)fissione 10%)

InizIniz. 2100. 2100 22--33 16x1016x1099 3030--5050 Fusione (sole 20%)Fusione (sole 20%)


IlIl consumo totale su tutte le fonti energetiche ora consumo totale su tutte le fonti energetiche ora èè 9 9 GTepGTep pari pari a 3.8x10a 3.8x102020 J. Potenza media circa 10 J. Potenza media circa 10 TW=TW= 10101313 W.W.

Popolazione attuale 6 miliardi (6x10Popolazione attuale 6 miliardi (6x1099). Il doppio tra un secolo. ). Il doppio tra un secolo. http://www.census.gov/ipc/www/world.html


GEOGRAFIAGEOGRAFIA

I 2/3 delle riserve petrolifere sono in medio oriente. La I 2/3 delle riserve petrolifere sono in medio oriente. La Distribuzione del carbone Distribuzione del carbone èè pipiùù uniforme.uniforme.

Consumi Consumi in in TepTep/anno: USA 10, EU 5, Emisfero sud <1, Media1.5/anno: USA 10, EU 5, Emisfero sud <1, Media1.5

Legge di Legge di ParetoPareto. . Meno del 20% consuma piMeno del 20% consuma piùù della metdella metàà


ECOLOGIA E CLIMAECOLOGIA E CLIMASoleSole Fonte di energia primaria. Fonte di energia primaria. Carbone, gas e petrolio sono Carbone, gas e petrolio sono energia solare accumulata in milioni di anni. Idroelettrica energia solare accumulata in milioni di anni. Idroelettrica èèèè energia solare accumulata nel ciclo annuale. energia solare accumulata nel ciclo annuale.

Clima. Clima. Dipende dalla concentrazione di CO2 in atmosferaDipende dalla concentrazione di CO2 in atmosfera..


Concentrazione di COConcentrazione di CO2 2 e temperatura sono correlate. e temperatura sono correlate.

Relazioni di causaRelazioni di causa--effetto non chiareeffetto non chiare. .

Concentrazione: 270 ppm inizio 1800. Ora 360 ppm.Concentrazione: 270 ppm inizio 1800. Ora 360 ppm.

Proiezioni 2100 tra 500 ppm e 900 ppmProiezioni 2100 tra 500 ppm e 900 ppm

Correlazione tra CO2e temperatura

Concentrazione CO2 negli ultimi 150.000 anni

Previsione aumentotemperatura


Aumento COAumento CO22 causato da crescita demografica e del livello di vita causato da crescita demografica e del livello di vita

Oltre 80% di energia attuale dai fossili. Raddoppio concentrazioOltre 80% di energia attuale dai fossili. Raddoppio concentrazione ne entro 50 anni con aumento importante della temperatura media.entro 50 anni con aumento importante della temperatura media.


Dai fossili ai rinnovabiliDai fossili ai rinnovabiliEnergia di origine non fossile meno del 20% (elettrica 30%)

ITALIA 195 MTep: petrolio 92, gas 64, carbone 16, idro-geo 12.

Energia elettrica 70 MTep (pari a 30 centrali da 1 Gw)

Una centrale da 1 GW produce 3x1016 J anno e con efficienza del 32% ha un consumo annuo di 2.3 MTep pari a 75 Kg/s...

petrolio

gas

nucleareidro

carbone


Energia solareEnergia solareLa energia del sole La energia del sole èè perpetua ma perpetua ma diluita diluita ee intermittenteintermittente

Costante solare: Costante solare: maxmax energia per secondo e metro quadroenergia per secondo e metro quadro

W=W= 1 KW/m1 KW/m2 2 EEannoanno = 3x10= 3x1010 10 J J = 0.7 = 0.7 TepTep

Corrisponde ai 2.3 Corrisponde ai 2.3 TePTeP per produrre 1 KW in centrale con efficienza 30%per produrre 1 KW in centrale con efficienza 30%

Efficienza conversione 10%. Costante solare media 0.12 KW/mEfficienza conversione 10%. Costante solare media 0.12 KW/m22

~~ 12% <12% <WWelel> = 12 W/m> = 12 W/m22Wpicco

<W>


Centrali e tetti fotovoltaiciCentrali e tetti fotovoltaici

•• I pannelli istallati sui tetti sono ecologici, le centrali meno.I pannelli istallati sui tetti sono ecologici, le centrali meno.

•• Il costo del Il costo del KWhKWh fotovoltaico fotovoltaico èè alto (4alto (4--5 x termico)5 x termico)

•• Centrale da 1 GW quasi 100KmCentrale da 1 GW quasi 100Km22. . StoccaggioStoccaggio

•• Potenza centrali italiane 30 GW pari a 3000 KmPotenza centrali italiane 30 GW pari a 3000 Km22 di pannelli di pannelli Dai tetti il 10%Dai tetti il 10%


Altri rinnovabili• Idro-geo Fonte privilegiata, poco espandibile.

• Eolico. Forte variabilita. Centrali di sostegno.

• Solare termico. Più efficiente del fotovoltaico, poco scalabile

• Biomasse. Basso rendimento.

• Idrogeno da batteri. Possibile senza produrre CO2

Le fonti rinnovabili possono sostituire i fossili solo in parte. Il nucleare puòsostituire la parte mancante


La energia da fissione nucleareLa energia da fissione nucleareLe reazioni nucleari sono molto piLe reazioni nucleari sono molto piùù energetiche di quelle chimiche.energetiche di quelle chimiche.

Energia chimica si misura in Energia chimica si misura in eVeVEnergia nucleare in Energia nucleare in MeVMeV. . Raggi degli atomi in nanometriRaggi degli atomi in nanometriRaggi dei nuclei in FermiRaggi dei nuclei in Fermi

Rapporto energie legame 1 a 1 milioneRapporto energie legame 1 a 1 milione

= 10= 10--6 6 = 10= 106 6

Energia di Coulomb E = + eEnergia di Coulomb E = + e22/r /r

Fermi

nm

MeV

eV

Reazione a catena


LaLa energia nucleare energia nucleare èè stata messa al bando in Italia dopo ilstata messa al bando in Italia dopo ilreferendum del 1987 seguito allreferendum del 1987 seguito all’’incidente di Chernobyl.incidente di Chernobyl.

LL’’effetto pieffetto piùù devastante devastante èè stato lo smantellamento progressivo stato lo smantellamento progressivo delle competenze di natura scientifica, tecnologica e industrialdelle competenze di natura scientifica, tecnologica e industriale e che lche l’’Italia Italia vantavevantave in questo settore, oltre ad una sistematica in questo settore, oltre ad una sistematica campagna di disinformazione da parte dei media.campagna di disinformazione da parte dei media.


Neutroni termici Prodotti di fissione. Decadono con emissione di n eutroni

Energia cinetica dei prodotti di fissione circa 160 MeV

Energia sviluppata dalla combustione di 1 g di Carbonio circa 33 KJ

Energia sviluppata da 1 g di Uranio circa 36 GJ

= 1 milioneE(1 g U)

E(1 g C)


Produzione energia elettrica

Reattori: in operazione: 443 (in 30 paesi) in costruzione: 27 (in 11 paesi)

Potenza totale installata: 370 GW(e) reattori in costruzione: 22 GW(e)

Nucleare 19.3 % Nella UE 33% Italia 0%Gas naturale 19.4%Carbone 39.0% operativita reattori 12.000 anniIdro+geo+rinn. 22.3%


•• EconomicitEconomicitààElelvatiElelvati investimenti in impianti ad investimenti in impianti ad alta sicurezzaalta sicurezza. Costi di esercizio molto bassi.. Costi di esercizio molto bassi.La vita dei reattori di I e II generazione La vita dei reattori di I e II generazione èè stata portata da 30stata portata da 30--40 a 5040 a 50--60 anni60 anniCosto in euro di 1 Costo in euro di 1 MWhMWh: : nucleare 28,4 , gas 35, carbone pulito 32 Euro

•• SicurezzaSicurezzaMolto alti nei paesi occidentali. Dopo Molto alti nei paesi occidentali. Dopo CernobilCernobil migliorata la sicurezza migliorata la sicurezza neglneglimpianti di Russia e impianti di Russia e UkrainaUkraina con assistenza UE. Migliora con con assistenza UE. Migliora con generazgeneraz. III e . III e IVIV

•• RifiutiRifiutiUn reattore da 1 GW produce 30 tonnellate di combustibile Un reattore da 1 GW produce 30 tonnellate di combustibile esaritoesarito per anno.per anno.Stivaggio in depositi geologici. Ricerca avanzata sulla trasmuStivaggio in depositi geologici. Ricerca avanzata sulla trasmutazionetazionedegli attinidi a vita lunga. Problema molto ridotto nei reattoridegli attinidi a vita lunga. Problema molto ridotto nei reattori veloci veloci generazgeneraz. IV. IV

ProliferazioneProliferazioneI reattoriI reattori di di IIII e III generazione producono plutonio usabile per armi nuclearie III generazione producono plutonio usabile per armi nucleari

I problemi del nucleare da fissione


Siti di processamento e stoccaggio dei rifiuti

Il riprocessamento in un reattore o con acceleratori è in studio.

Yucca mountain USA Centre ANDRA de l’Aube (Fr)


Evoluzione dei reattori nucleari dal 1960 al 2060Evoluzione dei reattori nucleari dal 1960 al 2060


Dieci paesi si sono uniti per formare il Generation IV International Forumper sviluppare i sistemi nucleari di futura generazione. Italia assente

Sostenibilità Economicità Sicurezza e affidabilitàResistenza alla proliferazione.

Scenari energetici futuriScenari energetici futuriAndamento radioattivitAndamento radioattivitàà rifiuti in PWR e reattori rifiuti in PWR e reattori generazgeneraz. IV. IV


Reattori di generazione Reattori di generazione III+III+ PWRPWR

Questi reattori sono la evoluzione della generazione II con un Questi reattori sono la evoluzione della generazione II con un aumento significativo delle sicurezza. aumento significativo delle sicurezza.

Sono ad acqua pressurizzata PWR. In UE sono in costruzione due rSono ad acqua pressurizzata PWR. In UE sono in costruzione due reattori EPReattori EPRdi questo tipo in Francia (di questo tipo in Francia (FlamanvilleFlamanville) e Finlandia () e Finlandia (OlkiluotoOlkiluoto). In esercizio 2012). In esercizio 2012

Sicurezza aumentata notevolmente.

Stimato funzionamento per 100 milioni di anni senza incidenti gravi.

Combustibile uranio arricchito 4-6%MOX miscela uranio-plutonio

Problema scorie invariato

Reattori di IV generazione

Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)

Reattori a spettro veloce, refrigerati a sodio e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione dell’uranio fertile e la gestione degli attinidi

Spettro: veloce

Refrigerante: sodio

T out: 550°C

Potenza rif:

• 150-500 MWe (con comb. Lega U-Pu-MA-Zr)

• 500-1500 MWe (con comb. MOX)

Ciclo: chiuso (MA inclusi e conversione Pu)

Riciclo AM: si



Spettro: veloce

Refrigerante: elio

T out: 850°C

Potenza rif.: 288 MWe

Ciclo: chiuso, on site

Riciclo AM: si

Caratt. Particolari: produzione di H2 per termo-dissociazione dell’acqua

Gas-Cooled Fast Reactor (GFR)

Reattori a spettro veloce, refrigerati a elio e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione dell’uranio fertile e la gestione degli attinidi

Scenari energetici futuriScenari energetici futuriLead-Cooled Fast Reactor (LFR)

Reattori a spettro veloce, refrigerati a piombo o eutettico piombo-bismuto e con ciclo del combustibile chiuso, per una più efficiente conversione dell’uranio fertile e la gestione degli attinidi

Spettro: veloce

Refrigerante: Pb o Pb-Bi

T out: 550°C (fino a 800?)

Potenza rif.:

• 50-150 MWe (reattore a “batteria”)

• 600 MWe

Ciclo: chiuso (on site o regional)

Riciclo AM: si


Quando due nuclei leggeri si fondono formano un nucleo conenergia di legame piu alta e rilasciano energia.

• 2D + 3T= 4He + n reazione fusione• 6Li + n = 4He + 3T produzione trizio

Fusione termonucleare


VantaggiRisorse inesauribili (decine di milioni di anni)

No scorie a vita lunga

No emissioni CO2

No proliferazione

No incidenti nucleari

Scenari energetici futuriScenari energetici futuriPROBLEMIPROBLEMI

EstremaEstrema difficoltdifficoltàà nel realizzare la fusione controllatanel realizzare la fusione controllata

Due strade possibili: confinamento magnetico, inerzialeDue strade possibili: confinamento magnetico, inerzialeDimostrazione: 10 anni per inerziale 20 per magneticoDimostrazione: 10 anni per inerziale 20 per magneticoSviluppo tecnologie per centrali 20-40 anni

Confinamento magnetico Confinamento inerziale


Enormi progressi sono statiEnormi progressi sono stati realizzati. Lrealizzati. L’’aumento di potenzaaumento di potenzada reazioni di fusione segue la legge di Moore (esponenziale).da reazioni di fusione segue la legge di Moore (esponenziale).

Esperimento al JET con trizio prossimo al Esperimento al JET con trizio prossimo al breakbreak--eveneven


.

Il confinamento magnetico si realizza tramite campi

a struttura toroidale che confinano il plasma.

Il sole in bottiglia

Il premio Nobel De Gennes ha detto: idea Buona peccato che manchi la bottiglia.

Il JET ci ha fornito una mezza bottiglia.ITER Dovrebbe fornire la bottiglia intera.


La fusione richiede temperature elevate di almeno 10 La fusione richiede temperature elevate di almeno 10 KeVKeV pari a 1.2x10pari a 1.2x1088 gradi.gradi.

Le condizioni per la fusione sono fissate dal criterio di Le condizioni per la fusione sono fissate dal criterio di LawsonLawson

ρ τρ τ > c> c

dove dove ρρ èè la densitla densitàà e e ττ il tempo di confinamento.il tempo di confinamento.

Confinamento magneticoConfinamento magnetico: densit: densitàà basse, tempi lunghi (minuti)basse, tempi lunghi (minuti)

Confinamento inerzialeConfinamento inerziale : densit: densitàà alte, tempi corti (nanosecondi)alte, tempi corti (nanosecondi)

.


.

JET ITER DEMO

Avvicinamento al break even Struttura di ITER


La fusione inerziale La fusione inerziale èè una microesplosione simile a quella di una una microesplosione simile a quella di una bomba termonucleare o di una supernova.bomba termonucleare o di una supernova.

La quantitLa quantitàà di combustibile di combustibile èè minuscola, pochi mg di DT, e quindiminuscola, pochi mg di DT, e quindill’’energia rilasciata può essere controllata.energia rilasciata può essere controllata.

La energia di una bomba di decine di La energia di una bomba di decine di MtonsMtons viene rilasciata in viene rilasciata in qualche decennio con una frequenza di 10 Hz.qualche decennio con una frequenza di 10 Hz.

Esplosione termonucleare Camera di reazione di NIF


Dal diesel al motore a scoppio Dal diesel al motore a scoppio trermonuclearetrermonucleare

Negli esperimenti in corso le reazioni di fusione avvengono per Negli esperimenti in corso le reazioni di fusione avvengono per compressione. La temperatura al centro consente le prime compressione. La temperatura al centro consente le prime reazioni di fusione che si propagano come nel motore diesel.reazioni di fusione che si propagano come nel motore diesel.

La La fusione velocefusione veloce si basa sul si basa sul deposito di energia concentrata deposito di energia concentrata Tramite fascetti di elettroni o Tramite fascetti di elettroni o protoni prodotti da impulsi protoni prodotti da impulsi laser ultracorti (decine di laser ultracorti (decine di fsfs). ).

Questa fasci creano la Questa fasci creano la scintillascintilla che che accende la reazione di fusione.accende la reazione di fusione.

Elettroniveloci

Impulsi Laser perla compressione

Impulso laserultracorto


I Dispositivi per la fusione inerziale sono basati su laser Ne-vetro che hanno energiedi 10-15 KJ ma tasso di ripetizione molto basso (1 tiro ogni qualche ora).

NIF ha 192 di questi lasers e deposita 3 MJ sul bersaglio. Nei prossimi 2 anniEsperimenti di ignizione a piena potenza.

Si stanno sviluppando laser pompati a diodi che hanno frequenza elevata. Operativiper fusione tra 10-15 anni circa.

Laser Ne per NIF


•• Programma giapponese per fusione inerzialeProgramma giapponese per fusione inerziale


Programmi in EuropaProgrammi in EuropaLMJLMJ Laser Megajoule esperimento militare francese, come NIFLaser Megajoule esperimento militare francese, come NIF

PETAL PETAL Esperimento civile francese per la fast Esperimento civile francese per la fast ignitionignition

HIPER HIPER Progetto di esperimento UE per fast Progetto di esperimento UE per fast ignitionignition

PETAL

HIPER


ItaliaItalia

Partecipa ad ITER e parteciperPartecipa ad ITER e parteciperàà ad HIPER ad HIPER

Fusione magnetica: due macchine toroidali a Frascati e PadovaFusione magnetica: due macchine toroidali a Frascati e Padova

Studi su fast Studi su fast ignitionignition con il laser FLAME ora istallato con il laser FLAME ora istallato aFrascatiaFrascati..

Impegno non confrontabile con Francia, Germania, UK. Impegno non confrontabile con Francia, Germania, UK.

La ricerca in Italia non La ricerca in Italia non èè considerata strategica.considerata strategica.


Il progetto PROMETHEUSIl progetto PROMETHEUSStruttura di ricerca con un laser di potenza nel Struttura di ricerca con un laser di potenza nel laboratorioMontecuccolinolaboratorioMontecuccolino delladellaUn. Di Bologna che ospitava un reattore.Un. Di Bologna che ospitava un reattore.

Protoni per la terapia oncologica e ricerche sulla ignizione raProtoni per la terapia oncologica e ricerche sulla ignizione rapidapida

Laboratorio di Montecuccolino


AD ASTRAAD ASTRAEnergia abbondante e pulita Energia abbondante e pulita èè condizione per la democraziacondizione per la democraziaevitando il ritorno ad antiche schiavitevitando il ritorno ad antiche schiavitùù. Apre anche le porte . Apre anche le porte verso altri mondi altra condizione per il progresso dellverso altri mondi altra condizione per il progresso dell’’umanitumanitàà

Technology

Prospettive della energia nucleare