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.
Domanda di energia e sviluppo demografico…..
World Primary Energy Sources (Gtoe)
25
20
15
Other Renewable
Biomass
Nuclear
Gas
Oil
Coal
Population
8,5
8
7,5
7
10
5
6,5
0
6
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
World Population (Billions)
9
30
…il prezzo del petrolio…..
….il cambiamento climatico….
…evoluzione dell’opinione pubblica…
Trends: U.S. Public Opinion
Favor/Oppose Use of Nuclear Energy
(Annual Averages 1983-2004)
Favor
Oppose
80
70
60
49
46
40
24
20
May-05
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
Multiple Questions: U.S. Public Opinion
Steps to New Nuclear Power Plants
Important
for our
energy
future
83%
Favor use
of nuclear
energy
Prepare to
build
70%
77%
Definitely
build
nuclear
plants in
future
58%
Source: Bisconti Research Inc./NOP World, May 2005, 1,000 national
adults
Accept
new
reactors
at nearest
plant
69%
…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
Reattori
“avanzati”
Reattori attuali
Sistemi del
futuro
Primi
reattori
1950
1970
1990
2010
2030
2050
2070
Generation I
Generation II
Generation III
Generation IV
2090
Generazione II: I reattori di oggi
Situazione nel 2005: reattori per “famiglie”…
Tipo
No. di unità
Capacità totale
(MWe)
PWR
263
236
BWR
92
81
PHWR
38
19
GCR
26
11
LWGR
17
13
FBR
3
1
Totale
439
361
Generazione II: I reattori di oggi
…e per Paese
Paese
No. di unità
Capacità (Gwe)
United States
104
98
France
59
63
Japan
53
44
Russia
30
21
United Kingdom
27
12
South Korea
19
16
Germany
18
21
Canada
16
11
Ukraine
13
11
Others (22)
100
64
Total
439
361
Generazione III: reattori “avanzati”
Reattori industriali, sviluppabili a corto termine:
Una nuova generazione di reattori che beneficiano della vasta
esperienza acquisita nell’operazione di Gen-II e delle
lezioni apprese a TMI
I reattori ad acqua sono ancora dominanti
Nuovi miglioramenti alla sicurezza, ma la competitività
economica è l’obbiettivo principale
Diversi approcci in competizione industriale:
piccola/grande taglia
sicurezza passiva/attiva
La mitigazione delle conseguenze di un eventuale incidente
grave è un risultato particolarmente significativo
Generazione III : l’offerta industriale
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 mercato
Età media dei reattori in operazione (2004)
Paese
United
States
France
Japan
United
Kingdom
Germany
Sweden
Belgium
China
Finland
No. di
reattori
104
Età media
59
53
27
19 years
19 years
30 years
18
11
7
9
4
23 years
25 years
27 years
5 years
24 years
29 years
Reattori 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
Chiudere il ciclo è quindi
essenziale per un nucleare
durevole e per minimizzare i
rifiuti radioattivi
Geological
Disposal
Direct Disposal
Temporary Storage
for heat decay
Cs, Sr
Geological
Disposal
Spent Fuel
from LWRs
Partitioning
Stable FP, TRU
losses
P&T
Pu, MA, LLFP
Dedicated Fuel
and
LLFP target
Fabrication
Stable FP, TRU
Transmutation
losses
Dedicated Fuel
and
LLFP Target
Reprocessing
Pu, MA, LLFP
LLFP: Long
lived fission products
(Tc -99, I -129, Se -79, ...); MA:
Minor Actinides
(Am, Np, Cm)
BENEFICI POTENZIALI DELLA
SEPARAZIONE/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 futuro
La domanda di energia nucleare è potenzialmente in aumento
significativo.
L’esigenza per il nucleare di essere “durevole” (cioè di permettere
la conservazione delle risorse) diventa un obbiettivo
maggiore. La riduzione dei rifiuti e del rischio di
proliferazione diventano criteri altrettanto importanti
quanto la sicurezza e l’economia.
Inoltre, altre applicazioni dell’energia nucleare vengono proposte:
la produzione di idrogeno, l’uso industriale del calore, la
desalinizzazione dell’acqua marina.
Lo sviluppo di nuovi sistemi richiede tempo e la loro introduzione
su scala industriale è prevedibile verso il 2030 o oltre.
Generazione IV : International Forum
 Nuovi requisiti per un nucleare “durevole”:
• Miglioramenti graduali per:
• Concetti decisamente
 Competitività
 Sicurezza e affidabilità
innovanti per:
 Minimizzazione dei rifiuti
 Conservazione delle
risorse
 Maturità tecnica verso il 2030
 Non proliferazione
 Nuovi mercati
- produzione di idrogeno
- uso diretto del calore
- desalinizzazione
France
Canada
U.S.A.
Brazil
 R&D distribuita a livello internazionale
United
Kingdom
Generation IV
International
Forum
Members
Argentina
South Africa
E.U.
Switzerl
and
Japan
South Korea
Dai reattori ad acqua leggera ai
reattori di Gen-IV….
I reattori ad acqua leggera:
- Una tecnologia matura con la più vasta esperienza di
costruzione, manutenzione, operazione
- Notevoli progressi nella transizione da Gen-II a Gen-III
- Due limitazioni principali:
a) temperatura sotto i 300°C (rendimento “basso”)
b) bilancio neutronico che non lascia margini (per es.
per la surgenerazione)
-Fin dagli anni ’50, individuate due vie per palliare a queste
limitazioni:
a) i reattori veloci
b) i reattori ad alta temperatura
Reattori ad alta temperatura
-Temperature dell’ordine di 800-1000°C permettono l’uso
diretto del calore per l’industria e la produzione di
idrogeno tramite processi chimici.
- L’unica possibilità è il raffreddamento con un gas, e l’elio è
la scelta più conveniente.
- Primi prototipi negli anni 70 (Fort St Vrain negli USA, THTR
in Germania).
- Piccoli reattori sperimentali costruiti recentemente in Asia
(HTTR in Giappone, HTR 10 in Cina).
- Nuovi progetti allo studio nel quadro di Gen III (PBMR in Sud
Africa) o di Gen IV ( NGNP negli USA).
Reattori ad alta temperatura
Source: General Atomics
Reattori ad alta temperatura: le sfide
1 – Il combustibile: sferette con rivestimento di carbonio e SiC;
sferette a loro volta inserite in blocchi di grafite secondo
diverse opzioni:
- compacts (FSV, GT-MHR)
- pebbles (THTR, PBMR)
2 – Materiali strutturali: la grafite è dominante nel core, ma materiali
atti alle alte temperature (per es. negli scambiatori), devono
essere sviluppati
3 – Il sistema di raffreddamento : circuiti a elio con conversione diretta
(ciclo di Brayton) o conversione indiretta per mezzo di
scambiatori.
4 – Potenza del reattore: limitata dalla bassa potenza specifica e
alta pressione.
Reattori ad alta temperatura: un esempio
di combustibile
Elemento di combustibile prismatico con sferette TRISO
Reattori a neutroni veloci
I neutroni “veloci” danno luogo ad un rapporto fra probabilità
di fissione e probabilità di assorbimento molto
favorevole, e quindi un bilancio neutronico ricco in
neutroni disponibili.
Ne consegue la possibilità di un uso efficace dell’Uranio,
con trasformazione dell’U-238 in Pu-239
Inoltre, gli attinidi “minori” (Am, Cm, Np) vengono bruciati
molto meglio che nei reattori a neutroni termici a
causa delle alte probabilità di fissione dei neutroni
veloci nell’interazione con questi elementi.
Il riciclaggio multiplo di tutti i transuranici è fattibile
Cumulative Natural U
(Million Tonnes)
Reattori veloci: ottimizzazione delle risorse
50
LWR
Through
LWROnce
Once Through
40
30
FR Introduced 2050
20
Speculative Resources
FR Introduced 2030
10
0
2000
Known Resources
2020
2040
2060
Year
2080
2100
Reattori veloci: minimizzazione dei rifiuti
radioattivi
MA +
FP
Plutonium
recycling
Pu +
MA +
FP
Spent Fuel
Direct disposal
Uranium Ore (mine)
P&T of MA
FP
Time (years)
Reattori veloci: le tecnologie
Per mantenere i neutroni “veloci”, si devono evitare materiali
leggeri per il core e soprattutto per il refrigerante.
Le due principali classi di refrigeranti sono i metalli liquidi
(Na, Pb, Pb/Bi) e i gas (He, CO2).
Notevole esperienza internazionale sulla tecnologia del
raffreddamento con il Na (BN600 in Russia,
Superphenix e Phenix in Francia, Monju in Giappone,
FFTF negli USA).
I Russi hanno usato il Pb per i reattori dei sottomarini.
L’uso della tecnologia dell’He sviluppata per gli HTR, è
considerata anche per i veloci.
Reattori veloci: la tecnologia del Na
- Il sodio è un ottimo refrigerante:
- liquido in un ampio intervallo di
temperature (90 – 890°C)
- mono isotopico (Na23)
- parametri termodinamici
favorevoli
- non corrosivo (se purificato)
- notevole esperienza industriale :
- vari usi industriali
- 40 anni di studi tecnologici per
applicazioni nucleari
- molti prototipi
- Ben noti svantaggi :
- reattività chimica (fuochi di sodio
e reazione sodio-acqua)
- difficoltà per la manutenzione e
l’ispezione
BN 600 (Russia)
A 600 MWe plant built at Beloyarsky (Russia)
First criticality: 1980; still in operation
SUPERPHENIX
A 1200 MWe plant built at Creys-Malville (France)
First criticality: 1985; Shutdown: 1997
Reattori veloci: la tecnologia del Pb
Candidato per evitare fuochi di Na e
reazioni Na-acqua
Refrigerante meno favorevole
(parametri termodinamici e rischi di
corrosione)
L’eutettico Pb-Bi permette di
alleviare i rischi di corrosione
L’esperienza è limitata
all’applicazione in Russia per la
propulsione navale
Molti studi in corso in differenti paesi
Reattori veloci: la tecnologia dell’He
Il raffreddamento con un gas è meno efficiente che con un metallo
liquido
Lo sviluppo di un reattore veloce a gas necessita un nuovo tipo di
combustibile
La tecnologia dell’elio è già considerata per i VHTR
Specifici problemi di sicurezza devono essere risolti
In caso di successo, il risultato
permetterebbe di raggiungere
entrambi gli obbiettivi per uno
sviluppo durevole
(fisica dei neutroni veloci e
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.