Scenari futuri della energia nucleare
Giorgio Turchetti
Il costo dell’energia
Reattori di IV generazione
Fusione magnetica
Fusione inerziale
Scenari futuri della energia nucleare
29 JANUARY 2010 VOL 327 SCIENCE www.sciencemag.org
Scenari futuri della energia nucleare
I COSTI DELL’ENERGIA
Scenari futuri della energia nucleare
I costi dell’energia sono difficili da valutare. Accanto ai prezzi di mercato
vanno considerati i costi occulti da inquinamento (CO2 o scorie nucleari)
e gli incentivi sui rinnovabili (1 € = 1.4 $)
$/MWh
Fossili
Idro
30
30
€/MWh
(carbone)
(impianti esistenti)
70
100
(gas)
(nuovi impianti)
20 – 50
20 - 70
Eolico
110
80
Fotovoltaico
700
500
40-80
30 - 60
Nucleare
http://www.ecoage.it/energia-nucleare-costi.htm
senza carbon tax
Stime e fotovoltaico 300 Euro Nucleare 60 Euro al 2015
Scenari futuri della energia nucleare
Wikipedia
Costruzione €/KWh Carburante €/GJ
Carbone
Gas
Nucleare
1600
0.9
600
2.5
3000
0.3
Costi attuali stimati da ECOAGE
20 € centrali idroelettriche e
20 € carbone
30 € nucleare
40 € gas
50 € biogas
70 € geotermico
70 € eolico
70 € nuove centrali idroelettriche
120 € celle a combustibile
570 € fotovoltaico
o
Costo base €/MWh
Carbon Tax
48
60
46
52
60
€/MWh
47
50
60
60
70
60
180
325
Scenari futuri della energia nucleare
Energia solare
La energia del sole è perpetua ma diluita e intermittente
Costante solare:
energia massima per secondo e metro quadro
W= 1 KW/m2
La efficienza di conversione dei pannelli è 10%.
Costante solare media: giorno/notte, stagionalità
e meteo danno una
costante media di 0.12 KW/m2
<W>
~ 12%
Wpicco
<Wel> = 12 W/m2
Scenari futuri della energia nucleare
Nucleare
Costo impianto rilevante. Costo combustibile trascurabile 0.3% anno
Centrale a gas 10% anno. Occupazione suolo bassa. Idoneo per paesi
ad alto sviluppo industriale, zone temperate-fredde.
Fotovoltaico
Costo impianto altissimo 10 volte il nucleare. Costo combustibile nullo.
Occupazione suolo altissima. Idoneo per piccole comunità
isolate e paesi fascia tropicale.
Il mito delle centrali fotovoltaiche
Centrale di Rovigo: 72 MW di picco costruita da Sun Edison. Potenza media 10-20 MW.
Occupazione 2 Km2. Costo 600 M€ (RAI) 250 M€ (sito IDV).
Centrale da 1GW potenza media, occupazione 100 Km2 . Costo 10 (4 volte) centrale
Nucleare. Occupazione suolo da ben oltre 1000 volte.
Scenari futuri della energia nucleare
Il picco dei fossili si ritiene venga raggiunto entro i prossimi anni. Con il calo
della produzione aumenterà il sosto del KWh. Si avrà una crescita delle fornti
rinnovabili e del nucleare. In entrambi i casi le nuove tecnologie sono cruciali.
Rinnovabili: produzione di H con batteri geneticamente modificati
Nucleare: reattori di IV generazione nel 2040-60 e fusione tra 2060-90
Scenari futuri della energia nucleare
REATTORI DI IV GENERAZIONE
Scenari futuri della energia nucleare
Reattori di IV generazione
Elevata efficienza energetica (ciclo U chiuso, no Pu )
Drastica dimunzione di e scorie a lunga vita.
Rischio di proliferazione quasi nullo (no Pu)
Aumento di sicurezza degli impianti
R&D necessaria per la realizzazione
sodio
gas
piombo
Scenari energetici futuri
Evoluzione dei reattori nucleari dal 1960 al 2060
Scenari futuri della energia nucleare
LA FUSIONE TERMONUCLEARE
Scenari energetici futuri
La fusione nucleare
E’ il processo che avviene nel sole e nelle stelle .
A temperature e pressioni molto elevate due nuclei leggeri come
H, D, T si fondono in nuclei più pesanti He producdndo energia.
Il sole 1.4 MKm
La bomba H m-Km
Microesplosioni mm-m
Scenari energetici futuri
Nel processo di fissione un nuleo pesante si scinde in due nuclei
la cui somma delle masse è minore.
Nella fusione due nuclei leggeri si fondono in un nucleo la cui
massa è inferiore alla somma.
La differenza va in energia cinetica
E= Dm c2
Scenari energetici futuri
Vantaggi fusione
Risorse inesauribili
(Fissione migliaia, fusione miliardi di anni)
No scorie a vita lunga
No emissioni CO2
No proliferazione
No incidenti nucleari
Combustibile dal mare
Un barile (159 l) d’acqua di mare contiene 6 g di deuterio e .015 di litio
equivalente a 30 barili di petrolio per deuterio e 1/6 di barile per il trizio.
Dopo la fusione DT si farà quella DD.
Scenari energetici futuri
PROBLEMI
Estrema difficoltà nel realizzare la fusione controllata
Alti costi per capire la fisica e sviluppare la tecnologia
Ricerca iniziata negli anni 50 non ancora conclusa
Due vie possibili
Confinamento magnetico
Confinamento inerziale
Scenari energetici futuri
Scenari futuri della energia nucleare
LA FUSIONE MAGNETICA
Scenari energetici futuri
Enormi progressi sono stati realizzati. L’aumento di potenza
da reazioni di fusione segue la legge di Moore (esponenziale).
Esperimento al JET con trizio prossimo al break-even
Scenari energetici futuri
.La fusione richiede temperature elevate di almeno 10 KeV pari a 1.2x108 gradi.
Le condizioni per la fusione sono fissate dal criterio di Lawson
rt>c
dove r è la densità e t il tempo di confinamento.
Confinamento magnetico: densità basse, tempi lunghi (minuti)
Confinamento inerziale : densità alte, tempi corti (nanosecondi)
Scenari energetici futuri
.
JET
Esperimento Europeo concluso. Il toro con raggi di 2 e 3
m ha raggiunto un guadagno Q=0.7
ITER Nuovo esperimento mondiale. Il toro di raggi 2 e 6.3 m
Dovrebbe raggiungere un guadagno Q=10.
DEMO
Dimostratore di una centrale a fusione dopo ITER
Scenari energetici futuri
.
Avvicinamento al break even
Struttura di ITER
Scenari energetici futuri
Contribution : (50% + 8%:EU)+(10%+8%:JA)+10%x4(US,RF,KO,CN)
100%(ITER) +16%(Broader Approach)
ITER
EU
Contribution
staff
procurement
JA
50%
Simulation
IFMIFEVEDA
Remote Center
40%
40%
Cont
Satellite
Tokamak
Contribution
10%
staff
20%
procurement
20%
DEMO Design
50%+8%
Arrangement
between EU&JA
10%
10%
10%+8%
10%
10%
Scenari energetici futuri
Road map to the reactor
Device
Paese
Anno
Potenza MW
Guadagno
TFTR
USA
82-97
11
0.3
JET
EU
83-now
16
0.6
ITER
INT
016-036
500
10
IFNIF
INT
016-036
DEMO
INT
032-050
2000
25
PROTO
?
050-?
4500
25
Scenari futuri della energia nucleare
LA FUSIONE INERZIALE
Scenari energetici futuri
La fusione inerziale è una microesplosione simile a quella di una
bomba termonucleare o di una supernova.
La quantità di combustibile è minuscola, pochi mg di DT, e quindi
l’energia rilasciata può essere controllata.
La energia di una bomba di decine di Mtons viene rilasciata in
qualche decennio con una frequenza di 10 Hz.
Nif hohlraum
NIF camera interazione
Scenari energetici futuri
Dal diesel al motore a scoppio trermonucleare
Negli esperimenti in corso le reazioni di fusione avvengono per
compressione. La temperatura al centro consente le prime
reazioni di fusione che si propagano come nel motore diesel.
La fusione veloce si basa sul
deposito di energia concentrata
Tramite fascetti di elettroni o
protoni prodotti da impulsi
laser ultracorti (decine di fs).
Questi fasci sono la scintilla che
accende la reazione di fusione.
Impulso laser
ultracorto
Impulsi Laser per
la compressione
Elettroni
veloci
Scenari energetici futuri
I Dispositivi per la fusione inerziale sono basati su laser Ne-vetro che hanno energie
di 10 KJ ma tasso di ripetizione molto basso (1 tiro ogni qualche ora).
NIF ha 180 di questi lasers e deposita 1.8 MJ sul bersaglio. Entro la estate
esperimenti a piena potenza da cui si attende la ignizione
Si stanno sviluppando laser pompati a diodi che hanno frequenza elevata. Operativi
per fusione tra 15 anni circa.
Laser Ne per NIF
Scenari energetici futuri
• Roadmap per LIFE
(laser inertial fusion energy)
2010-2012 Esperimenti di ignizione a NIF
2020-2030
2030-2040
Prototipo di LIFE
Prototipo di impianto commerciale
Problemi: A efficienza e rep. rate dei laser (diode pump)
B estrazione energia
C tecnologia reattore
Scenari energetici futuri
Esperimenti in Europa
LMJ Laser Megajoule esperimento militare francese, come
PETAL Esperimento civile francese per la fast ignition
HIPER Progetto di esperimento UE per fast ignition
PETAL
HIPER
NIF
Scenari energetici futuri
Energia Chimica / Energia nucleare = 1/ 1000 000
Scenari energetici futuri
Italia
Non partecipa ai progetti generation IV per fissione
Partecipa ad ITER e parteciperà ad HIPER
Per la fusione magnetica ci sono due macchine toroidali a Frascati e Padova
Alcuni studi di interesse per la fast ignition saranno condotti con il laser
FLAME in corso di istallazione a Frascati.
L’impegno del nostro paese non è comunque confrontabile con quello di
Francia, Germania e UK. La ricerca in Italia è un
optional.
Scenari energetici futuri
Bologna
E’ in fase di sviluppo il progetto
PROMETHEUS
Infrastruttura di ricerca basata su
Laser di potenza 200 TW
Obiettivo produrre fasci di protoni
(eletttroni e X) per la biomedicina
Idoneo per esperimenti sulla
Fast Ignition (HIPER)
Collocazione: laboratorio di
Montecuccolino ove era collocato
reattore RB3 di ENEA per prova
Elementi combustibile
Scenari energetici futuri
AD ASTRA
Energia abbondante e pulita è condizione per la democrazia
evitando il ritorno ad antiche schiavitù. Apre anche le porte
verso nuovi mondi altra condizione per il progresso dell’umanità
Scenari energetici futuri
FINE
Grazie per l’attenzione
Income per capita in US $