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Scorie Nucleari e Cicli Innovativi del Combustibile
DIMNP (University of Pisa) & DIPTEM (University of Genova) e-mail: [email protected] Scorie Nucleari e Cicli Innovativi del Combustibile Dr. Ing. Ing. Guglielmo Lomonaco Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 1 Le scorie nucleari Il rapporto scorie/energia della fonte energetica nucleare è 1/1000000 rispetto alle fonti convenzionali (combustibili fossili) anche con un ciclo non ottimizzato Le scorie nucleari si classificano nelle seguenti categorie: LLW (Low Level Waste Waste): ): 90% dei rifiuti, 1% dell’attività ILW (Intermediate Level Waste): Waste): 7% dei rifiuti, 4% dell’attività HLW (High Level Waste): Waste): 3% dei rifiuti, 95% dell’attività Ogni anno un PWR medio scarica 30 t di combustibile irraggiato,, di cui circa il 96% è irraggiato costituito da uranio Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 2 Confronto tra “rifiuti” Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 3 Rifiuti nucleari pericolosi: la reale dimensione del problema Un francese in un anno produce: 3000 kg di rifiuti di ogni tipo, che comprendono: 100 kg di rifiuti tossicotossico-nocivi (chimici, metalli pesantipesantimercurio piombo cadmio non degradabili,…), che comprendono: 1 kg di rifiuti nucleari, che comprende: 0.05 kg di rifiuti radioattivi pericolosi a lunga vita (>30 anni) Quindi, in una intera vita (70 anni), Quindi, anni), un francese che consumi energia elettrica prodotta solo per via nucleare,, produce un volume di rifiuti radioattivi nucleare pericolosi pari a… Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 4 DEPOSITO GEOLOGICO (Svezia) Forsmark, Svezia Costruzione: 2015-2022 Esercizio: 2023-2070 Formazione di granito a 500 m di profondità Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 5 RIFIUTI NUCLEARI Confronto fra strategie di altre nazioni FRANCIA FINLANDIA USA • 3 depositi superficiali • Studio per il deposito geologico a Bure • Realizzazione del deposito geologico nel 2025 • Rifiuti gestiti direttamente da esercenti e produttori • 3 depositi sotterranei in granito presso i 3 siti nucleari • Studi a Olkiluoto per il deposito geologico entro il 2020 • 3 depositi superficiali • Deposito geologico per rifiuti militari • Deposito geologico a Yucca Mountain Identificazione del deposito geologico con opzione di reversibilità Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 6 I concetti chiave dei cicli di combustibile futuri Ciclo chiuso: ciclo di combustibile in cui tutto l’U estratto dalla miniera viene fissionato (direttamente o “indirettamente”) e le cui scorie finali sono costituite unicamente da prodotti di fissione Trasmutazione: trasformazione di un nuclide in un altro per assorbimento neutronico Riprocessamento e Separazione: riciclo degli attinidi (e eventuale separazione) dai prodotti di fissione e loro reinserimento nei reattori come combustible “fresco” Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 7 Le scorie nucleari: tutte “scorie”? Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 8 Quale ciclo del combustibile? Stoccaggio diretto del combustibile “esausto” (once through cycle/ cycle /direct disposal) Ciclo “chiuso” (closed cycle) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 9 I vantaggi del ciclo “chiuso chiuso”” Sfruttamento integrale delle risorse di U Minimizzazione della massa e della radiotossicità (soprattutto a lungo termine) delle scorie nucleari destinate ai depositi geologici Massimizzazione della resistenza alla proliferazione dei materiali coinvolti grazie a opportune tecniche di riprocessamento abbinate a elevati burnburn-up Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 10 In sintesi: gli svantaggi dello stoccaggio diretto Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 11 Chiudere il ciclo del combustibile è quindi essenziale per un nucleare sostenibile Direct Geological Disposal Disposal Temporary Storage for heat decay Cs, Sr Geological Disposal Spent Fuel from LWRs Partitioning Stable FP, TRU losses P&T Pu, MA, LLFP Stable Transmutation Dedicated Fuel and LLFP target Fabrication FP, TRU losses Dedicated Fuel and LLFP Target Reprocessing Pu, MA, LLFP LLFP: Long Guglielmo Lomonaco lived fission products (Tc -99, I -129, Se -79, ...); MA: Scorie Nucleari e Cicli Innovatici Minor Actinides (Am, Np, Cm) 12 Benefici potenziali della separazione/ trasmutazione 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 Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 13 “LOM LOM”” e “LOMBT LOMBT”” Definizione – Level Of Mine (LOM) : data una certa massa di scorie nucleari, si definisce “Level Of Mine” (LOM) la radiotossicità della massa di U naturale da cui esse discendono Definizione – Level Of Mine Balancing Time (LOMBT) : data una certa massa di scorie nucleari, si definisce “Level Of Mine Balancing Time” (LOMBT) il tempo necessario affinché la sua radiotossicità pareggi quella dell’U naturale da cui essa discende (ossia il LOM) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 14 Radiotossicità del waste LWR-LOMBT ~ 100000 y Fonte: http://www.cea.fr Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 15 Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 16 Il riciclo del plutonio Il plutonio viene riciclato in alcuni paesi (es. Francia, Regno Unito, Giappone, ecc.) e impiegato nei reattori LWR come combustibile MOX È provato l’utilizzo sicuro del plutonio nei reattori veloci in combustibile ad ossidi misti U-Pu (esprimenti condotti in tal senso fin dagli anni ’60’60-’70, es. reattore SEFOR) Sembra molto promettente l’utilizzo del Pu nei reattori HTR (studi di neutronica – esperimenti di irraggiamento con ottimi GWD/tHM senza che il risultati: 750 GWD/tHM combustibile si deteriori) deteriori) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 17 Conseguenze del riciclo del plutonio Il riciclo integrale del plutonio consente di ridurre il rischio di proliferazione (la quantità totale diminuisce e la composizione isotopica diventa più povera in Pu239 e più ricca in isotopi di alto numero di massa) Ne consegue una riduzione della tossicità a lungo termine delle scorie (PF+MA) di un ordine di grandezza Viene prodotta energia da “materiale di scarto”” scarto Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 18 Ciclo simbiotico LWRLWR-HTR Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 19 Produzione degli attinidi minori (Np, Am, Cm) Nell’attuale ciclo dei reattori ad acqua il Np237 è, fra gli attinidi minori, il più abbondante L’allungamento del burnup comporta la formazione di americio e curio Gli MA comportano un LOMBT~ LOMBT~10000 10000 anni Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 20 La chiusura del ciclo del combustibile La “chiusura” del ciclo del combustibile è lo scopo dei cicli di combustibile innovativi (di cui si occupa anche la Generation IV Initative) e comporta: Sfruttamento integrale delle risorse di uranio Riduzione della radiotossicità delle scorie HLW da stoccare definitivamente in quanto esse sono ridotte ai soli prodotti di fissione Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 21 I “benefici” del bruciamento delle scorie “con le scorie” Riduzione progressiva dei metalli pesanti da stoccare Allungamento della disponibilità delle risorse di uranio Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 22 Risorse di Uranio [1/3] Risorse Produzione di uranio Necessità annua: 67 320 t U Produzione 2004: 40 263 t U (60%) Per copertura totale (100%): riserve in magazzino e disponibilità sul mercato di uranio dallo smantellamento di testate nucleari (smantellate in minima parte) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 23 Risorse di Uranio [2/3] Risorse di U disponibili, per tipologia di reattore (attuali, GENGEN-IV) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 24 Risorse di Uranio [3/3] Classificazione per costo e categoria Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 25 Effetti degli aumenti sul costo dell’elettricità Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 26 Esempi di cicli innovativi Esistono vari concetti di ciclo innovativi Il punto in comune a tutti è la necessità di passaggi multipli per bruciare integralmente l’uranio ed i suoi figli Ad ogni passaggio il trattamento del combustibile esausto è solo chimico, senza impianti di separazione isotopica Il riciclo degli attinidi minori può essere “omogeneo” (MA in piccole percentuali mescolati uniformemente a U e Pu) o “eterogeneo” (assemblies dedicati) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 27 Cicli “Simbiotici Simbiotici”” Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 28 Il ciclo simbiotico LWRLWR-HTR HTR--GCFR In quest’ottica il nostro Gruppo di Ricerca ha pensato analizzare un ciclo in cascata che sfruttasse materiale esistente in abbondanza (LWR SNF) e lo “riciclasse” in un reattore HTR Ciò che esce da detto HTR viene inviato al GCFR insieme a uranio depleto (anch’esso materiale disponibile in grande quantità) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 29 Cicli Simbiotici LWRLWR-HTR HTR--GCFR Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 30 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) Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 31 Un esempio: i risultati del ciclo LWRLWRHTR--GCFR (solo 1 passaggio in GCFR) HTR Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 32 Considerazioni sul ciclo LWR--HTR LWR HTR--GCFR Si produce l’equivalente di diversi milioni di barili di petrolio con materiale che, in un ciclo once through attuale, è di scarto Il ciclo è concepito fin dall’inizio per essere fortemente resistente alla proliferazione Con l’opportuno inserimento di elementi di combustibile dedicati al bruciamento degli MA rimanenti è possibile ridurre il LOMBT sotto i mille anni Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 33 Considerazioni aggiuntive sul ciclo LWRLWR-HTR HTR--GCFR Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 34 Conclusioni Il problema della distruzione del waste ad alta radiotossicità radiotossicità,, ed in particolare del suo contenuto di attinidi, non è di semplice soluzione ma non pone, a priori, priori, ostacoli scientifico--tecnologici insormontabili scientifico Lo scienziato non è l'uomo Una possibile soluzione in prospettiva futura potrebbe che fornisce le vere risposte: essere l’adozione di cicli innovativi e simbiotici, come è quello che pone le vere domande quello mostrato (LWR(LWR-HTR HTR--GCFR) (Claude Lévi Strauss) Sono in corso ricerche a livello internazionale (anche presso il nostro gruppo di ricerca) e sono già stati presentati svariati articoli sull’argomento in contesti internazionali Per maggiori informazioni: [email protected] Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 35 Guglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli Innovatici 36
