Luciano Cinotti - (INFN)

“L’Energia, per il futuro:
nucleare e fonti
rinnovabili”
Reattori di nuova generazione per il nucleare del futuro
Dipartimento di fisica –
Milano 8 Ottobre, 2006
Luciano Cinotti
Del Fungo Giera Energia
L’Uranio e la fissione nucleare
~ 2,5 neutroni
Energia (~ 200 MeV)
n + Uranio235
Due frammenti di fissione
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’evoluzione dei reattori nucleari
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L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
La maggior parte degli attuali reattori è del tipo
Pressurized Water Reactor (PWR)
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
IRIS: un reattore Generation III+
raffreddato ad acqua in pressione
IRIS adotta sistemi passivi ed una soluzione integrata per maggior
sicurezza, compattezza e semplicità.
X
X
X
X XX
XX
X
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
IRIS riprende molte soluzioni di origine italiana
ABB-ANSALDO 1987-1992
ISIS
ANSALDO 1988-1997
SECURE
ABB 1985-1986
IRIS
NILUS
POLITECNICO di Milano
1996-1999
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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Consorzio IRIS dal
1999
L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Pebble Bed Modular Reactor: un reattore Generation III+
raffreddato ad elio
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
I limiti degli attuali reattori
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’arricchimento
L’uranio naturale è un
miscuglio di due isotopi:
U235 0,7%, U238 99,3%
~ 170 tU/anno per un
reattore da 1000 MWe
U235
U238
La maggior parte degli
attuali reattori usa
uranio arricchito al
~ 3,5- 4% in U235
~ 24 tU/anno di uranio
arricchito per un
reattore da 1000 MWe
Uranio impoverito
di scarso valore
commerciale
Mancato utilizzo di
risorse energetiche.
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Rischio di proliferazione
se il processo
viene spinto verso
alti arricchimenti
-
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Il combustibile esaurito
Energia elettrica
~ 23 t/anno di uranio.
~ 0,9 t/anno di prodotti
di fissione.
~ 0,2 t/anno di plutonio
~ 0,04 t/anno di attinidi
minori
Nel
Reattore
e
m
a
tt
re
i
D
Volume delle scorie
non ottimizzato
Scorie a vita lunga
a
e
t
n
e
ld
o
ent
am
ess
roc
Rip
~ 24 t/anno
di uranio
arricchito
o
sit
o
p
+
U235
Pu
U238
Attinidi
minori
Prodotti di fissione
+
Scorie a vita lunga
Rischio di proliferazione
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Le nuove iniziative per lo
sviluppo del nucleare futuro
L’iniziativa Generation IV
The Global Nuclear Energy Partnership
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’iniziativa Generation IV
Generation IV International Forum (GIF) è stato costituito per lo sviluppo
della prossima generazione di reattori nucleari.
È stato sottoscritto da Argentina, Brasile, Canada, Francia, Giappone,
Corea del Sud, Sud Africa, Svizzera, Regno Unito, USA, ed anche da
Euratom.
Mappa dei Paesi aderenti a Generation IV
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’iniziativa Generation IV
Nel 2001 sono stati valutati circa 100
sistemi.
L’esame ha messo in evidenza grandi
potenzialità dell’energia nucleare e la
necessità di lanciare tempestivamente i
programmi di R&D.
I sistemi più promettenti dal punto di vista
tecnico sono stati suddivisi in due gruppi:
- International Near-Term Deployment;
- Reattori Generation IV, destinati a
sostituire i reattori attuali.
Nel dicembre 2002 viene pubblicata la
Technology Roadmap for Generation IV
Nuclear Energy Systems che:
- identifica sei sistemi;
- ne delinea il programma di R&D.
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
GIF ha operato
la selezione
basandosi su:
- 4 Goals area,
- 8 Goals,
- 15 Criteria
- 24 Metrics
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Very-High-Temperature Reactor System
Tre sistemi scelti per GEN IV
sono a flusso neutronio termico
Supercritical-Water-Cooled Reactor System
Molten Salt Reactor System
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Gas-Cooled Fast Reactor System
Tre sistemi scelti per GEN IV
sono a flusso neutronio veloce
Lead-Cooled Fast Reactor System
Sodium-Cooled Fast Reactor System
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
VHTR
Romney
Duffey
GFR
Werner
Von
Lensa
Frank
Carre
Tetsuaki
Takeda
Jonghwa
Didier
Haas
JeanLouis
Tomoyasu
Jonghwa
Chang
Dieter
Matzner
Wolfgang
Johan
Slabber
Paul
Hoffelner
Coddington
Tim
Abram
Finis
Denis
Every
Kevan
Weaver
Tim
Abram,
Tom
Bob Hill
Southworth
Carbonnier
J.-F.
Babelot
SFR
GianLuigi
Fiorini
Luciano
Hussa
Khartabi
Thomas
Schulenberg
Masakazu
Ichimiya
Shoji
Kotake
Marc
Delpech
Dohee
Hahn
Lennox
Mamoru
Kune
Y. Suh
Craig F.
Smith
Katsumi
Yamada
YoonYeung
Bae
Mike
Modro
Konomura
Cinotti
LFR
SCWR
Mizuno
Chang
Yoshiaki
Oka
MSR
R.
Konings,
Claude
Charles
Renault
Forsberg
Miloslav
Hron
Rosso significa co-chair
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Prismatic Block Modular Reactor
ANTARES
Indirect Cycle
GT-MHR, GT-HTR300C
Direct cycle
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Produzione di Idrogeno col Nucleare
Ciclo Iodio / Zolfo
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Elettrolisi ad alta temperatura
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
The Global Nuclear Energy Partnership
Uso completo del combustibile
Bruciamento dei prodotti
radioattivi a lunga vita
Promozione di tecnologie
non proliferanti
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
The Global Nuclear Energy Partnerhip (GNEP)
prevede:
- un riprocessamento che separi solo i
prodotti di fissione.
U235
Pu
U238
Attinidi
minori
+
Prodotti di fissione
- un reattore nucleare che possa essere
alimentato in U238, Pu ed attinidi minori.
- l’inutilità degli impianti di arricchimento.
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L. Cinotti – Del Fungo Giera Energia
L’uranio impoverito è una risorsa per i FR
L’uranio naturale è un
miscuglio di due isotopi:
U235 0,7%, U238 99,3%
~ 170 tU/anno per un
reattore da 1000 MWe
U235
U238
La maggior parte degli
attuali reattori usa
uranio arricchito al
~ 3,5- 4% in U235
~ 24 tU/anno di uranio
arricchito per un
reattore da 1000 MWe
Uranio impoverito
di scarso valore
commerciale
Mancato utilizzo di Utilizzo nei FR
risorse energetiche.
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Sustainability
Utilizzo delle risorse di
combustibile
2500
Bruciamento delle scorie a
vita lunga
Current Reserves /
Current Rate of Consumption (years)
300
250
200
192
150
100
67
50
41
50
Oil
Uranium
0
Coal
Gas
U in Fast
Reactors
Source: BP and IAEA data for
2003
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
VHTR
Romney
Duffey
GFR
Werner
Von
Lensa
Frank
Carre
Tetsuaki
Takeda
Jonghwa
Didier
Haas
JeanLouis
Tomoyasu
Jonghwa
Chang
Dieter
Matzner
Wolfgang
Johan
Slabber
Paul
Hoffelner
Coddington
Tim
Abram
Finis
Denis
Every
Kevan
Weaver
Tim
Abram,
Tom
Bob Hill
Southworth
Carbonnier
J.-F.
Babelot
SFR
GianLuigi
Fiorini
Luciano
Hussa
Khartabi
Thomas
Schulenberg
Masakazu
Ichimiya
Shoji
Kotake
Marc
Delpech
Dohee
Hahn
Lennox
Mamoru
Kune
Y. Suh
Craig F.
Smith
Katsumi
Yamada
YoonYeung
Bae
Mike
Modro
Konomura
Cinotti
LFR
SCWR
Mizuno
Chang
Yoshiaki
Oka
MSR
R.
Konings,
Claude
Charles
Renault
Forsberg
Miloslav
Hron
Red signifies co-chair
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Il ruolo dell’Italia nello sviluppo dei
reattori raffreddati a piombo liquido
L’Italia ha esperienza di progettazione di reattori
sottocritici raffreddarti a piombo.
Nel centro ENEA del Brasimone sono in funzione due
circuiti sperimentali in LBE ed uno in piombo.
L’Italia ha esperienza di progettazione e realizzazione
di reattori veloci: PEC ed SPX1
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’Italia ha esperienza di progettazione di reattori
sottocritici raffreddarti a piombo
15
23
19
18
11
20
21
0.00
9
28
27
10
8
25
12
17
13
4
A
16
A
5
7
2
1
3
24
26
1
REACTOR CORE (#294 assemblies)
2
FUEL ZONE (#120 fuel assemblies)
3
DIAGRID
4
RISER CHANNEL (# 24)
5
CYLINDRICAL INNER VESSEL
6
REACTOR VESSEL (Dex.=6000 mm; th.=40mm)
7
SAFETY VESSEL (Dex.=6780 mm; th.=40 mm)
8
REACTOR ROOF
9
REACTOR VESSEL SUPPORT
10
ROTATING PLUG
11
ABOVE CORE STRUCTURE (ACS): upper part
12
ABOVE CORE STRUCTURE (ACS): lower part
13
TARGET UNIT-WINDOWLESS OPTION
14
INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER (#4 units)
15
TRANSFER MACHINE
16
TRANSFER MACHINE GRIPPER
17
FAILED FUEL DETECTION UNIT (#2 units)
18
ROTOR LIFT MACHINE
19
GAS INJECTION PIPES
20
GAS INJECTION PIPES COLLECTOR
21
ANNULAR STRUCTURE
22
ABOVE CORE STRUCTURE DRIVE
23
ROTATING PLUG DRIVE
24
R.V.A.C.S. HEAT EXCHANGER
25
RADIAL PENETRATION FOR I.S.I.
26
REACTOR CAVITY
27
THERMAL SHIELDING
28
R.V.A.C.S. INLET/OUTLET DUCTS
29
PROTON BEAM PIPE
30
TARGET UNIT: OUTER SUPPORT
31
TARGET UNIT: INNER SUPPORT
32
PURIFICATION UNIT (#2 units)
80 MW LBE-cooled XADS del FP5
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
80 MW LBE-cooled XADS
Core
Elemento di combustibile
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Target del 80 MW LBE-cooled XADS del FP5
beam
scanning
12 cm duct width
LBE f low
8 cm scan
Proton Beam
Scanning
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Nel FP5, in Europa
sono stati realizzati
vari circuiti a Pb o LBE
(tre sono in Italia)
Lead Test Facilities
LBE Test Facilities
STELLA Loop
CEA
CIRCE Loop
ENEA
CHEOPE Loop
ENEA
VICE Loop
SCK-CEN
CorrWett Loop
PSI
TALL Loop
KTH
+
LECOR Loop
ENEA
CIRCO Loop
CIEMAT
Two Test Facilities
proposed in
+
one proposed in
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L’Italia ha esperienza di progettazione e realizzazione
di reattori veloci: PEC ed SPX1
Sistema primario
SPX1
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Le parti in verde del sistema primario di SUPERPHENIX
sono state fornite da aziende italiane.
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Le parti in verde dei circuiti secondari di SUPERPHENIX
sono state fornite da aziende italiane.
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European Lead-cooled System (ELSY)
(Progetto Euratom promosso e coordinato da aziende italiane)
Participant List
Country
ANSALDO
ITALIA
AGH, Akademia Górniczo-Hutnicza
AGH
POLONIA
Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano
CESI
ITALIA
CIRTEN
ITALIA
CNRS
FRANCIA
EA
SPAGNA
EDF
FRANCIA
ENEA
ITALIA
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
FZK
GERMANIA
Institute for Nuclear Research
INR
ROMANIA
European Commission, Joint Research Centre
JRC
EUROPA
Royal Institute of Technology-Stockholm
KTH
SVEZIA
Nuclear Research and Consultancy Group
NRG
OLANDA
UJV
REPUBBLICA
CECA
PSI
SVIZZERA
SCK•CEN
BELGIO
KESRI
COREA
Seoul National University, Nuclear Engineering Department,
Nuclear Transmutation Energy Research Centre of Korea
SNU
COREA
Del Fungo Giera Energia S.p.A.
DEL
ITALIA
Massachusetts Institute of Technology
MIT
USA
Ansaldo Nucleare S.p.A,
Inter Universities Consortium for Nuclear Technological Research
Centre National de la Recherche Scientifique
Empresarios Agrupados Internacional S.A.
Electricité de France
Ente per le Nuove Tecnologie, l‘Energia e l‘Ambiente
Ustav jaderneho vyzkumu Rez, a.s. (NRI Rez, plc.)
Paul Scherrer Institut
Studiecentrum voor Kernenergie
Korea Electric Engineering and Science Research Institute
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L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
ELSY Compliance with the Generation IV Goals
Goals achievable via
Goal Areas
Sustainability
Goals
Resource
utilization
Waste
minimization and
management
Life cycle cost
Economics
Inherent features
• Lead is a low-moderating
medium of low-absorption
cross section.
• Fast-neutron spectrum for
operation as a burner.
• Lead does not react with air
or water;
• lead has a very low vapour
pressure.
Risk to capital
(Investment
protection)
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Engineering
Breeding ratio close to 1
Transmutation of MA
homogeneously diluted in
the fuel.
Simplicity
Potential of removable
in-vessel components
-
L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
ELSY Compliance with the Generation IV Goals
Operation will
excel in safety
and reliability
Safety and
Reliability
Low likelihood
and degree of
core damage
No need of off-site
emergency
response
Proliferation
Resistance
and
Physical
Protection
Unattractive route
for diversion of
weapon-usable
plutonium
Increased phys.
protection against
acts of terrorism
Lead has:
• very high boiling point;
• low vapour pressure;
• high shielding capability.
Primary system:
. at atmospheric
pressure;
• at low temperature
Lead has:
• high heat transfer, specific
heat and thermal expansion
coefficients;
• core with inherently negative
reactivity feedback
• Large fuel pin pitch;
• decay heat removal
by natural circulation;
• primary pumps in the
hot collector.
• Lead density close to that of
fuel (considerably reduced
risk of re-criticality in case of
core melt);
• lead retains fission products.
•neutronics enables long-life
core.
• Lead compatible with air and
water.
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-
•Use of fuel
containing MA
• Independent,
redundant and
diversified DHR loops
L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
ELSY - List of partners and persons for Work Package Co-ordination.
Leader
Partner
H. Wider
JRC/IE
H. Aït
Abderrahim
SCK•CEN
WP3. MAIN COMPONENTS AND SYSTEMS.
A. Orden
EA
WP4. SYSTEM INTEGRATION.
L. Cinotti
DEL
WP5. SAFETY AND TRANSIENT ANALYSIS.
D. Struwe
FZK
G. Benamati
ENEA
Work Package
WP1. DESIGN OBJECTIVES, COST ESTIMATES,
FUTURE R&D NEEDS AND COMPLIANCE WITH
THE WASTE TRANSMUTATION IN A CRITICAL
REACTOR AND WITH THE MORE GENERAL
GOALS OF GEN IV.
WP2. CORE DESIGN & PERFORMANCE
ASSESSMENT.
WP6. LEAD TECHNOLOGY.
General coordination of ELSY: Ansaldo
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
-
L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
ELSY
Proposta italiana di reattore
raffreddato a piombo
+ economico
+ sicuro
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
-
L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
ELSY economics based on
simple and compact primary system
ELSY feasibility based on
low-temperature thermal cycle
Temperature
°C
Technological
Limits
650
600
~550
550
500
400
350
327
O2 control
480
outlet
Core
inlet
450
400
Vessel
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006
O2 control +
alluminization
400
400
Internals Cladding
Low O2
activity
Material embrittlement
Lead Freezing
-
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