L`energia nucleare

Università di Pisa
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione
Energia nucleare di IV Generazione
e Fusione
Francesco Oriolo
IV Congresso Nazionale AIGE
Roma, 26-27 Maggio 2010
• Quali saranno le tecnologie energetiche che
nei prossimi decenni potranno soddisfare la
crescita della domanda elettrica?
• Se oggi vogliamo anticipare le necessità di
domani, possiamo già individuare le forze che
influenzeranno le scelte dei prossimi decenni:
– La globalizzazione
– L’innovazione tecnologica:
L’energia nucleare di IV generazione
potrà
giocare un ruolo fondamentale non solo nella
produzione di energia elettrica,ma anche nella
produzione di idrogeno, calore e per desalinizzare le
acque salmastre per almeno un millennio. L’industria
nucleare dovrà rispondere alla domanda dei mercati
energetici competitivi con:
 reattori nucleari con differenti spettri energetici e
con taglie differenziate: piccola, media e grande;
 elementi di combustibile che usino in modo
efficiente la materia: l’uranio naturale;
 chiusura del ciclo di combustibile, con gestione
sicura ed eco-compatibile delle scorie radioattive.
LIMITI INTRINSECI DELLE FONTI
ENERGETICHE
L’energia nucleare ed i combustibili fossili
possono produrre energia
DOVE e QUANDO necessita
Il contesto della Comunità europea
Le scelte della UE relative alla politica
energetica per il 2020 sono:
- 20% riduzione dei gas ad effetto serra
rispetto al 1990
- 20% di energie rinnovabili nel portafoglio
energetico
- 20% di riduzione dei consumi energetici
Strategia UE per il 2050
La Comunità europea, per il 2050, punta
ad una economia a basso consumo di carbonio
e perciò è necessario fare dei passi in
avanti:
- nella ricerca e sviluppo tecnologico
- investire sulle risorse umane.
L’ Energia Nucleare per un Economia a
basso contenuto di Carbonio
• L’energia nucleare fornisce circa il 31% dell’
elettricità prodotta in Europa
• da 1 grammo di U-235 si ricava la stessa quantità
di energia da 2.55 tonnellate di carbonio.
• E’ la fonte primaria più importante di energia, non
basata sul carbonio e non immette in atmosfera circa
900 milioni di tonnellate di carbonio per anno.
.
Obiettivi UE per il 2010-2030
• Conservare gli attuali standard di
sicurezza e competitività economica,
relativi ai reattori ad acqua leggera
(LWR) ed ad acqua pesante (HWR).
• Migliorare le soluzioni per la gestione
delle scorie radioattive a lungo termine.
Obiettivi UE per il 2030-2040
• Sviluppare un reattore a spettro veloce (FR) di IV
generazione per la chiusura del ciclo di combustibile
Ampliare l’ offerta dell’ energia nucleare di IV
generazione con:
• Sistemi di piccola, media e grande taglia; per
produzione di elettricità, idrogeno, calore e per la
desalinizzazione delle acque salmastre
• Più combustibili nucleari: Uranio, Torio, MOX,
ossido, nitruro, carburo, uranio metallico, matrici
inerti di ittrio o zirconia
• Più Cicli di combustibile: aperto,
separazione e trasmutazione degli attinidi
chiuso,
R&D in EUROPA per un NUCLEARE DUREVOLE
Reattori Nucleari di
Generazione
II
• Le principali filiere di reattori nucleari in esercizio.
- PWR, Pressurized Water Reactor, 250 reattori
- BWR, Boiling Water Reactor, 91 reattori
- PHWR,o di tipo CANDU, 41 reattori
- GGR, Gas Grafite Reactors, MAGNOX e AGR ,
32 reattori e 13 RBMK
- FBE, MLFBR, Metal Liquid Fast Breader
Reactors, tipo Superphenix, 4 reattori
Elettricità Prodotta in USA con II Generazione
LWR e HWR Presenti e Futuri
Negli USA, non sono state ordinate nuovi
impianti da 1970 al 2009, ultima centrale
allaccia alla rete è stata quella della
Tennessee Valley Authority nel 1996, l’
elettricità da fonte nucleare è passata:
Anno
Miliardi
di kWh
1980
300
1999
730
2006
787.6
REATTORI NUCLEARI
La vita dei reattori stimata inizialmente sui 30
anni è passata agevolmente a 40 anni ed oltre.I
reattori in costruzione sono progettati per una
vita di oltre 60 anni. Un rettore nucleare deve
essere :
• da un lato un manufatto immortale come un
ponte romano (Milvio), il Panteon, la
vecchia diga di Assuan;
• dall’altro deve recepire i progressi della
tecnologica.
Reattori Nucleari e di III Generazione
Sono stai realizzati o in fase di realizzazione reattori come AP-1000,
System 80+, EPR, ABWR, VVER. Essi dovranno competere sul
libero mercato, sarà il mercato a stabilire il successo di questo o quel
tipo di reattore.
Vantaggi
• Non emettono gas
ad effetto serra
• Costi del kWh
competitivi
Svantaggi
• Alto costo di capitale
• Sfruttamento limitato del
combustibile (non
sostenibilità)
• Competitività economica
dipendente da Paese a
Paese
DISPONIBILITA’ DI COMBUSTIBILE
NUCLEARE
Le risorse accertate ed economicamente sfruttabili per
meno di 130 $/Kg di uranio sono stimate in circa 4. Mt.
Le riserve d’ uranio sono molto diffuse sulla crosta
terrestre e nelle acque del mare e si trovano in regioni
geopolitiche stabili come l’Australia, il Canada.
Tenendo conto delle regioni non esplorate si può
arrivare ad una stima di 15.4 Mt che potrebbero
assicurare per 250 anni la produzione elettrica del 1999
con un consumo di combustibile di 61000 t di uranio.
Il riciclo del combustibile potrebbe portare a un 30 %
in più di utilizzo. (non sostenibilità o sostenibilità
debole dell’energia nucleare ).
DISPONIBILITA’ di COMBUSTIBILE
NUCLEARE
Lo sfruttamento energetico dell’uranio potrebbe essere
aumentato da 70 a 160 volte nei reattori veloci. In
questo caso l’ energia nucleare ai tassi di consumo
odierno potrebbe durare più di un millennio
(sostenibilità dell’ energia nucleare).
Il costo dell’ uranio incide poco sul costo di elettricità.
Le stime prevedono:
- Costi d investimento
57%
- Costi di esercizio e manutenzione
23%
- Costi di combustibile
20%
(materia prima 24%, conversione 4%, arricchimento 31%,
fabbricazione
17 %, chiusura del ciclo di combustibile 24 %)
CICLO DI COMBUSTIBILE
CICLO di COMBUSTIBILE
•Riciclare: separazione e trasmutazione
•Combustibili innovativi ( supporto MA) e
migliori prestazioni del nocciolo
• nuovi materiali
•Scambiatori di calore e sistemi innovati di
conversione di potenza
• Stumentazione avvanzata, sistemi di
ispezioni e manutenzione in linea (in-service).
LA TRANSIZIONE DAI REATTORI NUCLEARI
TERMICI A QUELLI VELOCI
• I reattori veloci non sono solo centrali per produrre
elettricità, ma anche fabbriche di combustibile
nucleare. In un FBR da 1 kg di uranio si può estrarre
un’energia intorno a 6500-6700 MWh contro i 40-55
MWh di un reattore termico. Il combustibile già usato
nei reattori termici o quello da essi non utilizzabile può
essere bruciato in un reattore veloce.
• La resa energetica per unità di massa di combustibile in
un FBR è circa 160 volte maggiore di quella di un
reattore termico.
Lo sviluppo dei reattori veloci può basarsi
sull’evoluzione tecnologica e sull’esperienza
operativa di circa 80 reattori/anno
accumulati con i pochi reattori veloci in
esercizio e con l’esperienza operativa dei
sommergibili russi a propulsione nucleare.
Nei reattori veloci la gestione delle scorie
radioattive è più semplice rispetto a quella
dei reattori termici, poiché possono anche
bruciare gli elementi pesanti prodotti dai
reattori termici.
I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE
• Il ciclo del combustibile nucleare consiste in:
 estrazione ed operazioni preliminari di miniera (U3O8, “yellow cake”);
 purificazione-conversione;
 arricchimento nell’isotopo fissile U-235;
 Fabbricazione dell’elemento di combustibile.
• Calcoli parametrici al variare del prezzo dell’U3O8 per ottenere 1 kg di combustibile. Bisogna
partire da circa 8.9 kg di uranio (U3O8) e, in base ai costi industriali praticati per la conversione,
l’arricchimento e la fabbricazione, si ottengono i valori riportati in Tabella.
U3O8 [$/kg]
53
40
80
130
300
Uranio
8.9 kg di U3O8 x $ 53
472
350
712
1157
2670
Conversione
7.5 kg x $ 12
90
90
90
90
90
Arricchimento
7.3 SWU x $ 135
985
985
985
985
985
Fabbricazione
combustibile
1 kg
240
240
240
240
240
Totale
1787
1665
2027
2472
3957
Incidenza Uranio (%)
26.4
21.0
35.1
47.8
67.5
I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE
Costi di produzione dell'elettricità [cent-$/kWh]
• Negli USA, nel 2006 il costo di produzione dell’elettricità (che include l’esercizio, la
manutenzione ed il costo del combustibile) è stato di 1.72 cent-$/kWh come risulta in figura,
per costi dell’uranio naturale intorno ai 40 $/kg; se si passa a 300 $/kg il costo diventa
2.4 cent-$/kWh.
10
Carbone
Nucleare
Gas
Petrolio
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1995
1
1996
2
1997
3
1998
4
1999
5
2000
6
2001
7
2002
8
2003
9
2004
10
Costi di produzione dell’elettricità in USA
2005
11
2006
12
I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE
Reattore termico
[1000 EJ]
Risorse
[1000 t]
Reattore veloce
[1000 EJ]
Risorse provate
(RAR)
2850
1.43
226.4
Risorse addizionali
(EAR-I+EAR-II)
3410
1.7
270.9
Risorse speculative
9940
4.97
789.6
Totale risorse
convenzionali
16200
8.1
1286.9
Combustibile usato
2000
-
158.9
Fosfati
22000
11.0
1747.7
Acqua del mare
4000000
2000
317760
Totale risorse
non convenzionali
4022000
2011
319507.7
Energia estraibile dal combustibile nucleare mediante un reattore termico e un reattore veloce
I COSTI DEL CICLO DI COMBUSTIBILE NUCLEARE
Reattore
EPR
PWR
Costo Capitale
13.8 (58.2%)
19.9 (62.4%)
Costi O&M
7.2 (30.4%)
5.1 (16.0%)
Costo Combustibile
2.7 (11.4%)
6.9 (21.6%)
23.7
31.9
Totale
Costo del carico elettrico di base per gli impianti nucleari francesi PWR ed EPR (in euro/MWh)
Costo Elettricità (COE)
30-57 $/MWh
-
1800-2500 $/kWe
65-70% COE
200-500 $/kWe
1-2 $/MWh
Costi O&M
5-10 $/MWh
20-25% COE
Costo Combustibile
4.5 $/MWh
10% COE
Costo Capitale
Costo Decommissioning
Costi stimati dall’IEA per un ALWR
REATTORI
NUCLEARI di IV
GENERAZIONE
Per iniziativa dello U.S.A-D.O.E. si è costituito
un Comitato Internazionale che raggruppa 11
Paesi e noto come GIF (Generation IV
International Forum) per lo sviluppo di sistemi
nucleari di potenza che possano essere
progettati, sperimentati e realizzati per il 20202030.
Lo sviluppo durevole dell’ energia nucleare
richiede la conservazione delle risorse e la
protezione dell’ ambiente.
REATTORI
NUCLEARI di IV
GENERAZIONE
La tecnologia nucleare della IV Generazione
deve fare ulteriori progressi nel campo della:
Sostenibilità. Essa riguarda sia l’ effettivo
utilizzo del combustibile che la gestione sicura
delle scorie radioattive e la resistenza alla
proliferazione delle armi atomiche.
Sicurezza-affidabilità: la IV Generazione deve
eccellere in sicurezza intrinseca ed affidabilità.
REATTORI NUCLEARI di
IV GENERAZIONE
Il sistema deve essere stabile ed a bassa
probabilità di gravi danni al nocciolo del
reattore ( tolleranza errori umani, caduta di
aerei, terremoti, attacco terroristico con
armi tradizionali).
Competitività economica: è fondamentale per
l’affermazione commerciale di detti reattori ed
il livello di rischio finanziario deve essere
equivalente a quello degli altri progetti anche
in campo non energetico.
Sistemi nucleari di IV generazione
Il progetto di un nuovo sistema nucleare,eco-compatibile ed per un
mercato globale, richiede da una parte notevoli investimenti in R&D,
stretta collaborazione fra industrie, enti di ricerca ed università e dall’
altra un lavoro intenso e costruttivo tra elettroproduttori, enti di
controllo, industrie ed opinione pubblica.
I sistemi nucleari,secondo gli studi del GIF, possono essere
classificati secondo le seguenti filiere:
• Reattore refrigerato ad acqua supercritica (SCWR)
• Reattore a spettro veloce refrigerato a gas (GFR)
• Reattore a spettro veloce refrigerato a piombo fuso (LFR)
• Reattore a spettro veloce refrigerato a sodio (SFR)
• Reattore a Sali fusi (MSR )
• Reattore
(VHTR)
refrigerato a gas ad alta temperatura
Sicurezza
Eco-sostenibilità
Competitività
Economica
•
•
•
•
•
•
•
Progettazione in base a sicurezza intrinseca ed eliminazione
degli incidenti severi (“Safety by design”).
Rimozione calore di decadimento per circolazione naturale.
Taglia medio - piccola & modularità per ridurre il costo
capitale intorno ai 1000 $ per kWe istallato.
Tempo di costruzione inferiore ai 3 anni.
Spettro veloce o spettro termico. Sistemi sottocritici.
Refrigerati ad acqua, gas o metalli liquidi (Na, Pb, Pb-Bi).
Utilizzo cicli U o U-Th ad alta efficienza nello sfruttamento
delle materie prime.
Impieghi: elettricità, desalinizzazione, calore, produzione
idrogeno, bruciamento delle scorie radioattive.
OBIETTIVI
La sostenibilità nei nuovi sistemi nucleari riguarderà
l’effettivo utilizzo del combustibile, la gestione sicura delle
scorie radioattive e la resistenza alla proliferazione degli
armamenti nucleari
I problemi più gravosi riguardano la gestione e l’eliminazione
delle scorie radioattive nell’intera catena, che dovranno
essere ridotte al minimo e considerate come una risorsa da
utilizzare con tecnologie avanzate
Un evento con danneggiamento del nocciolo diviene poco
credibile e ciò permetterà di eliminare la necessità di
predisporre piani di emergenza e di evacuazione. Il sistema
di contenimento servirà essenzialmente a proteggere il
reattore dagli eventi esterni, incluse azioni di terrorismo.
G-IV: Sodium Cooled Fast Reactor
G-IV: Lead Cooled Fast Reactor
G-IV: Gas Cooled Fast Reactor
G-IV: Supercritical Water Cooled Reactor
G-IV: Molten Salt Reactor
G-IV: Very High Temperature Reactor
Sviluppo di reattori di piccola taglia
• Carem-25 25 MWe – Argentina
• IRIS 150-350 MWe/PWR Westinghouse - Consorzio
internazionale (Brasile, Croazia, Giappone, Italia, Lituania,
Messico, Russia, Spagna, U.K., USA)
• PBMR 114 MWe/HTR Eskom - Sud Africa
• NHR-200 200 MWth/PWR INET – Cina
• ELSY 600 ( European Lead-cooled System),(Italia,Francia,
Francia, Germania, Spagna, Svezia, Olanda, Polonia, Romania,
Rep Ceca, Corea, USA, Svizzera )
• BREST-300 300 Mwe/LCFR ENTEK – Russia
• ADS Accelerator Driven Subcritical System - Italia, Francia,
Giappone, UK, USA, Russia, etc.
RICERCA e SVILUPPO UE sui MATERIALI
dpa
UE Roadmap per Apparecchiature e Prototipi (1/2)
UE Roadmap per Apparecchiature e Prototipi (2/2)
UE Roadmap per i Combustibili Nucleari
RISORSE DI URANIO E DI TORIO
•
Le risorse convenzionali di uranio sono quelle sfruttabili più facilmente con la
tecnologia esistente e sono anche note come risorse convenzionali provate. Esse si
dividono in due sottocategorie: risorse ragionevolmente sicure (RAR) e risorse
addizionali stimate di cat. I (EAR-I) e di cat. II (EAR-II) meno certe.
•
Le risorse speculative (SR) sono quelle il cui bacino minerario non è stato ancora
esplorato, però presenta caratteristiche geomorfologiche simili a quello delle
risorse provate.
•
Le risorse non convenzionali comprendono l’uranio presente nei fosfati e nell’
acqua di mare. La tecnologia di estrazione dell’uranio dai fosfati è sostanzialmente
matura ed i costi si collocano sui 60-100 $/kg di U. Per quanto riguarda l’estrazione
dell’uranio dall’acqua di mare, ricerche effettuate in Giappone con esito positivo
stimano valori inferiori a 300$/kg di U.
•
Il prezzo medio annuo dello yellow cake ha raggiunto, nel 2007, i 53 $/kg, mentre
sul mercato australiano il prezzo medio dell’uranio acquistato in dollari australiani
non ha mai superato i 40 $/kg ed il prezzo medio a lungo termine non ha mai
superato i 40 $/kg.
RIESORSE DI URANIO E DI TORIO
Da stime ufficiali dell’OECD-NEA, dell’IAEA e dell’IPCC relative alle risorse di uranio
e torio.
Tipo di risorsa
Stima (1000 t)
Risorse convenzionali provate
 Risorse provate (RAR)
 Risorse addizionali (EAR-I)
2850
1080
Riserve convenzionali stimate
 Risorse addizionali (EAR-II)
 Risorse speculative
2330
9940
Risorse secondarie
 Surplus dell’attività militare
 Ex-arricchimento
 Inventario commerciale
 Uranio depleto
250
440
220
1200
Risorse non convenzionali
 Fosfati
 Acqua del mare
Risorse convenzionali di Torio
 Risorse provate
 Risorse addizionali
22000
4000000
2100
2350
EVOLUZIONE DEL MIX DI ENERGIA PRIMARIA
• Nel 2100 si avrà una modifica sostanziale del portafoglio energetico. L’energia nucleare da
fissione contende il primo posto ai combustibili fossili. Lo scenario DCMN-2 si spinge oltre
enfatizzando anche gli usi non elettrici dell’energia nucleare, come la cogenerazione, la
produzione di idrogeno e la desalinizzazione di acqua salmastre.
1800
Energia primaria [EJ/anno]
1600
1400
1200
Bioenergia
Rinnovabili
Nucleare
Gas
Carbone
Petrolio
1000
800
600
400
200
0
1990
1
2005
2
2050
3
2100
4
Evoluzione del mix di energia primaria (scenario del VTT che prevede di
contenere la CO2 a livelli di 450 ppm).
LA FUSIONE NUCLEARE (1)
• Anche la reazione nucleare che comporta la fusione di
nuclei leggeri per formarne uno pesante produce calore
17.6 MeV
• Nel giugno 2005, i partners del consorzio ITER hanno
deciso di costruire un prototipo di tokamak a Cadarache,
in Francia
• Il prototipo è progettato per produrre 500 MW di potenza
ed è ancora sperimentale; il primo plasma era
inizialmente previsto per il 2016
LA FUSIONE NUCLEARE
(2)
• ITER sarà un Tokamak, una macchina in cui il deuterio ed
il trizio costituiranno un plasma riscaldato a 100 milioni di
gradi per produrre la fusione nucleare, confinato da
potenti campi magnetici
• Lo scopo di ITER è mostrare la
fattibilità scientifica e tecnologica
dell’uso della fusione per scopi
pacifici
• Dovrà funzionare per circa 20 anni
con qualche migliaio di impulsi da
10 s
• Si pensa che ci vorranno circa 50
anni per risolvere i problemi tecnici
coinvolti nell’uso commerciale dei
tokamak
CONCLUSIONI
• L’economia del nucleare da fissione potrà permettersi prezzi per l’acquisto
dell’uranio anche di 1400 $/kg, poiché il costo del combustibile in un FBR incide
poco sul costo totale dell’elettricità (0.003 $/kWh). Inoltre gli FBR hanno la capacità
di utilizzare anche il combustibile usato dai reattori termici e di semplificare la
gestione delle scorie radioattive.
• L’affermazione della tecnologia nucleare avverrà in un mercato più ampio e non
dipendente da Paese a Paese, con impianti costruiti con componenti di qualità
prodotti in tutto il mondo, come già avviene in campo aerospaziale. Se lo sviluppo
industriale della tecnologia nucleare riuscirà a dare una risposta positiva ai
problemi di sicurezza, di competitività economica, di riduzione e sistemazione
definitiva delle scorie radioattive, il rilancio dell’energia nucleare porterà i reattori
nucleari a spettro veloce ad una rapida penetrazione nel mercato.
• La rinascita dell’energia nucleare potrebbe avere un ruolo analogo a quello che ha
avuto il carbone nella rivoluzione industriale: salvare il pianeta dai cambiamenti
climatici ed assicurare, non solo una perequazione tra regioni ricche e regioni
povere, ma anche uno sviluppo socio-economico millenario.