L’evoluzione della sicurezza negli impianti nucleari

L’evoluzione della sicurezza negli L’evoluzione della sicurezza negli impianti nucleariimpianti nucleari

ENERGIA NUCLEARE E NUOVE TECNOLOGIE: RIFLESSIONI SU SICUREZZA ED AMBIENTEENERGIA NUCLEARE E NUOVE TECNOLOGIE: RIFLESSIONI SU SICUREZZA ED AMBIENTE

Lezioni Lincee di FisicaLezioni Lincee di Fisica

Università di Milano Bicocca - Dipartimento di Fisica G.P.S. Occhialini, Milano, 2 Aprile 2009Università di Milano Bicocca - Dipartimento di Fisica G.P.S. Occhialini, Milano, 2 Aprile 2009

F. ParozziF. Parozzi

CESI RICERCA, Dipartimento Sistemi di Generazione CESI RICERCA, Dipartimento Sistemi di Generazione

Responsabile del Gruppo di Ricerca Responsabile del Gruppo di Ricerca

sulla Sicurezza per gli Impianti Industriali e per il Nucleare Innovativosulla Sicurezza per gli Impianti Industriali e per il Nucleare Innovativo

contenuto della presentazionecontenuto della presentazione

Potenziali conseguenze di un incidente grave Potenziali conseguenze di un incidente grave

Approccio alla sicurezza dei primi impianti nucleariApproccio alla sicurezza dei primi impianti nucleari

L’individuazione degli scenari incidentali di riferimentoL’individuazione degli scenari incidentali di riferimento

Gli incidenti realmente accadutiGli incidenti realmente accaduti

La sicurezza dei reattori di ultima generazioneLa sicurezza dei reattori di ultima generazione

Nuove tipologie di reattore allo studioNuove tipologie di reattore allo studio

L’esposizione alle radiazioni L’esposizione alle radiazioni

fonte: Princeton University

~3-4 mSv/y

1 mRem = 10-5 Sv

L’impianto elettronucleareL’impianto elettronucleare

schema di un tipico impianto nucleare ad acqua in pressione PWR: 2/3 delle centrali sono dotate di reattori di questo tipo

La fissione nucleare a catena controllataLa fissione nucleare a catena controllata

I fenomeni associabili ad un possibile incidente graveI fenomeni associabili ad un possibile incidente grave

Typical PWR inventory atSCRAM (burning = 1.13E6 MWd)

[Curie]

PWR severe accidentexpected release after 24 h

[Curie]

Kr85 350000 1500

Sr90 2500000 300

I131 75000000 7500

Xe133 150000000 700000

Cs137 3500000 350


• La reazione nucleare viene interrotta perché vengono inserite le La reazione nucleare viene interrotta perché vengono inserite le

barre o sostanze che bloccano i neutronibarre o sostanze che bloccano i neutroni

• Si spegnerebbe comunque quando non c’è più l’acqua, che funge Si spegnerebbe comunque quando non c’è più l’acqua, che funge

da moderatore della reazione a catena da moderatore della reazione a catena

• Il combustibile del reattore (dove sono presenti le sostanze Il combustibile del reattore (dove sono presenti le sostanze

radioattive) si surriscalda se privato del raffreddamento a causa radioattive) si surriscalda se privato del raffreddamento a causa

del calore di decadimento delle sostanze radioattive stessedel calore di decadimento delle sostanze radioattive stesse


Se il nocciolo si degrada, vengono Se il nocciolo si degrada, vengono rilasciati prodotti radioattivi quanto rilasciati prodotti radioattivi quanto più elevata è la temperaturapiù elevata è la temperatura


Valutazioni della US Nuclear Regulatory Commission molto prudenti Valutazioni della US Nuclear Regulatory Commission molto prudenti agli esordi della tecnologiaagli esordi della tecnologia

Approccio sperimentale al comportamento di componenti e sistemi Approccio sperimentale al comportamento di componenti e sistemi

Quantificazione “conservativa” delle possibili conseguenze Quantificazione “conservativa” delle possibili conseguenze


1950:1950: definizione area di sicurezza attorno agli impianti definizione area di sicurezza attorno agli impianti

1957:1957: studio di possibili differenti scenari incidentali correlati alla studio di possibili differenti scenari incidentali correlati alla quantità di radionuclidi generati nel reattore e al cedimento delle quantità di radionuclidi generati nel reattore e al cedimento delle barriere di protezionebarriere di protezione

1962:1962: definizione del Source Term standard (91 % dello iodio in definizione del Source Term standard (91 % dello iodio in forma elementale) ai fini del licensingforma elementale) ai fini del licensing

Il concetto di “incidente di progetto” Il concetto di “incidente di progetto”

La sicurezza di ciascun impianto fa riferimento all’incidente o guasto La sicurezza di ciascun impianto fa riferimento all’incidente o guasto di riferimento (DBA: Design Basis Accident), per il quale l’impianto, le di riferimento (DBA: Design Basis Accident), per il quale l’impianto, le strutture e i sistemi di emergenza devono garantire la salute e la strutture e i sistemi di emergenza devono garantire la salute e la sicurezza della popolazione esterna sicurezza della popolazione esterna


L’incidente di riferimento (DBA) deve ovviamente essere “credibile” e L’incidente di riferimento (DBA) deve ovviamente essere “credibile” e costituire un inviluppo di tutte quelle situazioni in grado di innescare costituire un inviluppo di tutte quelle situazioni in grado di innescare un pericolo per cui è necessario adottare protezioni e sistemi di un pericolo per cui è necessario adottare protezioni e sistemi di emergenzaemergenza

negli impianti LWR, ad esempio, è una perdita massiccia dell’acqua di raffreddamento causata da rotture meccaniche


Nel caso della progettazione di un edificio, ad esempio, le protezioni di Nel caso della progettazione di un edificio, ad esempio, le protezioni di sicurezza sono giustificabili a seconda delle situazioni: sicurezza sono giustificabili a seconda delle situazioni:

• antisismicaantisismica

• antincendioantincendio

• allagamenti e alluvioniallagamenti e alluvioni

• esplosioni di gasesplosioni di gas

• attacchi terroristiciattacchi terroristici

• impatto di aereiimpatto di aerei

• caduta di meteoriticaduta di meteoriti

Gli scenari che vanno oltre l’incidente di progetto Gli scenari che vanno oltre l’incidente di progetto

Nell’ipotesi, più remota, che Nell’ipotesi, più remota, che

anche i sistemi di emergenza si anche i sistemi di emergenza si

guastino, l’impianto nucleare può guastino, l’impianto nucleare può

andare incontro ad una situazione andare incontro ad una situazione

incidentale grave, con il rischio di incidentale grave, con il rischio di

rilascio di forti dosi di radioattività rilascio di forti dosi di radioattività

all’esterno all’esterno

Gli scenari che vanno oltre l’incidente di progetto Gli scenari che vanno oltre l’incidente di progetto

1975: definizione delle sequenze incidentali che possono portare alla 1975: definizione delle sequenze incidentali che possono portare alla

fusione del nocciolo e al rilascio di radionuclidi fusione del nocciolo e al rilascio di radionuclidi (WASH-1400, noto (WASH-1400, noto

anche come "Rapporto Rasmussen")anche come "Rapporto Rasmussen")

Probabilistic Risk Assessment (PSA)Probabilistic Risk Assessment (PSA)

(valutazione probabilistica del rischio) (valutazione probabilistica del rischio)

Livello 1 Livello 1 selezione sequenze incidentali di fusione del nocciolo selezione sequenze incidentali di fusione del nocciolo

Livello 2 Livello 2 arriva a valutare i rilasci di radioattività all’esterno arriva a valutare i rilasci di radioattività all’esterno

Livello 3 Livello 3 arriva a valutare le conseguenze per la popolazione arriva a valutare le conseguenze per la popolazione

L’analisi affidabilisticaL’analisi affidabilistica

Viene utilizzata per selezionare gli scenari incidentali di riferimento Viene utilizzata per selezionare gli scenari incidentali di riferimento anche più gravi anche più gravi

• alberi di guasto

• alberi degli eventi

La tecnologia dei reattori ad acqua di tipo occidentale, in quasi La tecnologia dei reattori ad acqua di tipo occidentale, in quasi mezzo secolo di esperienza, ha consentito di raggiungere mezzo secolo di esperienza, ha consentito di raggiungere standard di sicurezza superiori a quello di altre tecnologie standard di sicurezza superiori a quello di altre tecnologie energeticheenergetiche

Le vecchie centrali (Generazione II)Le vecchie centrali (Generazione II)

probabilità di incidente grave probabilità di incidente grave 10 10-6 -6 -- 1010-4 -4 per ogni reattore-anno per ogni reattore-anno

Le centrali di ultima generazione (Generazione III e III+)Le centrali di ultima generazione (Generazione III e III+)

probabilità di incidente grave probabilità di incidente grave 10 10-6 -6 per ogni reattore-anno per ogni reattore-anno

Risultati dell’analisi affidabilisticaRisultati dell’analisi affidabilistica


L’incidente di L’incidente di Chernobyl Chernobyl (Ucraina)(Ucraina) del 1986 (esplosione reattore, del 1986 (esplosione reattore, fusione nocciolo e incendio) ha scarsa rilevanza per la sicurezza fusione nocciolo e incendio) ha scarsa rilevanza per la sicurezza degli impianti nucleari moderni (cattivo progetto, norme di degli impianti nucleari moderni (cattivo progetto, norme di sicurezza violate, nessun edificio di contenimento) sicurezza violate, nessun edificio di contenimento)

Due tecnici della centrale uccisi dall’esplosione Due tecnici della centrale uccisi dall’esplosione

Delle squadre di soccorso, altri 28 morti entro quattro mesi Delle squadre di soccorso, altri 28 morti entro quattro mesi dall’incidente e altri 19 negli anni successividall’incidente e altri 19 negli anni successivi

Circa 135 mila abitanti delle aree circostanti costretti ad Circa 135 mila abitanti delle aree circostanti costretti ad abbandonare la zonaabbandonare la zona

Sensibile incremento di casi di tumore alla tiroide registrato nel Sensibile incremento di casi di tumore alla tiroide registrato nel nord dell’Ucraina e in Bielorussianord dell’Ucraina e in Bielorussia


impatto radiologico molto pesante

significativa contaminazione della zona


L’incidente di L’incidente di Three Mile Island Three Mile Island (USA) del 1979 (fusione di gran (USA) del 1979 (fusione di gran parte del nocciolo) ha fornito molte informazioni per stimare parte del nocciolo) ha fornito molte informazioni per stimare realisticamente le conseguenze radiologiche di un incidente in un realisticamente le conseguenze radiologiche di un incidente in un impianto di tipo LWR (il più comune: l’88% degli impianti mondiali) impianto di tipo LWR (il più comune: l’88% degli impianti mondiali)

Dimostrata l’importanza del contenitore di sicurezza Dimostrata l’importanza del contenitore di sicurezza

Dose media individuale stimata su 2 milioni di persone ~1 mRem Dose media individuale stimata su 2 milioni di persone ~1 mRem

Dose massima nei pressi dell’impianto < 100 mRemDose massima nei pressi dell’impianto < 100 mRem

fondo naturale della zona: 100-125 mRem annui fondo naturale della zona: 100-125 mRem annui

fondo naturale nel Lazio: 150 mRem annuifondo naturale nel Lazio: 150 mRem annui

5000 mRem annui sono il limite inferiore, cautelativo, al di sotto del quale non 5000 mRem annui sono il limite inferiore, cautelativo, al di sotto del quale non è riscontrabile incidenza tumorale nella popolazione esposta è riscontrabile incidenza tumorale nella popolazione esposta

impatto radiologico modesto

nessuna contaminazione della zona

Mediante studi ed esperimenti...Mediante studi ed esperimenti...

... sono stati resi più sicuri gli impianti attuali ... sono stati resi più sicuri gli impianti attuali

Strategie volte all’Strategie volte all’accident managementaccident management

Sistemi aggiuntivi di mitigazioneSistemi aggiuntivi di mitigazione

Impedimento del contatto tra “corium” e calcestruzzo del basamento Impedimento del contatto tra “corium” e calcestruzzo del basamento

Strategia nippo-statunitense Strategia nippo-statunitense raffreddamento del vessel raffreddamento del vessel dall’esterno per impedirne il cedimentodall’esterno per impedirne il cedimento

... e gli impianti che verranno costruiti prossimamente ... e gli impianti che verranno costruiti prossimamente

Livelli di sicurezza dei nuovi impianti Livelli di sicurezza dei nuovi impianti

Impedimento del contatto tra “corium” e calcestruzzo del basamento Impedimento del contatto tra “corium” e calcestruzzo del basamento

Strategia europea Strategia europea sfogo del corium fuso su superficie di sfogo del corium fuso su superficie di raccolta e raffreddamento (core-catcher)raccolta e raffreddamento (core-catcher)

Livelli di sicurezza dei nuovi impianti Livelli di sicurezza dei nuovi impianti

Gli impianti di Generazione III+, come il francese EPR, sono Gli impianti di Generazione III+, come il francese EPR, sono progettati per fronteggiare anche gli eventi incidentali più gravi senza progettati per fronteggiare anche gli eventi incidentali più gravi senza richiedere un piano di evacuazione della popolazione circostanterichiedere un piano di evacuazione della popolazione circostante

• Sostenibilità:Sostenibilità: devono avere riflessi positivi anche nel lungo devono avere riflessi positivi anche nel lungo termine termine (buon impatto sull’ambiente, efficiente utilizzo del combustibile, (buon impatto sull’ambiente, efficiente utilizzo del combustibile,

minimizzazione delle scorie)minimizzazione delle scorie)

• Economicità:Economicità: trasparenza nei costi dell’intero ciclo produttivo e trasparenza nei costi dell’intero ciclo produttivo e competitività con le altre fonti energetiche competitività con le altre fonti energetiche

• Affidabilità e sicurezza:Affidabilità e sicurezza: bassissima probabilità di incidenti e bassissima probabilità di incidenti e non devono richiedere piani di emergenza non devono richiedere piani di emergenza

• Anti-proliferazione:Anti-proliferazione: non attraenti per la produzione di armi non attraenti per la produzione di armi nucleari e per attacchi terroristicinucleari e per attacchi terroristici

in pratica, hanno l’obiettivo di rendere la fonte in pratica, hanno l’obiettivo di rendere la fonte nucleare più “matura”, superando gli ostacoli nucleare più “matura”, superando gli ostacoli presentatisi nel suo primo mezzo secolo di storiapresentatisi nel suo primo mezzo secolo di storia

Verso i reattori di IV GenerazioneVerso i reattori di IV Generazione

IV Generazione (dopo il 2030): i 6 concetti più IV Generazione (dopo il 2030): i 6 concetti più promettentipromettenti

Le ricerche sulla sicurezza hanno quindi nuovi Le ricerche sulla sicurezza hanno quindi nuovi obiettiviobiettivi

• studio di nuovi tipi di combustibile e di comportamento dei reattoristudio di nuovi tipi di combustibile e di comportamento dei reattori

• test sul comportamento di nuovi materiali in condizioni prototipiche test sul comportamento di nuovi materiali in condizioni prototipiche

• analisi dell’attivazione di materiali strutturali ai fini di costruire mappature analisi dell’attivazione di materiali strutturali ai fini di costruire mappature precise dei campi di radiazione dell’isola nucleareprecise dei campi di radiazione dell’isola nucleare

• interazioni chimiche (fuoco da sodio, fenomeni di trasporto) interazioni chimiche (fuoco da sodio, fenomeni di trasporto)

• messa a punto di nuove strumentazioni di misuramessa a punto di nuove strumentazioni di misura

• education & trainingeducation & training

Riferimenti consigliatiRiferimenti consigliati

The Role of Nuclear Power in Europe (studio World Energy Council) The Role of Nuclear Power in Europe (studio World Energy Council) www.worldenergy.org/publications/309.aspwww.worldenergy.org/publications/309.asp

Energy to 2050 - Scenarios for a Sustainable Future. Energy to 2050 - Scenarios for a Sustainable Future. Rapporto International Energy Agency (IEA) Rapporto International Energy Agency (IEA) http://www.iea.org/Textbase/publications/free_new_Desc.asp?PUBS_ID=1226http://www.iea.org/Textbase/publications/free_new_Desc.asp?PUBS_ID=1226

SARNET, A Network of excellence federating European research on SARNET, A Network of excellence federating European research on core meltdown reactor accidents core meltdown reactor accidents http://www.sar-net.org/http://www.sar-net.org/

ENEA - Rapporto Energia e Ambiente 2006 ENEA - Rapporto Energia e Ambiente 2006 http://www.enea.it/produzione_scientifica/volumi/V2007_06_REA2006.htmlhttp://www.enea.it/produzione_scientifica/volumi/V2007_06_REA2006.html

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