QUESTIONI APERTE SULLE TECNOLOGIE QUESTIONI APERTE SULLE TECNOLOGIE NUCLEARI:NUCLEARI:

Le scorie nucleariLe scorie nucleari

Marino MazziniMarino MazziniProfessore OrdinarioProfessore Ordinario

nel s.s.d. “Impianti Nucleari” nel s.s.d. “Impianti Nucleari”

Università di PisaUniversità di Pisa

Facoltà di IngegneriaFacoltà di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della ProduzioneDipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione

NUCLEAR ENERGY TODAYNUCLEAR ENERGY TODAYCritical IssuesCritical Issues

Some issues are or are believed “critical” for nuclear energy:–Nuclear wastes:

• more a political than a technical problem: possible solutions exist

• final repositories being selected (e.g., Yucca Mountain in USA)

–Occurred accidents:• TMI-2: considerable plant damage with no

consequences• Chernobyl: possibly the maximum credible

disaster, considered impossible in western reactors    

NUCLEAR ENERGY TODAYNUCLEAR ENERGY TODAYCritical Issues (Cont.)Critical Issues (Cont.)

Some issues are or are believed “critical” for nuclear energy:–Environmental protection:

• nuclear energy avoids greenhouse gas emissions

• in combination with hydrogen production, it may decrease the need of fossil fuels

- Nuclear proliferation:• military applications of nuclear energy

preceded peaceful ones• constructing nuclear weapons requires

anyway sophisticated techniques• minimization of the possibility to divert

nuclear fuel for non-energy applications   

• Uno dei punti di forza del nucleare in relazione alle scorie prodotte sono le piccole quantità di massa coinvolte a parità di energia prodotta

• Le scorie vengono prodotte dalla fissione nucleare e sono costituite da isotopi radioattivi la cui vita media può essere anche molto lunga (fino migliaia o centinaia di migliaia di anni)

• In particolare:–le scorie ad alta attività, le sole di cui ci si debba

seriamente preoccupare, costituiscono il 3% del volume totale e contengono il 95% della radioattività;

–le scorie a media attività sono il 7% in volume e contengono il 4% della radioattività;

–le scorie a bassa attività costituiscono il 90% in volume e l’1% in radioattività

   

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI Cosa sono le scorie nucleari Cosa sono le scorie nucleari

Rifiuti e scorie

Rifiuti e scorie

1. Separazione spinta degli attinidi durante il ritrattamento del combustibile

2. Fabbricazione di elementi di combustibile speciali contenenti gli attinidi

3. Trasmutazione degli attinidi mediante irraggiamento neutronico in un reattore veloce (tipo ADS)

• 2 x 105 anni tempo in cui la radioattività del combustibile irraggiato come scaricato dal reattore si riduce a quella del minerale di uranio originale

• 104 anni se si separano e si riutilizzano uranio e plutonio

• 200 anni se si separano e si trasformano gli attinidi in elementi più leggeri

• Una centrale da 1000 MWe produce annualmente scorie ad alta attività per un totale di circa 6 tonnellate, includendo la matrice vetrosa che le ingloba

• Se prodotta con carbone, la stessa energia darebbe luogo a centinaia di migliaia di tonnellate di ceneri e milioni di tonnellate di CO2

• Una celebre immagine (reperibile su internet) mostra la quantità di scorie ad alta attività inglobate in matrice vetrosa che risulta dalla produzione dell’energia necessaria per sopperire al consumo energetico di una persona in un paese industrializzato per tutta la vita

   

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTI La quantità delle scorie La quantità delle scorie

• Le scorie nucleari possono essere inglobate in matrice inerte (vetro, cemento) a sua volta inclusa in recipienti (ad esempio di acciaio inox) che vengono sepolti in formazioni geologiche stabili (sale o granito)

• Un deposito di questo genere è attivo dal 1999 nel New Mexico ed accoglierà scorie fino al 2035 (Waste Isolation Pilot Plant)

   

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl trattamento Il trattamento delle scoriedelle scorie

300 – 1000 m

Installazioni in superficie

Tunnel di accesso

Zona di deposito in profondità

Tunnel

Bentonite

Contenitore delle scorie

• Gli Stati Uniti stanno mettendo a punto la repository “retrievable” di Yucca Mountain

• Molti Paesi impegnati nel nucleare stanno individuando siti per la deposizione finale delle scorie

• Il riprocessamento del combustibile e la trasmutazione permetteranno tempi di decadimento più brevi e lo sfruttamento del Pu

   

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl trattamento Il trattamento delle scoriedelle scorie

Sweden Design RepositorySweden Design Repository

   

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl trattamento Il trattamento delle scoriedelle scorie

Cygar Lake (Canada)Cygar Lake (Canada)

   

TEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTITEMI FREQUENTEMENTE DIBATTUTIIl trattamento Il trattamento delle scoriedelle scorie

Reattori nucleari naturali ad Oklo in Gabon: • 2 miliardi di anni fa ad Oklo l’alta concentrazione di uranio nel terreno

rese possibile il raggiungimento della criticità per 17 reattori nucleari

• Essi operarono ad intermittenza per circa 1 milione di anni dando luogo a prodotti di fissione

• Queste sostanze rimasero in loco con movimenti limitati a decine di metri al massimo per due miliardi di anni in un solo normale, sotto l’effetto degli agenti atmosferici

• Non si può riscontrare alcuna differenza evidente tra gli ecosistemi e le popolazioni in questa area e nelle aree vicine con lo stesso habitat, clima, abitudini di vita

Sistemazione Definitiva Scorie Radioattive

a bassa e media radioattività

Cilindri di stoccaggio a secco dei rifiuti a media radioattività dell’impianto nucleare di Wolsong in Corea

• Il problema della sistemazione definitiva delle scorie non è di natura tecnologica, ma culturale e politica

• E‘ necessario che l'opinione pubblica recepisca l'idea che il deposito definitivo delle scorie radioattive non è una discarica nucleare, ma un impianto tecnologico avanzato e come tale va progettato e gestito

Bruciamento & Sistemazione Definitiva delle Scorie Radioattive

L’Accelerator Driven System (ADS) è concepito per il bruciamento delle scorie nucleari.

• L’ADS si basa sull’accoppiamento tra un acceleratore di particelle e un impianto nucleare sottocritico

• Con l’eliminazione delle scorie ad alta attività i depositi attuali verrebbero meglio sfruttati e diminuirebbe la richiesta di realizzare nuovi depositi

Bruciamento & Sistemazione Definitiva delle Scorie Radioattive

Conclusioni sulle scorie nucleari• Il problema della distruzione dei waste radioattivi, ed

in particolare del contenuto di attinidi minori, ha già soluzioni tecnicamente fattibili

• Una soluzione possibile in prospettiva futura potrebbe essere l’adozione di cicli simbiotici LWR-HTR-GCFR

• Sono in corso ricerche su tale tema anche presso l’Università di Pisa e sono già stati presentati svariati articoli sull’argomento in contesti internazionali

• Per maggiori informazioni: http://www2.ing.unipi.it/~d0728/GCIR/gcir.htm

Fonti e Letture ConsigliateFonti e Letture Consigliate

Ingegneria Nucleare e SicurezzaIngegneria Nucleare e Sicurezza• D. Bodansky, “Nuclear Energy – Principles, Practices and Prospects”, American D. Bodansky, “Nuclear Energy – Principles, Practices and Prospects”, American

Institute of Physics, New York, 1996.Institute of Physics, New York, 1996.• J.R. Lamarsh, A.J. Baratta, “Introduction to Nuclear Engineering”, 3rd Edition, Prentice J.R. Lamarsh, A.J. Baratta, “Introduction to Nuclear Engineering”, 3rd Edition, Prentice

Hall, New Jersey, 2001. Hall, New Jersey, 2001. • E.E. Lewis, “Nuclear Power Reactor Safety”, John Wiley and Sons, New York, 1977.E.E. Lewis, “Nuclear Power Reactor Safety”, John Wiley and Sons, New York, 1977.• Nuclear News, ANS.Nuclear News, ANS.• G. Petrangeli, “Nuclear Safety”, Elsevier Publ., 2006G. Petrangeli, “Nuclear Safety”, Elsevier Publ., 2006

Prospettiva storica sulla nascita dell’era nucleare e nuovo ambientalismoProspettiva storica sulla nascita dell’era nucleare e nuovo ambientalismo• R. Rhodes, “The Making of the Atomic Bomb”, Touchstone, 1988.R. Rhodes, “The Making of the Atomic Bomb”, Touchstone, 1988.• G. Cravens “Power to Save the World”, A.A. Knopf, New York, 2007G. Cravens “Power to Save the World”, A.A. Knopf, New York, 2007• J. Lovelock, “J. Lovelock, “The Revenge of Gaia: Earth's Climate Crisis and the Fate of Humanity”, The Revenge of Gaia: Earth's Climate Crisis and the Fate of Humanity”,

Perseus Books GroupPerseus Books Group• Ian Hore-Lacy, Nuclear Energy in the 21st Century, World Nuclear University PressIan Hore-Lacy, Nuclear Energy in the 21st Century, World Nuclear University Press

Informazioni generali sull’energia nucleare e non-nucleareInformazioni generali sull’energia nucleare e non-nucleare• www.world-nuclear.org , www.uraniumsa.org, www.iaea.org, www.eia.doe.gov,www.world-nuclear.org , www.uraniumsa.org, www.iaea.org, www.eia.doe.gov,• www.nei.org/ www.nei.org/

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