Scorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileGuglielmo LomonacoGuglielmo Lomonaco Scorie...

Scorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del CombustibileScorie Nucleari e Cicli Innovativi del Combustibile

DIMNP (University of Pisa) & DIPTEM (University of Genova)e-mail: [email protected]

Dr. Dr. Dr. Dr. Dr. Dr. Dr. Dr. IngIngIngIngIngIngIngIng. . . . . . . . GuglielmoGuglielmoGuglielmoGuglielmoGuglielmoGuglielmoGuglielmoGuglielmo LomonacoLomonacoLomonacoLomonacoLomonacoLomonacoLomonacoLomonacoGuglielmo LomonacoGuglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli InnovaticiScorie Nucleari e Cicli Innovatici 11

Le scorie nucleariLe scorie nucleari�� Il rapporto scorie/energia della Il rapporto scorie/energia della

fonte energetica nucleare è fonte energetica nucleare è 1/10000001/1000000 rispetto alle fonti rispetto alle fonti convenzionali (combustibili convenzionali (combustibili fossili) fossili) ancheanche con un ciclo con un ciclo non non ottimizzatoottimizzato

�� Le scorie Le scorie nucleari si nucleari si classificano classificano nelle seguenti categorie:nelle seguenti categorie:

�� LLW (Low LLW (Low LevelLevel WasteWaste): 90% dei ): 90% dei

Guglielmo LomonacoGuglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli InnovaticiScorie Nucleari e Cicli Innovatici 22

�� LLW (Low LLW (Low LevelLevel WasteWaste): 90% dei ): 90% dei rifiuti, 1% dell’attivitàrifiuti, 1% dell’attività

�� ILW (Intermediate ILW (Intermediate LevelLevel WasteWaste): ): 7% dei rifiuti, 4% dell’attività7% dei rifiuti, 4% dell’attività

�� HLW HLW (High (High LevelLevel WasteWaste): ): 3%3% dei dei rifiuti, rifiuti, 95%95% dell’attivitàdell’attività

�� Ogni anno un PWR medio Ogni anno un PWR medio scarica 30 t di combustibile scarica 30 t di combustibile irraggiatoirraggiato, di cui circa il , di cui circa il 96%96% è è costituito da costituito da uraniouranio

Confronto tra “rifiuti”Confronto tra “rifiuti”


Rifiuti nucleari pericolosi: Rifiuti nucleari pericolosi: la reale dimensione del problemala reale dimensione del problema

Un francese in un anno produce:Un francese in un anno produce:�� 3000 kg3000 kg di rifiuti di ogni tipo, che comprendono:di rifiuti di ogni tipo, che comprendono:

�� 100 kg100 kg di rifiuti tossicodi rifiuti tossico--nocivi (chimici, metalli pesantinocivi (chimici, metalli pesanti--mercurio piombo cadmio non degradabili,…), che mercurio piombo cadmio non degradabili,…), che comprendono:comprendono:

Guglielmo LomonacoGuglielmo Lomonaco Scorie Nucleari e Cicli InnovaticiScorie Nucleari e Cicli Innovatici

comprendono:comprendono:�� 1 kg1 kg di rifiuti nucleari, che comprende:di rifiuti nucleari, che comprende:

�� 0.05 kg0.05 kg di rifiuti radioattivi pericolosi a lunga vita (>30 anni)di rifiuti radioattivi pericolosi a lunga vita (>30 anni)

�� QuindiQuindi, in , in unauna interaintera vita (70 vita (70 annianni), un ), un francesefrancese checheconsumiconsumi energiaenergia elettricaelettrica prodottaprodotta solo per via solo per via nuclearenucleare, produce un volume , produce un volume didi rifiutirifiuti radioattiviradioattivipericolosipericolosi paripari a…a…

44

DEPOSITO DEPOSITO GEOLOGICO (Svezia)GEOLOGICO (Svezia)


Forsmark, SveziaCostruzione: 2015-2022 Esercizio: 2023-2070Formazione di granito a 500 m di profondità

55

• 3 depositi superficiali• Studio per il deposito

geologico a Bure • Realizzazione del

deposito geologico

• Rifiuti gestiti direttamente da esercenti e produttori

• 3 depositi sotterranei in granito presso i 3

• 3 depositi superficiali• Deposito geologico

per rifiuti militari• Deposito geologico a

Yucca Mountain

FRANCIA USAFINLANDIA

RIFIUTI NUCLEARIRIFIUTI NUCLEARIConfronto fra strategie di altre nazioniConfronto fra strategie di altre nazioni

deposito geologiconel 2025

in granito presso i 3 siti nucleari

• Studi a Olkiluoto per il deposito geologicoentro il 2020

Yucca Mountain

Identificazione del deposito geologico con opzione di reversibilità


I concetti chiave dei cicli di I concetti chiave dei cicli di combustibile futuricombustibile futuri

�� Ciclo chiuso: Ciclo chiuso: ciclo di combustibile in cui ciclo di combustibile in cui tutto tutto l’Ul’U estratto dalla miniera viene estratto dalla miniera viene fissionatofissionato(direttamente o “indirettamente”) e le cui scorie (direttamente o “indirettamente”) e le cui scorie finali sono costituite finali sono costituite unicamenteunicamente da prodotti di da prodotti di


finali sono costituite finali sono costituite unicamenteunicamente da prodotti di da prodotti di fissionefissione

�� Trasmutazione: Trasmutazione: trasformazione di un nuclide in trasformazione di un nuclide in un altro per assorbimento neutronicoun altro per assorbimento neutronico

�� RiprocessamentoRiprocessamento e Separazione: e Separazione: riciclo degli riciclo degli attinidi (e eventuale separazione) dai prodotti di attinidi (e eventuale separazione) dai prodotti di fissione e loro reinserimento nei reattori come fissione e loro reinserimento nei reattori come combustiblecombustible “fresco”“fresco”

Le scorie nucleari: tutte “scorie”?Le scorie nucleari: tutte “scorie”?


Quale ciclo del combustibile?Quale ciclo del combustibile?

�� Stoccaggio diretto del combustibile Stoccaggio diretto del combustibile “esausto” (“esausto” (once once throughthroughcyclecycle//directdirect disposaldisposal))


cyclecycle//directdirect disposaldisposal))

�� Ciclo “chiuso” (Ciclo “chiuso” (closedclosed cyclecycle))

I vantaggi del ciclo I vantaggi del ciclo ““chiusochiuso””�� Sfruttamento Sfruttamento integraleintegrale delle risorse di Udelle risorse di U�� MinimizzazioneMinimizzazione della della massamassa e della e della radiotossicitàradiotossicità (soprattutto a lungo termine) (soprattutto a lungo termine) delle scorie nucleari destinate ai depositi delle scorie nucleari destinate ai depositi geologicigeologici


geologicigeologici�� Massimizzazione della Massimizzazione della resistenza alla resistenza alla proliferazioneproliferazione dei materiali coinvolti grazie a dei materiali coinvolti grazie a opportune tecniche di opportune tecniche di riprocessamentoriprocessamentoabbinate a elevati abbinate a elevati burnburn--upup

In sintesi: gli svantaggi dello In sintesi: gli svantaggi dello stoccaggio direttostoccaggio diretto


Geological Disposal

Direct Disposal

PartitioningSpent Fuel

GeologicalDisposal

Cs, Sr Temporary Storagefor heat decay

Geological DisposalGeological Disposal

Direct Disposal

PartitioningSpent Fuel

GeologicalDisposal

Cs, Sr Temporary Storagefor heat decay

Chiudere Chiudere il ciclo del combustibile è quindi essenziale per un nucleare sostenibilesostenibile


Dedicated Fueland

LLFP targetFabrication

Pu, MA, LLFP

P & T

PartitioningSpent Fuelfrom LWRs

Transmutation Dedicated Fueland

LLFP TargetReprocessing

Stable FP, TRU losses

Pu, MA, LLFP


LLFP: Long lived fission products (Tc -99, I -129, Se -79, ...); MA: Minor Actinides (Am, Np, Cm)

Dedicated Fueland

LLFP targetFabrication

Pu, MA, LLFP

P & T

PartitioningSpent Fuelfrom LWRs

Transmutation Dedicated Fueland

LLFP TargetReprocessing


Pu, MA, LLFP


LLFP: Long lived fission products (Tc -99, I -129, Se -79, ...); MA: Minor Actinides (Am, Np, Cm)

Benefici potenziali della Benefici potenziali della separazione/ trasmutazioneseparazione/ trasmutazione

�� Riduzione della sorgente di radiotossicità Riduzione della sorgente di radiotossicità potenziale in un deposito geologicopotenziale in un deposito geologico


�� Riduzione del calore residuo: aumento Riduzione del calore residuo: aumento della capacità del deposito geologicodella capacità del deposito geologico

�� Se i transuranici non vengono separati fra Se i transuranici non vengono separati fra di loro, diminuzione del rischio di di loro, diminuzione del rischio di proliferazioneproliferazione

““LOMLOM”” e e ““LOMBTLOMBT””�� Definizione Definizione –– Level Of Mine (LOM) : Level Of Mine (LOM) : data data una certa massa di scorie nucleari, si una certa massa di scorie nucleari, si definisce “Level Of Mine” (LOM) la definisce “Level Of Mine” (LOM) la radiotossicità della massa di U naturale da cui radiotossicità della massa di U naturale da cui esse discendonoesse discendonoDefinizione Definizione –– Level Of Mine Balancing Level Of Mine Balancing


�� Definizione Definizione –– Level Of Mine Balancing Level Of Mine Balancing Time (LOMBT) : Time (LOMBT) : data una certa massa di data una certa massa di scorie nucleari, si definisce “Level Of Mine scorie nucleari, si definisce “Level Of Mine Balancing Time” (LOMBT) il tempo necessario Balancing Time” (LOMBT) il tempo necessario affinché la sua radiotossicità pareggi quella affinché la sua radiotossicità pareggi quella dell’U naturale da cui essa discende (ossia il dell’U naturale da cui essa discende (ossia il LOM)LOM)

Radiotossicità del wasteRadiotossicità del waste

LWR-LOMBT ~ 100000 y


Fonte: http://www.cea.fr

1515

Il riciclo del plutonioIl riciclo del plutonio�� Il plutonio viene riciclato in alcuni paesi (es. Il plutonio viene riciclato in alcuni paesi (es. Francia, Regno Unito, Giappone, ecc.) e Francia, Regno Unito, Giappone, ecc.) e impiegato nei reattori LWR come combustibile impiegato nei reattori LWR come combustibile MOXMOX

�� È provato l’utilizzo È provato l’utilizzo sicurosicuro del plutonio nei del plutonio nei reattori veloci reattori veloci in in combustibile ad ossidi misti combustibile ad ossidi misti


reattori veloci reattori veloci in in combustibile ad ossidi misti combustibile ad ossidi misti UU--PuPu (esprimenti condotti in tal senso fin (esprimenti condotti in tal senso fin dagli anni ’60dagli anni ’60--’70, es. reattore SEFOR)’70, es. reattore SEFOR)

�� Sembra molto promettente l’utilizzo del Pu nei Sembra molto promettente l’utilizzo del Pu nei reattori HTR (studi di neutronica reattori HTR (studi di neutronica ––esperimenti di irraggiamento con ottimi esperimenti di irraggiamento con ottimi risultati: risultati: 750 GWD/750 GWD/tHMtHM senza che il senza che il combustibile si combustibile si deteriorideteriori))

Conseguenze del riciclo del Conseguenze del riciclo del plutonioplutonio

�� Il Il ricicloriciclo integrale del plutonio consente di integrale del plutonio consente di ridurre il rischio di proliferazioneridurre il rischio di proliferazione (la quantità (la quantità totale diminuisce e la composizione isotopica totale diminuisce e la composizione isotopica diventa più povera in Pudiventa più povera in Pu239239 e più ricca in isotopi e più ricca in isotopi


diventa più povera in Pudiventa più povera in Pu239239 e più ricca in isotopi e più ricca in isotopi di alto numero di massa)di alto numero di massa)

�� Ne consegue unaNe consegue una riduzioneriduzione della tossicità a della tossicità a lungo termine delle scorie (PF+MA) di lungo termine delle scorie (PF+MA) di un ordine un ordine di grandezzadi grandezza

�� Viene prodotta Viene prodotta energiaenergia da “materiale di da “materiale di scartoscarto””

Ciclo simbiotico LWRCiclo simbiotico LWR--HTRHTR


Produzione degli attinidi minoriProduzione degli attinidi minori(Np, Am, Cm)(Np, Am, Cm)

�� Nell’attualeNell’attuale ciclociclo deidei reattorireattori adad acquaacqua ililNpNp237237 è,è, frafra gligli attinidiattinidi minori,minori, ilil piùpiùabbondanteabbondante


abbondanteabbondante�� L’allungamentoL’allungamento deldel burnupburnup comportacomporta lalaformazioneformazione didi americioamericio ee curiocurio

�� GliGli MAMA comportanocomportano unun LOMBT~LOMBT~1000010000 annianni

2020

La La chiusura chiusura del ciclo del del ciclo del combustibilecombustibile

�� La “chiusura” del ciclo del combustibile è La “chiusura” del ciclo del combustibile è lo scopo dei cicli di combustibile innovativi lo scopo dei cicli di combustibile innovativi (di cui si occupa anche la Generation IV (di cui si occupa anche la Generation IV


(di cui si occupa anche la Generation IV (di cui si occupa anche la Generation IV Initative) e comporta:Initative) e comporta:

�� Sfruttamento Sfruttamento integraleintegrale delle risorse di uraniodelle risorse di uranio�� Riduzione della radiotossicità delle scorie HLW da Riduzione della radiotossicità delle scorie HLW da stoccare definitivamente in quanto esse sono stoccare definitivamente in quanto esse sono ridotte ridotte ai soli prodotti di fissioneai soli prodotti di fissione

I “benefici” del bruciamento I “benefici” del bruciamento delle scorie “con le scorie”delle scorie “con le scorie”

Riduzione Riduzione progressiva dei progressiva dei metalli pesanti da metalli pesanti da stoccarestoccare


Allungamento della Allungamento della disponibilità delle risorse di disponibilità delle risorse di uraniouranio

2222

Risorse di Uranio [1/3]Risorse di Uranio [1/3]RisorseRisorse Produzione di uranioProduzione di uranio


Necessità annua: 67 320 t UProduzione 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)

Risorse di Uranio [2/3]Risorse di Uranio [2/3]


Risorse di U disponibili, per tipologia di reattore (attuali, GENRisorse di U disponibili, per tipologia di reattore (attuali, GEN--IV)IV)

Risorse di Uranio [3/3]Risorse di Uranio [3/3]


Classificazione per costo e categoriaClassificazione per costo e categoria

Effetti degli aumenti sul costo dell’elettricitàEffetti degli aumenti sul costo dell’elettricità


Esempi di cicli innovativiEsempi di cicli innovativi

�� Esistono vari concetti di ciclo innovativiEsistono vari concetti di ciclo innovativi�� Il punto in comune a tutti è la necessità di Il punto in comune a tutti è la necessità di passaggi multiplipassaggi multipli per bruciare per bruciare integralmente l’uranio ed i suoi figliintegralmente l’uranio ed i suoi figliAd ogni passaggio il trattamento del Ad ogni passaggio il trattamento del


�� Ad ogni passaggio il trattamento del Ad ogni passaggio il trattamento del combustibile esausto è combustibile esausto è solo chimico, senza solo chimico, senza impianti di separazione isotopicaimpianti di separazione isotopica

�� Il Il riciclo degli attinidi minoririciclo degli attinidi minori può essere può essere “omogeneo”“omogeneo” (MA in piccole percentuali (MA in piccole percentuali mescolati uniformemente a U e Pu) o mescolati uniformemente a U e Pu) o “eterogeneo”“eterogeneo” ((assembliesassemblies dedicati)dedicati)

2727

Cicli Cicli ““SimbioticiSimbiotici””


Il ciclo simbiotico LWRIl ciclo simbiotico LWR--HTRHTR--GCFRGCFR

�� In quest’ottica In quest’ottica il nostro Gruppo di Ricerca il nostro Gruppo di Ricerca ha ha pensato analizzare un ciclo in cascata pensato analizzare un ciclo in cascata che sfruttasse che sfruttasse materiale esistente in materiale esistente in


che sfruttasse che sfruttasse materiale esistente in materiale esistente in abbondanza (LWR SNF)abbondanza (LWR SNF) e lo e lo “riciclasse”“riciclasse” in in un reattore HTRun reattore HTR

�� Ciò che esce da detto HTR viene inviato Ciò che esce da detto HTR viene inviato al al GCFR insieme a uranio GCFR insieme a uranio depletodepleto (anch’esso (anch’esso materiale disponibile in grande quantità)materiale disponibile in grande quantità)

2929

Cicli Simbiotici LWRCicli Simbiotici LWR--HTRHTR--GCFRGCFR


Minimizzazione dei rifiuti radioattiviMinimizzazione dei rifiuti radioattivi

Plutonium recycling

Spent FuelDirect disposal

Pu +MA +FP

MA +FP


Direct disposal

Uranium Ore (mine)

Time (years)

P&T of MAFP

3131

Un esempio: i risultati del ciclo Un esempio: i risultati del ciclo LWRLWR--HTRHTR--GCFR (solo 1 passaggio in GCFR)GCFR (solo 1 passaggio in GCFR)


Considerazioni sul Considerazioni sul ciclocicloLWRLWR--HTRHTR--GCFRGCFR

�� Si produce l’equivalente di Si produce l’equivalente di diversi milioni diversi milioni di barili di petroliodi barili di petrolio con materiale che, in con materiale che, in un ciclo un ciclo once once throughthrough attuale, è attuale, è di scartodi scarto

�� Il Il ciclociclo è è concepitoconcepito fin fin dall’iniziodall’inizio per per essereessere


�� Il Il ciclociclo è è concepitoconcepito fin fin dall’iniziodall’inizio per per essereesserefortementefortemente resistenteresistente allaalla proliferazioneproliferazione

�� Con l’opportuno inserimento di elementi di Con l’opportuno inserimento di elementi di combustibile dedicati al bruciamento degli combustibile dedicati al bruciamento degli MA rimanenti è possibile ridurre il LOMBT MA rimanenti è possibile ridurre il LOMBT sotto i mille annisotto i mille anni

Considerazioni aggiuntive sul Considerazioni aggiuntive sul ciclo LWRciclo LWR--HTRHTR--GCFRGCFR


ConclusioniConclusioni�� Il problema della distruzione del Il problema della distruzione del wastewaste ad alta ad alta radiotossicitàradiotossicità, ,

ed in particolare del suo contenuto di attinidi, non è di ed in particolare del suo contenuto di attinidi, non è di semplice semplice soluzione ma non pone, soluzione ma non pone, a prioria priori, ostacoli , ostacoli scientificoscientifico--tecnologici insormontabilitecnologici insormontabili

�� Una possibile soluzione in Una possibile soluzione in prospettiva futura prospettiva futura potrebbe potrebbe essere l’adozione di cicli essere l’adozione di cicli innovativi e simbiotici, come innovativi e simbiotici, come

Lo scienziato non è l'uomo Lo scienziato non è l'uomo che fornisce le vere risposte:che fornisce le vere risposte:


essere l’adozione di cicli essere l’adozione di cicli innovativi e simbiotici, come innovativi e simbiotici, come quello mostrato (LWRquello mostrato (LWR--HTRHTR--GCFR)GCFR)

�� Sono in corso ricerche Sono in corso ricerche a livello internazionale (anche presso a livello internazionale (anche presso il nostro gruppo di ricerca) e il nostro gruppo di ricerca) e sono già stati presentati sono già stati presentati svariati articoli sull’argomento in contesti internazionalisvariati articoli sull’argomento in contesti internazionali

�� Per maggiori informazioni: Per maggiori informazioni: [email protected]@ing.unipi.it

che fornisce le vere risposte:che fornisce le vere risposte:è quello che pone le vere domandeè quello che pone le vere domande

(Claude Lévi Strauss)(Claude Lévi Strauss)

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