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L’energia nucleare
Alcune riflessioni sui pro e sui contro
N. Colonna
Istituto Nazionale Fisica NucleareSezione di Bari
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Il problema dell’energia
• Aumento della popolazione mondiale (10 miliardi nel 2050)
• Miglioramento generale degli standard di vita (soprattutto nei paesi emergenti)
Aumento costante del consumo di energia nel mondo (+ 40 % nel 2020):
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Consumo di energia nel mondo
Anno
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
La produzione di energia nel mondo
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Problemi associati allo sfruttamento dei combustibili fossili: • approviggionamento (picco di produzione entro 2020);
• ambientali (cambiamenti climatici in genere per CO2 + inquinamento atmosferico).
L’80 % dell’energia attualmente consumata nel mondo è prodotta da combustibili fossili
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
La produzione di CO2
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,
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), 2007www.ipcc-wg1.unibe.ch/publications/wg1-ar4/wg1-ar4.html
Necessario (e sempre più urgente) sviluppare fonti di energia pulita, sicura e a basso costo. La parola d’ordine e’ DIVERSIFICARE:• risparmio e maggiore efficienza energetica
(fondamentale nel breve termine, soprattutto nei paesi più sviluppati);
• fonti rinnovabili: solare, eolico, biomasse, etc… (sviluppo nel medio termine);
• Nucleare (soprattutto nei paesi emergenti, in particolare Cina, India, Brasile, etc…).
“Le Forze Nascoste”, Rotary International, Campobasso, 14 Marzo 2010
Lo sfruttamento dei combustibili fossili porta ad un aumento della CO2 nell’atmosfera, causa di “effetto serra” (aumento della temperatura terrestre).
I reattori nucleari nel mondo
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Anni
Num
ero
di re
attor
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Attualmente, sono operativi nel mondo 440 reattori nucleari, per una potenza installata complessiva di 356 GWe (in media 800 MWe per reattore).
Chernobyl
Three Mile Island
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
I reattori nucleari nel mondo
Un terzo dei reattori attualmente in funzione si trovano in Europa
6Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Stato Numero di reattori
Fabbisogno coperto (%)
In costruzione (programmati)
Belgio 7 54
Bulgaria 2 44 (2)
Rep. Ceca 6 31
Finlandia 4 28 1
Francia 59 78 1 + (1)
Germania 17 32
Ungheria 4 38
Lituania 1 69
Olanda 1 4
Romania 1 9 1
Russia 31 16 3 + (8)
Slovacchia 5 57 (2)
Slovenia 1 40
Spagna 8 20
Svezia 10 48
Svizzera 5 37
Ucraina 15 48 (2)
UK 19 18
Europa 196 35 6+(14)
In Europa il nucleare copre più di un quarto del fabbisogno di energia elettrica (più che negli Stati Uniti e in Giappone). Attualmente, è insieme al carbone la fonte principale di energia elettrica.
Produzione energia elettricaEuropa - 27
Olio combust.
Rinnovabili
Idroelettrico
Gas
Nucleare
Carbone
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%
I nuclei transuranici restano radioattivi per centinaia di migliaia di anni.
Rappresentano la parte più pericolosa delle scorie nucleari, da smaltire in “depositi geologici” (siti stabili per milioni di anni, tipo miniere di sale).
I reattori di IV Generazione utilizzeranno i transuranici come combustibile
I frammenti di fissione restano radioattivi per
qualche centinaio di anni.Possono essere stoccati in siti
costruiti dall’uomo.neutrone
Nucleo di uranio(235U)
Frammentidi fissione Energia (E=mc2)
neutroni
neutrone
Nucleo di uranio(238U)
Nuclei transuranici
131I (t1/2 = 8 giorni)137Cs (t1/2 = 30 anni)90Sr (t1/2 = 29 anni)
237Np (t1/2 = 2 milioni di anni)239Pu (t1/2 = 24110 anni)243Am (t1/2 = 7370 anni)
Come funziona un reattore
9Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
1. Le reazioni di fissione producono calore che trasforma l’acqua in vapore.
2. Il vapore fa muovere delle turbine che producono energia elettrica.
3. Il vapore viene poi raffreddato e si ritrasforma in acqua che viene pompata nuovamente nel reattore (e il ciclo ricomincia).
Il reattore è all’interno di una struttura di contenimento (acciao e cemento).
Da un kg di uranio naturale si ricavano 160 MWh (20 tonnellate di carbone).
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3
2
Come funzionano i reattori attuali (Generazione II e III):• L’uranio è estratto dalle miniere (Canada, Australia, Nigeria, Kazakistan, etc…), viene
“arricchito”, e preparato in barre di combustibile.• Le barre vengono inserite nel nocciolo del reattore, e producono energia per 12-18 mesi.• Le barre sono rimosse, ed il “combustibile spento” è inserito in fusti (sigillati) da stoccare
in opportuni siti (quelli temporanei sono spesso vicini al reattore).
I reattori attuali
I sistemi attuali sono “once through”: il combustibile passa una sola volta attraverso il nocciolo del reattore
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Miniere di uranioReattore nucleare
Deposito di scorie
Un reattore da 1 GWe produce in un anno circa 2 tonnellate di scorie ad alta radioattività (+ 20 ton. a bassa radioattività)
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Vantaggi del nucleare: i gas serra
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Il vantaggio principale è la bassa emissione di CO2 o di altri inquinanti (SO2, polveri sottili, …)
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Per soddisfare la domanda energetica mondiale (in particolare quella dei paesi emergenti), minimizzando le conseguenze sul clima, è necessario un mix di fonti che includa anche l’energia nucleare (Intergov. Panel on Climatic Change, IPCC-ONU, Valencia, 17 Nov. 2007).
Vantaggi del nucleare (2)
Altri aspetti positivi:• disponibilità del combustibile
le principali miniere di uranio si trovano in Canada e Australia indipendenza da aree soggette a turbolenze politiche (paesi arabi produttori di petrolio)
• bassa incidenza del combustibile sul costo del kWh il raddoppio del prezzo dell’uranio si traduce in un aumento del 10% sul kWh (mentre il
raddoppio del petrolio produce un 70% di aumento).
• in futuro potrebbe essere usato per produrre idrogeno, sostituendo il petrolio anche nei trasporti
l’idrogeno e’ un vettore (e non una fonte) di energia, e per produrlo (per esempio dalla dissociazione dell’acqua) occorre spendere energia.
12Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Limiti del nucleare attuale
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SicurezzaFatti grossi passi avanti:• sistemi passivi (non richiedono intervento umano)• sistemi attivi ridondanti• training continuo degli operatori (simulazioni)
I reattori in costruzione hanno un rischio di incidente al nocciolo inferiore a 10-7 per reattore per anno (dal 2001 si considera anche la possibilità di impatto di un aereo).
In caso di incidente, sistemi per mitigare (o limitare) gli effetti:• doppio contenitore del nocciolo• volume di espansione del combustibile fuso
Non esiste la sicurezza assoluta (come in nessun’altra attività umana). Incidenti possono verificarsi per eventi eccezionali imprevisti (Fukushima), per imperizia umana (Chernobyl, Goiania), o per malfunzionamento (Three Mile Island).
Il problema di un incidente nucleare è che può interessare vaste aree ed un gran numero di persone. Inoltre, i suoi effetti possono essere duraturi nel tempo.
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
I limiti del nucleare (2)
Produzione di scorie
Negli Stati Uniti hanno stimato che, continuando ad usare reattori tradizionali, sarebbe necessario individuare un deposito geologico (tipo Yucca Mountain, Nevada) ogni 20 anni.
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Scorie radioattiveProblema nell’individuare siti geologici per le scorie a lunga vita media.
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Altre limiti del nucleare attuale
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Nel breve periodo: problema della gestione e smaltimento delle scorieNel lungo periodo (> 50 anni): esaurimento delle risorse di Uranio
Bassa efficienza nell’uso dell’uranio• nei reattori attuali, solo il 3 % dell’uranio è utilizzato per produrre energia• le riserve di uranio potrebbero esaurirsi entro 50-100 anni (o anche meno ci dovesse
essere una forte crescita del nucleare nei prossimi anni)• se si utilizzasse il 100 % dell’uranio, ce ne sarebbe a sufficienza per 3000 anni !!
Tempi di costruzione lunghi e grosso investimento iniziale• ci vogliono dai 10 ai 15 anni per scelta sito, progetto, costruzione e collaudo• tipicamente un reattore costa dai 2 ai 4 miliardi di Eu (in parte per interessi)• Costi elevati (e non facilmente quantificabili) per lo smantellamento delle centrali a fine
ciclo e per lo stoccaggio delle scorie.
Proliferazione • possibilità di utilizzare le tecnologie e il materiale per il nucleare civile per scopi militari
(vedasi caso dell’Iran).
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Recycling
I reattori di IV Generazione
Principio fondamentale dei reattori di IV Generazione è il riutilizzo totale o parziale del combustibile spento (le attuali scorie nucleari). Reattori a ciclo chiuso.
Principali scopi dei reattori di IV Generazione:• minima produzione di scorie;• utilizzo ottimale delle risorse di uranio;• bassi investimenti iniziali e rapidità di costruzione;• massima sicurezza e non-proliferazione;• produzione di idrogeno (per uso nei trasporti)
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Scorie residue
Miniere di uranio
Riciclo
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Scelta dei siti
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Criteri generali indicati dalla IAEA (e recepiti dagli organismi nazionali):• Bassa sismicità e stabilità idrogeologica dell’area;• Resistenza ad altri rischi ambientali esterni (inondazioni,
tsunami, etc…);• Vicinanza a fonti di acqua per il raffreddamento del reattore
(anche acqua di mare);• Bassa intensità di attività umane nella regione.
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
L’insieme dei criteri sopra indicati rende di non facile soluzione l’individuazione di siti idonei in Italia. Inoltre, necessario ri-acquisire il know how (competenze) tecnologiche (preparazione di esperti, agenzie di supervisione e controllo, etc…).
Necessità ed urgenza della scelta nucleare in Italia tutta da dimostrare (non così in Cina o altri paesi emergenti)
Il nucleare da fusione
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L’energia è ottenuta dalla fusione di due nuclei leggeri (idrogeno), come avviene nel Sole. Non sono prodotte scorie !!
Per innescare la reazione di fusione, necessario raggiungere temperature altissime.Confinamento magnetico: progetto ITER.
Fusione inerziale con laser: progetto NIF.
2H 3HHe
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Sommario
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• Il nucleare (da fissione) contribuisce a soddisfare la richiesta di energia nel mondo e potrebbe aiutare a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili (in particolare nei paesi emergenti).
• In Europa, attualmente fornisce ~30 % dell’energia elettrica.• Il principale vantaggio rispetto ai combustibili fossili è la bassa
emissione di gas serra (CO2) e altri inquinanti, e la scarsa incidenza del costo del combustibile sul kWh.
• Resta irrisolto il problema delle scorie.• Richiede grossi investimenti iniziali (quasi sempre a garanzia
pubblica), tempi di costruzione lunghi (10 anni), e alti costi a fine ciclo.
• Rischio di incidenti gravi molto basso (e per lo più collegato ad eventi eccezionali), ma gli effetti possono essere disastrosi e duraturi nel tempo.
• In Italia, diversi motivi rendono la scelta più complicata che altrove.
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
Grazie per l’attenzione
20Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
La situazione italiana
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L’Italia non è l’unico paese europeo a non avere il nucleare (Austria, Danimarca, Grecia, Irlanda, Portogallo, Polonia, Turchia), ma è l’unico paese del G8 a non averlo.
Da considerare nella discussione:• fabbisogno energetico, costi, possibili alternative, etc…• numero e tipo di centrali (gradualità, Gen III+ o IV, grandi o piccole, etc…)• scelta sito (specificità del territorio e “consenso informato” delle
popolazioni).
Alcuni dati sui reattori proposti per l’Italia:• EPR (European Pressurized Reactor) 1.6 GWe• Contributo singolo reattore 3.3 % del fabb. energia
elettr.• Costo previsto 4.5 miliardi di Euro• Tempo necessario 10-15 anni (incluso scelta sito)• Competenze necessarie in parte da ricostruire
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
I dati si riferiscono al 2007
Fra i paesi più industrializzati, la Francia produce la minor quantità di CO2 per abitante, e per energia consumata
Le generazioni passate e … future
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Jacine KadiBreeding factors ?? (Aiche o altro)
Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN)
L’incidente di Fukushima
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