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Dipartimento di fisica Dipartimento di fisica –– Luciano Cinotti Luciano Cinotti Milano 8 OttobreMilano 8 Ottobre, 2006, 2006 Del Del Fungo Fungo GieraGiera EnergiaEnergia
““LL’’EnergiaEnergia, per , per ilil futurofuturo: : nuclearenucleare e e fontifontirinnovabilirinnovabili””
Reattori di nuova generazione per il nucleare del futuroReattori di nuova generazione per il nucleare del futuro
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’Uranio e la fissione nucleare
n + Uranio235
~ 2,5 neutroni
Energia (~ 200 MeV)
Due frammenti di fissione
L’evoluzione dei reattori nucleari
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L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
La maggior parte degli attuali reattori è del tipo Pressurized Water Reactor (PWR)
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
IRIS adotta sistemi passivi ed una soluzione integrata per maggior sicurezza, compattezza e semplicità.
XX
XX
XXXX
XXXX
XXXX
XX
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IRIS: un reattore Generation III+ raffreddato ad acqua in pressione
SECUREABB 1985-1986
ISISANSALDO 1988-1997
NILUSPOLITECNICO di Milano
1996-1999
IRISConsorzio IRIS dal
1999
ABB-ANSALDO 1987-1992
IRIS riprende molte soluzioni di origine italiana
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Pebble Bed Modular Reactor: un reattore Generation III+ raffreddato ad elio
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I limiti degli attuali reattori
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
La maggior parte degliattuali reattori usauranio arricchito al~ 3,5- 4% in U235
~ 24 tU/anno di uranio arricchito per un reattore da 1000 MWe
U235
U238
L’uranio naturale è un miscuglio di due isotopi: U235 0,7%, U238 99,3%~ 170 tU/anno per un reattore da 1000 MWe
Uranio impoveritodi scarso valorecommerciale
Mancato utilizzo dirisorse energetiche.
L’arricchimento
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Rischio di proliferazionese il processoviene spinto verso alti arricchimenti
~ 23 t/anno di uranio.~ 0,9 t/anno di prodotti
di fissione.~ 0,2 t/anno di plutonio~ 0,04 t/anno di attinidi
minori
Rischio di proliferazione
NelReattore
Energia elettrica
~ 24 t/annodi uranio arricchito U235
U238
PuAttinidiminori
Il combustibile esaurito
Diretta
menteal d
eposito
Volume delle scorienon ottimizzato
Scorie a vita lunga
Prodotti di fissione
+ +
Riprocessam
ento
Scorie a vita lunga
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Le nuove iniziative per lo sviluppo del nucleare futuro
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
�L’iniziativa Generation IV
�The Global Nuclear Energy Partnership
Generation IV International Forum (GIF) è stato costituito per lo sviluppo della prossima generazione di reattori nucleari. È stato sottoscritto da Argentina, Brasile, Canada, Francia, Giappone, Corea del Sud, Sud Africa, Svizzera, Regno Unito, USA, ed anche da Euratom.
Mappa dei Paesi aderenti a Generation IV
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’iniziativa Generation IV
Nel 2001 sono stati valutati circa 100 sistemi. L’esame ha messo in evidenza grandi potenzialità dell’energia nucleare e la necessità di lanciare tempestivamente i programmi di R&D.I sistemi più promettenti dal punto di vista tecnico sono stati suddivisi in due gruppi:
- International Near-Term Deployment;
- Reattori Generation IV, destinati asostituire i reattori attuali.
Nel dicembre 2002 viene pubblicata la Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems che:
- identifica sei sistemi;
- ne delinea il programma di R&D.
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’iniziativa Generation IV
GIF ha operato la selezione basandosi su:
- 4 Goals area,
- 8 Goals,
- 15 Criteria
- 24 Metrics
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Molten Salt Reactor System
Supercritical-Water-Cooled Reactor System
Very-High-Temperature Reactor System
Tre sistemi scelti per GEN IV sono a flusso neutronio termico
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Sodium-Cooled Fast Reactor System
Lead-Cooled Fast Reactor System
Gas-Cooled Fast Reactor System
Tre sistemi scelti per GEN IV sono a flusso neutronio veloce
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Charles Forsberg
Claude Renault
R. Konings,MiloslavHron
MSR
Mike Modro
Yoon-Yeung Bae
Katsumi Yamada
Yoshiaki Oka
Marc Delpech
Thomas Schulenberg
HussaKhartabi
SCWR
Craig F. Smith
Kune Y. Suh
Mamoru Konomura
Luciano CinottiLFR
Bob HillTim Abram, Tom Lennox
Dohee Hahn
Masakazu Ichimiya
Shoji Kotake
Gian-Luigi Fiorini
J.-F. BabelotSFR
Kevan Weaver
Denis Every
Paul Coddington
Johan Slabber
Jonghwa Chang
Tomoyasu
MizunoJean-LouisCarbonnier
Didier HaasGFR
Finis Southworth
Tim Abram
Wolfgang Hoffelner
Dieter Matzner
Jonghwa Chang
Tetsuaki Takeda
Frank Carre
Werner Von Lensa
RomneyDuffey
VHTR
Rosso significa co-chair
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Prismatic Block Modular Reactor
ANTARESIndirect Cycle
GT-MHR, GT-HTR300CDirect cycle
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Produzione di Idrogeno col Nucleare
Ciclo Iodio / Zolfo Elettrolisi ad alta temperatura
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Uso completo del combustibile
Bruciamento dei prodottiradioattivi a lunga vita
Promozione di tecnologienon proliferanti
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The Global Nuclear Energy Partnership
The Global Nuclear Energy Partnerhip (GNEP) prevede:
- un riprocessamento che separi solo i prodotti di fissione.
U235
U238
PuAttinidiminori
Prodotti di fissione
+
- un reattore nucleare che possa esserealimentato in U238, Pu ed attinidi minori.
- l’inutilità degli impianti di arricchimento.
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti – Del Fungo Giera Energia
La maggior parte degliattuali reattori usauranio arricchito al~ 3,5- 4% in U235
~ 24 tU/anno di uranio arricchito per un reattore da 1000 MWe
U235
U238
L’uranio naturale è un miscuglio di due isotopi: U235 0,7%, U238 99,3%~ 170 tU/anno per un reattore da 1000 MWe
Uranio impoveritodi scarso valorecommerciale
Mancato utilizzo dirisorse energetiche.
L’uranio impoverito è una risorsa per i FR
Utilizzo nei FR
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Sustainability
Utilizzo delle risorse dicombustibile
Bruciamento delle scorie a vita lunga
675041
192
0
50
100
150
200
250
300
Coal Gas Oil Uranium U in FastReactors
Cur
rent
Res
erve
s /
Cur
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Con
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)
2500
Source: BP and IAEA data for 2003
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Charles Forsberg
Claude Renault
R. Konings,MiloslavHron
MSR
Mike Modro
Yoon-Yeung Bae
Katsumi Yamada
Yoshiaki Oka
Marc Delpech
Thomas Schulenberg
HussaKhartabi
SCWR
Craig F. Smith
Kune Y. Suh
Mamoru Konomura
Luciano CinottiLFR
Bob HillTim Abram, Tom Lennox
Dohee Hahn
Masakazu Ichimiya
Shoji Kotake
Gian-Luigi Fiorini
J.-F. BabelotSFR
Kevan Weaver
Denis Every
Paul Coddington
Johan Slabber
Jonghwa Chang
Tomoyasu
MizunoJean-LouisCarbonnier
Didier HaasGFR
Finis Southworth
Tim Abram
Wolfgang Hoffelner
Dieter Matzner
Jonghwa Chang
Tetsuaki Takeda
Frank Carre
Werner Von Lensa
RomneyDuffey
VHTR
Red signifies co-chair
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
�� LL’’ItaliaItalia ha ha esperienzaesperienza di di progettazioneprogettazione di di reattorireattorisottocriticisottocritici raffreddartiraffreddarti a a piombopiombo..
�� NelNel centrocentro ENEA ENEA deldel BrasimoneBrasimone sono in sono in funzionefunzione due due circuiticircuiti sperimentalisperimentali in LBE in LBE eded unouno in in piombopiombo..
�� LL’’ItaliaItalia ha ha esperienzaesperienza didi progettazioneprogettazione e e realizzazionerealizzazionedidi reattorireattori velociveloci: PEC ed SPX1: PEC ed SPX1
Il ruolo dell’Italia nello sviluppo dei reattori raffreddati a piombo liquido
26
1
2
3
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A
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0.00
23 ROTATING PLUG DRIVE
32 PURIFICATION UNIT (#2 units)
R.V.A.C.S. INLET/OUTLET DUCTS
TARGET UNIT: INNER SUPPORT
TARGET UNIT: OUTER SUPPORT
REACTOR CAVITY
PROTON BEAM PIPE
THERMAL SHIELDING
RADIAL PENETRATION FOR I.S.I.
R.V.A.C.S. HEAT EXCHANGER
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ROTOR LIFT MACHINE
GAS INJECTION PIPES
ANNULAR STRUCTURE
FAILED FUEL DETECTION UNIT (#2 units)
GAS INJECTION PIPES COLLECTOR
ABOVE CORE STRUCTURE DRIVE
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19
20
18
17
REACTOR CORE (#294 assemblies)
FUEL ZONE (#120 fuel assemblies)
REACTOR VESSEL SUPPORT
CYLINDRICAL INNER VESSEL
TRANSFER MACHINE GRIPPER
TARGET UNIT-WINDOWLESS OPTION
REACTOR VESSEL (Dex.=6000 mm; th.=40mm)
SAFETY VESSEL (Dex.=6780 mm; th.=40 mm)
INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER (#4 units)
ABOVE CORE STRUCTURE (ACS): upper part
ABOVE CORE STRUCTURE (ACS): lower part
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13
TRANSFER MACHINE
8
12
11
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9
6
7
5
4
REACTOR ROOF
ROTATING PLUG
RISER CHANNEL (# 24)
3
2
1
DIAGRID
80 MW LBE80 MW LBE--cooled XADS del FP5cooled XADS del FP5
LL’’ItaliaItalia ha ha esperienzaesperienza di di progettazioneprogettazione di di reattorireattorisottocriticisottocritici raffreddartiraffreddarti a a piombopiombo
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
80 MW LBE80 MW LBE--cooled XADScooled XADS
Core
Elemento di combustibile
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beamscanning
LBE f low
8 cm scan
12cm duct width
Proton Beam Scanning
Target del 80 MW LBETarget del 80 MW LBE--cooled XADS del FP5cooled XADS del FP5
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Nel FP5, in Europasono stati realizzativari circuiti a Pb o LBE(tre sono in Italia)
STELLA LoopCEA
CIRCE LoopENEA
TALL LoopKTH
CIRCO LoopCIEMAT
CorrWett LoopPSI
VICE LoopSCK-CEN
LECOR LoopENEA
LBE Test FacilitiesLBE Test Facilities
CHEOPE LoopENEA
LeadLead Test Test FacilitiesFacilities
+ Two Test Facilities
proposed in
+ one proposed in
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’Italia ha esperienza di progettazione e realizzazionedi reattori veloci: PEC ed SPX1SPX1
SistemaSistema primarioprimarioSPX1SPX1
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Le parti in verde del sistema primario di SUPERPHENIX sono state fornite da aziende italiane.
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
Le parti in verde dei circuiti secondari di SUPERPHENIX sono state fornite da aziende italiane.
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European LeadEuropean Lead--cooled System (ELSY)cooled System (ELSY)((ProgettoProgetto EuratomEuratom promossopromosso e e coordinatocoordinato dada aziendeaziende italianeitaliane) )
USAMITMassachusetts Institute of Technology
ITALIADELDel Fungo Giera Energia S.p.A.
COREASNUSeoul National University, Nuclear Engineering Department, Nuclear Transmutation Energy Research Centre of Korea
COREAKESRIKorea Electric Engineering and Science Research Institute
BELGIOSCK•CENStudiecentrum voor Kernenergie
SVIZZERAPSIPaul Scherrer Institut
REPUBBLICA CECA
UJVUstav jaderneho vyzkumu Rez, a.s. (NRI Rez, plc.)
OLANDANRGNuclear Research and Consultancy Group
SVEZIAKTHRoyal Institute of Technology-Stockholm
EUROPAJRCEuropean Commission, Joint Research Centre
ROMANIAINRInstitute for Nuclear Research
GERMANIAFZKForschungszentrum Karlsruhe GmbH
ITALIAENEAEnte per le Nuove Tecnologie, l‘Energia e l‘Ambiente
FRANCIAEDFElectricité de France
SPAGNAEAEmpresarios Agrupados Internacional S.A.
FRANCIACNRSCentre National de la Recherche Scientifique
ITALIACIRTENInter Universities Consortium for Nuclear Technological Research
ITALIACESICentro Elettrotecnico Sperimentale Italiano
POLONIAAGHAGH, Akademia Górniczo-Hutnicza
ITALIAANSALDOAnsaldo Nucleare S.p.A,
CountryParticipant List
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Engineering Inherent features
Potential of removable in-vessel components
Simplicity
Transmutation of MAhomogeneously diluted in the fuel.
Breeding ratio close to 1
Risk to capital (Investment protection)
• Lead does not react with air or water;• lead has a very low vapour
pressure.
Life cycle cost
Economics
• Fast-neutron spectrum for operation as a burner.
Waste minimization and
management
• Lead is a low-moderating medium of low-absorption
cross section.Resource utilization
Sustainability
Goals achievable via
GoalsGoal Areas
ELSY Compliance with the Generation IV Goals
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• Independent, redundant and diversified DHR loops
• Lead compatible with air and water.
Increased phys. protection against acts of terrorism
•Use of fuel containing MA•neutronics enables long-life
core.
Unattractive route for diversion of weapon-usable plutonium
Proliferation Resistance andPhysical Protection
• Lead density close to that of fuel (considerably reduced risk of re-criticality in case of core melt);• lead retains fission products.
No need of off-site emergency response
• Large fuel pin pitch;• decay heat removal by natural circulation;• primary pumps in the hot collector.
Lead has:• high heat transfer, specific heat and thermal expansion coefficients;• core with inherently negative reactivity feedback
Low likelihood and degree of core damage
Primary system:. at atmospheric pressure;• at low temperature
Lead has:• very high boiling point;• low vapour pressure;• high shielding capability.
Operation will excel in safety and reliability
Safety and Reliability
ELSY Compliance with the Generation IV Goals
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ELSY - List of partners and persons for Work Package Co-ordination.
ENEAG. BenamatiWP6. LEAD TECHNOLOGY.
FZKD. StruweWP5. SAFETY AND TRANSIENT ANALYSIS.
DELL. CinottiWP4. SYSTEM INTEGRATION.
EAA. OrdenWP3. MAIN COMPONENTS AND SYSTEMS.
SCK•CENH. AïtAbderrahim
WP2. CORE DESIGN & PERFORMANCE ASSESSMENT.
JRC/IEH. WiderWP1. DESIGN OBJECTIVES, COST ESTIMATES, FUTURE R&D NEEDS AND COMPLIANCE WITHTHE WASTE TRANSMUTATION IN A CRITICALREACTOR AND WITH THE MORE GENERAL GOALS OF GEN IV.
PartnerLeaderWork Package
General coordination of ELSY: Ansaldo
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
L’Energia, per il futuro - Dipartimento di fisica – Milano 8 Ottobre, 2006 - L. Cinotti –Del Fungo Giera Energia
ELSYELSYPropostaProposta italianaitaliana didi reattorereattore
raffreddatoraffreddato a a piombopiombo+ + economicoeconomico
+ + sicurosicuro
ELSY economics based onsimple and compact primary system
ELSY feasibility based on low-temperature thermal cycle
Temperature°C
327350
450
400
550
600
650
500
O2 control +alluminization
Vessel Internals Cladding400
480
~550
TechnologicalLimits
O2 control
Low O2
activity
outlet Core inlet
400 400Material embrittlement
Lead Freezing
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