CdSINGEGNERIA NUCLEARE
Codice1086I
CFU6
PeriodoSecondo semestre
LinguaInglese
Lo studente che completerà con successo il corso avrà la capacità di identificare e selezionare i materiali da utilizzare per applicazioni nei reattori nucleari, valutandone le proprietà dal punto di vista meccanico, chimico e nucleare.
The student who successfully completes the course will have the ability to identify and select materials to be used for nuclear reactor applications, evaluating their properties from the mechanical, chemical and nulear point of view.
Lo studente sarà valutato in base alla capacità dimostrata di discutere i principali contenuti del corso utilizzando la terminologia appropriata.
Durante l'esame lo studente deve essere in grado di dimostrare la propria conoscenza del materiale del corso ed essere in grado di discutere l'argomento in modo ponderato e con proprietà di espressione.
Verrà valutata la capacità dello studente di esporre correttamente alla lavagna i principali argomenti presentati durante il corso.
The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the main course contents using the appropriate terminology.
During the exam the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss the reading matter thoughtfully and with propriety of expression.
The student's ability to explain correctly the main topics presented during the course at the board will be assessed.
Il corso fornisce le seguenti competenze principali:
- capacità di identificare diverse tipologie di strutture metalliche;
- capacità di prevedere quantitativamente alcuni fenomeni fondamentali, come le proprietà meccaniche elementari;
- comprensione dei principali meccanismi di danno da irraggiamento negli acciai e nelle leghe Zr;
- capacità di progettare i materiali metallici adeguati per i reattori nucleari e per il contenimento del combustibile;
The following main skills are provided by the course:
- capability to identify different types of metal structures;
- capability to guess quantitatively some basic phenomena, as elementar mechanical properties;
- understanding of the main irradiation damage mechanisms in steel and Zr alloy;
- capability to design the right metallic materials for nuclear reactor and fuel clading;
Esame orale, con assegnazione di problemi tipici.
Oral examination, with assignment of typical problems.
Il corso è essenzialmente un corso per "cambiare idea". Dal materiale presentato si suppone che gli studenti acquisiscano quegli atteggiamenti tipici della "cultura nucleare", cioè responsabilità, atteggiamento aperto e comunicativo, trasparenza, atteggiamento interrogativo.
The course is definitely a "changing mind" one. From the presented material the students are supposed to achieve those attitudes typical of "nuclear culture", i.e., accountability, open and communicating attitude, transparency, questioning attitudes.
Conoscenze di base sugli impianti nucleari, scienza dei materiali, prove meccaniche.
Basic knowledge about nuclear plants, material science, mechanical test
Chimica di base
Fisica dei reattori nucleari
Impianti nucleari
Basic chemistry
Nuclear reactor physics
Nuclear plants
Svolgimento: in presenza
Frequenza: consigliata
Attività didattiche:
frequenza delle lezioni
partecipazione a seminari
Metodi di insegnamento:
Lezioni
Seminari
Delivery: face to face
Attendance: Advised
Learning activities:
- attending lectures
- participation in seminar
Teaching methods:
- Lectures
- Seminar
Prima sezione: Ciclo del combustibile e criteri di scelta dei materiali
Fondamenti dei sistemi di reattori nucleari. Tipi di reattori: classificazione in termini di energia neutronica, scopo del reattore, tipo di refrigerante.
Un semplice design del reattore. Principali caratteristiche dei reattori di Gen I, Gen II, Gen III e Gen IV.
Il ciclo del combustibile nucleare. Ricerca ed estrazione dell'uranio: miniere di uranio e minerali di uranio (specie ridotte e specie ossidate). Concetti di base della chimica sullo stato di ossidazione degli elementi nei composti.
Lisciviazione acida e lisciviazione basica. Lisciviazione in situ. Trattamento di soluzioni di uranio; la "yellow cake". Raffinazione dell'uranio; estrazione liquido-liquido mediante TBP.
Concetti di base relativi ad un generale processo di arricchimento isotopico: abbondanza isotopica relativa, fattore di separazione, guadagno di separazione, fattore di arricchimento. Arricchimento di UF6 per diffusione. Schema tipico del diffusore. Caratteristiche della membrana di diffusione. Pro e contro di un impianto di diffusione. Esempio numerico per una cascata di separazione per diffusione ideale senza code; calcolo del numero minimo di stadi di separazione in una cascata di diffusione ideale.
Principi base della separazione in un campo di forze. Separazione in un campo gravitazionale. Arricchimento di UF6 mediante centrifugazione. La centrifuga Zippe. Pro e contro di un impianto di centrifugazione. Esempio numerico per una cascata di separazione centrifugazione ideale senza code; calcolo del numero minimo di stadi di separazione in una cascata di centrifugazione ideale.
Tecniche di separazione isotopica laser. Separazione isotopica basata sulla struttura iperfine. Separazione atomica: la tecnica AVLSI. Separazione molecolare: la tecnica MLIS. La separazione aerodinamica: la tecnica degli ugelli a getto. Confronto tra diverse tecniche di separazione.
Fabbricazione di elementi combustibili: produzione di UO2 mediante percorso umido o secco.
Le operazioni di back-end nel ciclo del combustibile: ritrattamento e riciclaggio. Il processo PUREX: decladding del combustibile, taglio, dissoluzione, separazione di U e Pu, separazione di Pu da U, conversione del prodotto finale.
Criteri generali per la scelta dei materiali. Requisiti e materiali per rivestimento del combustibile, moderatore e riflettori, refrigeranti, materiali di controllo, materiali di schermatura. Esempio: materiali di rivestimento del combustibile per reattori leggeri; proprietà di Be, Mg, Al, Zr; Leghe a base Zr – Zircaloy-2 e Zircaloy-4.
Estrazione di Zr dal minerale; il processo Kroll modificato. Processi di separazione Zr-Hf: principi e caratteristiche dei processi MIBK e TBP.
Seconda sezione: danni da radiazioni dei materiali
Struttura e proprietà dei materiali metallici. Celle elementari, notazione di Miller e Bravais.
Difetti puntuali. Difetti lineari. Dislocazioni. Classificazione dei cristalli e dipendenza tra proprietà meccaniche e struttura cristallina dei materiali.
Il ruolo delle imperfezioni, dello stato di sforzo, della temperatura e della velocità di deformazione nelle proprietà meccaniche.
Interazione dei neutroni con la materia: cattura e diffusione. Sezioni d'urto, flusso di neutroni e cammino libero medio. Danni da radiazioni: danni diretti, trasmutazione, formazione di bolle, rigonfiamento.
Teoria delle collisioni: soglia di spostamento, energia di cut-off. Geometria del danno: picco di spostamento, picco termico.
Effetti della radiazione sulle proprietà fisiche e meccaniche. Accentuazione della diffusività, del creep, della stabilità di fase, dell'indurimento da radiazione, dell'infragilimento e della corrosione.
"Radiation growth" nell'uranio e nella grafite, " thermal ratcheting" del combustibile del reattore. Processi di ricottura. Rilascio di energia di Wigner nella grafite.
Acciai da costruzione resistenti alle radiazioni Panoramica dei problemi di integrità strutturale. Meccanica della frattura e prove non distruttive. Cracking da tensocorrosione
Metallurgia nucleare Strutture e proprietà dei materiali con particolare rilevanza per la produzione di energia nucleare: zirconio e leghe ZR
"Pressure vessel" e rivestimento. Acciaio inossidabile per applicazioni nucleari.
Esempio di danno da radiazioni in una centrale nucleare. Cracking da corrosion stress e infragilimento da idrogeno.
First section: Fuel cycle and materials selection criteria
Fundamentals of nuclear reactor systems. Types of reactors: classification in term of neutron energy, reactor purpose, type of coolant.
A simple reactor design. Main characteristics of reactors of Gen I, Gen II, Gen III, and Gen IV reactors.
The nuclear fuel cycle. Finding and mining Uranium: Uranium ores and uranium minerals (reduced species and oxidized species). Basic chemistry concepts on oxidation state of the elements into compounds.
Acid leaching and basic leaching. In-situ leaching. Treatment of uranium solutions; the yellow cake. Refining uranium; liquid-liquid extraction using TBP.
Basic concepts related to a general isotope enrichment process: relative isotopic abundance, separation factor, separation gain, enrichment factor. Enrichment of UF6 by diffusion. Typical diffuser scheme. Diffusion membrane characteristics. Pros and cons of a diffusion plant. Numerical example for an ideal diffusion separation cascade with no-tails; calculation of the minimum number of separation stages in an ideal diffusion cascade.
Basic principles of separation in a force field. Separation in a gravity field. Enrichment of UF6 by centrifugation. The Zippe centrifuge. Pros and cons of a centrifugation plant. Numerical example for an ideal centrifugation separation cascade with no tails; calculation of the minimum number of separation stages in an ideal centrifugation cascade.
Laser isotope separation techniques. Isotope separation based on hyperfine structure. Atomic separation: the AVLSI technique. Molecular separation: the MLIS technique. The aerodynamic separation: the jet nozzle technique. Comparison between different separation techniques.
Fabrication of fuel elements: production of UO2 by humid or dry path.
The back-end operation in the fuel cycle: reprocessing and recycling. The PUREX process: fuel decladding, shearing, dissolution, separation of U and Pu from waste, separation of Pu from U, final product conversion.
General criteria for material selection. Requirements and materials for fuel cladding, moderator and reflectors, coolants, control materials, shielding materials. Example: fuel cladding materials for LWRs; properties of Be, Mg, Al, Zr; Zr based alloys – Zircaloy-2 and Zircaloy-4.
Extraction of Zr from ore; the modified Kroll process. Zr-Hf separation processes: principles and characteristics of the MIBK and TBP processes.
Second section: materials radiation damage
Structure and properties of metallic materials. Elementary cells, Miller and Bravais notation.
Point defects. Linear defects. Dislocations. Classification of crystals and dependence between mechanical properties and crystal structure of materials.
The role of imperfections, state of stress, temperature and strain rate in mechanical properties.
Interaction of neutrons with matter: capture and scattering. Collision cross-sections, neutron flux and mean free path. Radiation damage: knock-on damage, transmutation, bubble formation, swelling.
Collision theory: displacement threshold, cut-off energy. Damage geometry: displacement spike, thermal spike.
Effects of radiation on physical and mechanical properties Enhanced diffusivity, creep, phase stability, radiation hardening, embrittlement and corrosion.
Radiation growth in uranium and graphite, thermal ratcheting of reactor fuel assemblies. Annealing processes. Wigner energy release in graphite.
Radiation-resistant construction steels Overview of structural-integrity issues. Fracture mechanics and non-destructive testing. Stress-corrosion cracking
Nuclear metallurgy Structures and properties of materials with special relevance for nuclear power generation: zirconium and zr-alloys
Pressure vessel and cladding. stainless steel for nuclear applications.
Example of radiation damage in nuclear plant. Stress corrosion cracking and hydrogen embrittlement.
Benjamin M. Ma - Nuclear Reactor Materials and Applications
Gary S. Was - Fundamentals of Radiation Materials Science
W. Hoffelner - Materials for Nuclear Plants
Materiale fornito dal docente.
Benjamin M. Ma - Nuclear Reactor Materials and Applications
Gary S. Was - Fundamentals of Radiation Materials Science
W. Hoffelner - Materials for Nuclear Plants
Material supplied by the teacher.
Il materiale didattico, aggiornato di anno in anno dal docente, è disponibile su supporto usb.
Il docente è disponibile con continuità a ricevere gli studenti per la soluzione dei loro problemi di apprendimento.
The teaching material, updated year by year by the teacher, is available on a usb support.
The teacher is available with continuity to receive students for solving their learning problems.
L'esame è una prova orale e consiste in un colloquio tra il candidato ed i docenti. Durante la prova verrà valutata anche la capacità del candidato di esprimersi in modo chiaro utilizzando la terminologia corretta.
The exam is an oral test.
It consists of an interview between the candidate and the lecturers. During the test the ability of the candidate to express him/herself in a clear manner using the correct terminology will be also assessed.
Per gli esami contattare luigi.lazzeri1@unipi.it oppure salvatore.cancemi@phd.unipi.it per fissare appuntamento.
For exams, contact luigi.lazzeri1@unipi.it or salvatore.cancemi@phd.unipi.it to take engagements.