Il corso si propone di far acquisire all’allievo una conoscenza dei principali concetti di base e dei problemi legati all’utilizzo dell’energia nucleare da fissione, tali da portare alla chiara comprensione del funzionamento delle centrali elettro-nucleari ad acqua leggera attualmente operanti nello scenario energetico internazionale e delle loro interazioni, anche sociali ed economiche, con l’ambiente.
Students are expected to acquire an initial knowledge of the basic nuclear concepts and of the major problems related to the utilization of the fission nuclear energy. In this way, the student who successfully completes the course will be able to understand the principles of operation of the actual light water nuclear power plants and of the nuclear fuel cycle, including the safety aspects. Special professional skills will be got with elementary lab activities about radiation effects.
During the oral exam, the student must be able to demonstrate his/her knowledge of the course material and be able to discuss the principles of the nuclear fuel cycle and of the operation of actual light water nuclear plants thoughtfully and with a propriety of expression
Methods:
Il corso di “Fondamenti di Impianti Nucleari” fornisce agli allievi del curriculum Nucleare della laurea in Ingegneria Meccanica una preparazione introduttiva all’ingegneria nucleare, affrontando sia argomenti propedeutici di base (come i richiami di fisica nucleare o di fisica del reattore) sia specifici delle diverse tipologie di filiere nucleari; esso è il punto di partenza per la nascita di un bagaglio culturale adatto ad una figura professionale in grado di affrontare i molteplici aspetti tecnici, di sicurezza ed economici che caratterizzano l’impiego dell’energia nucleare.
Per raggiungere la sufficienza, l’allievo deve dimostrare le seguenti competenze:
Dai corsi di Matematica:
Derivate totali e parziali, semplici equazioni differenziali.
Dai corsi di Fisica
Fisica I: Concetti di forza, lavoro e potenza, conservazione dell’energia meccanica; fondamenti di idrostatica.
Fisica Tecnica: cicli termici e concetti di energia ed entalpia. Moto di un fluido monofase in un condotto. Principi di conduzione del calore e di scambio termico. Caratteristiche degli scambiatori di calore.
Il corso ha una impostazione di tipo prevalentemente propedeutica ai successivi studi in ingegneria nucleare; le relative esercitazioni, sia pure sotto forma di brevi richiami, sono strettamente integrate nella teoria in modo che gli argomenti trovino immediata applicazione.
Per quanto materialmente possibile, si cercherà di integrare l’attività in aula con lezioni fuori sede, visite a centrali nucleari (in collaborazione con altri corsi di studio) e seminari di esperti esterni.
Delivery: face to face
Learning activities:
Attendance: Not mandatory
Teaching methods:
RICHIAMI DI FISICA NUCLEARE
Introduzione al corso. Richiami sulle reazioni nucleari: energia di reazione, tipi di particelle emesse, difetto di massa. Reazioni nucleari coinvolgenti neutroni: cattura (n, γ), fissione, scattering elastico e anelastico. Distribuzione dell’energia cinetica dei neutroni di fissione e termici. Fenomenologia dello scattering neutronico. Definizione di sezione di urto nucleari e loro dipendenza dall’energia del neutrone incidente. Cattura di risonanza ed effetto Doppler. Principi di scelta di un materiale da utilizzarsi come moderatore. (L: 8, E: 2)
ELEMENTI DI NEUTRONICA DEL NOCCIOLO DI UN REATTORE NUCLEARE
Introduzione ai principali aspetti di funzionamento e realizzativi di un impianto nucleare. Classificazione delle diverse tipologie di filiera nucleare.
Distribuzione del flusso neutronico all’interno del nocciolo, cenni alla teoria della diffusione, formula dei quattro fattori, risoluzione dell’equazione della diffusione dei neutroni per particolare geometrie semplici del sistema. Concetti di buckling geometrico e materiale.
Cinetica del un reattore, effetto dei neutroni ritardati sulla stabilità del reattore, modello ad un gruppo di ritardati.
Coefficienti di reattività (pressione, vuoto, temperatura combustibile e moderatore) e loro influenza sulla sicurezza e sull’esercizio dell’impianto. Andamento della reattività a breve e lungo termine, effetto dei veleni saturabili.
Cenni al ciclo del combustibile nucleare nel nocciolo (L: 12, E: 3).
ELEMENTI DI TERMOFLUIDODINAMICA DI UN REATTORE NUCLEARE
Introduzione descrittiva di una centrale nucleare di potenza, suoi componenti principali e loro funzioni. Cenni alle principali caratteristiche delle pompe centrifughe e delle turbine a vapore di uso nucleare.
Refrigeranti utilizzati nei reattori nucleari, relative fenomenologie e coefficienti di scambio termico.
Barretta di combustibile: potenza volumetrica, andamento di temperatura nel combustibile, camicia e refrigerante. (L: 10, E: 2)
DESCRIZIONE IMPIANTISTICA DETTAGLIATA DELLE MAGGIORI FILIERE
Reattori ad acqua leggera (PWR e BWR), reattori ad acqua pesante (CANDU), cenni ai reattori a gas (Magnox, AGR e HTGR), ai reattori veloci (FBR) ed ai reattori ad acqua leggera dell’ultima generazione. Approccio alla sicurezza nucleare, il concetto di difesa in profondità. Classificazione degli incidenti nucleari, la scala INES. Criteri di progetto dei sistemi di sicurezza, cenni alla legislazione USA.
(L: 18, E: 2)
COSTO DI PRODUZIONE DELL’ENERGIA IN UNA CENTRALE NUCLEARE
Introduzione alla problematica della determinazione del costo del kWh prodotto da una centrale di tipo elettro - nucleare. Costi di impianto, costo del ciclo del combustibile, costi di esercizio e manutenzione, costi di smantellamento e recupero del sito; contributo delle singole voci al costo totale dell’energia elettrica prodotta (L:2, E: 1).
Basic concepts about nuclear fission. Reactor generations. Actual light water nuclear power plants: description of major designs and principles for their operation. Principles of the nuclear fuel cycle. Major safety problems related to the utilization of fission nuclear energy.
PACI S (2007). Introduzione ai sistemi nucleari. Pisa:PLUS, ISBN: 88-8492-034-5
Guerrini B., Paci S (2011). Appunti di Impianti Nucleari - Parte I: Aspetti Generali. Pisa:Dedizioni, ISBN: 9788895613109
Guerrini B., Paci S (2011). Appunti di Impianti Nucleari - Parte II: Filiere. PISA:Dedizioni, ISBN: 9788895613116
Further bibliography will be indicated during the course.
L’esame consiste in un colloquio. Durante la prova l’allievo è invitato a discutere uno o più temi che ha autonomamente sviluppato come approfondimento degli argomenti svolti durante il corso.