ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| FONDAMENTI DI IMPIANTI NUCLEARI | ING-IND/19 | LEZIONI | 60 |
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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 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.
Durante la prova orale lo studente deve essere in grado di dimostrare la propria conoscenza degli argomenti trattati nel corso ed essere in grado di discutere i fondamenti del ciclo del combustibile nucleare e del funzionamento delle centrali nucleari ad acqua leggera con correttezza espressiva
Metodo: Prova orale finale
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:
la verifica sarà centrata sul raggiungimente delle conoscenze minime necessarie per accedere alla laurea magistrale in Ingegneria Nucleare
the final verification will be on the required basic knowledge necessary for starting the following Master Degree in Nuclear Engineering
L'esame consiste in una prova orale, ossia in un colloquio tra il candidato e il docente anche in forma di domanda/risposta, sui vari argomenti trattati nel corso.
The exam consists of an oral test, i.e. an interview between the candidate and the teacher also in the form of a question/answer, on the matters of the course
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.
The "Fundamentals of Nuclear Plants" course provides students of the Nuclear curriculum of the degree in Mechanical Engineering an introductory preparation in nuclear engineering, addressing both basic propedeutic topics (such as nuclear physics or reactor physics) and specific different typologies of nuclear plants; it is the starting point for the creation of a cultural background suitable for a professional figure able to deal with the many technical, safety and economic aspects that characterize the use of nuclear energy.
Per raggiungere la sufficienza, l’allievo deve dimostrare le seguenti competenze:
To achieve sufficiency, the student must demonstrate the following skills:
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.
from Mathematics courses: simple differential equations
from Physics courses: force, work, and power concepts, mechanic energy conservation, hydrostatic
Thermal cycles and concepts of energy and enthalpy. The motion of a single-phase fluid in a duct. Principles of heat conduction and heat exchange. Characteristics of heat exchangers.
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. Fenomenologia dello scattering neutronico. Cattura di risonanza ed effetto Doppler.
Distribuzione dell’energia cinetica dei neutroni di fissione e termici.
Definizione di sezione di urto nucleari e loro dipendenza dall’energia del neutrone incidente.
Principi di scelta di un materiale da utilizzarsi come moderatore.
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.
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.
DESCRIZIONE IMPIANTISTICA DETTAGLIATA DELLE MAGGIORI FILIERE
Reattori ad acqua leggera (PWR e cenni ai BWR) di Gen II e Gen III, cenni ai reattori a veloci (FBR) ed ai reattori di IV generazione. Approccio alla sicurezza nucleare, il concetto di difesa in profondità. Classificazione degli incidenti nucleari, la scala INES.
La fusione nucleare
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.
BACKGROUND OF NUCLEAR PHYSICS
Introduction to the course.
Review of nuclear reactions: reaction energy, types of particles emitted, mass defect.
Nuclear reactions involving neutrons: capture (n, γ), fission, elastic and inelastic scattering. Kinetic energy distribution of fission and thermal neutrons. Phenomenology of neutron scattering. Definition of nuclear impact section and their dependence on the energy of the incident neutron. Resonance capture and Doppler effect.
Principles of choosing a material to be used as a moderator.
ELEMENTS OF NEUTRONICS OF THE CORE OF A NUCLEAR REACTOR
Introduction to the main aspects of the operation and construction of a nuclear plant. Classification of the different types of nuclear supply chains.
Distribution of the neutron flux within the core, an outline of the theory of diffusion, formula of the four factors, and resolution of the neutron diffusion equation for particular simple geometries of the system. Concepts of geometric and material buckling.
Kinetics of a reactor, effect of delayed neutrons on the stability of the reactor, model with 1 group of delayed n.
Reactivity coefficients (pressure, vacuum, fuel temperature, and moderator) and their influence on the safety and operation of the system. Short and long-term reactivity trends, the effect of saturable poisons.
Outline of the nuclear fuel cycle in the core.
ELEMENTS OF THERMOFLUID DYNAMICS OF A NUCLEAR REACTOR
Descriptive introduction of a nuclear power plant, its main components, and their functions. Outline of the main characteristics of centrifugal pumps and steam turbines for nuclear use.
Refrigerants used in nuclear reactors, related phenomenologies, and heat transfer coefficients.
Fuel: volumetric power, temperature trend in the fuel, cladding, and coolant.
DETAILED SYSTEM DESCRIPTION OF THE MAJOR PRODUCTION NPPs
Light water reactors (PWR and BWR) of Gen II and III, fast reactors (FBR), and Gen IV reactors. Approach to nuclear safety, the concept of defense in depth. Classification of nuclear accidents, the INES scale.
The nuclear fusion
COST OF ENERGY PRODUCTION IN A NUCLEAR PLANT
Introduction to the problem of determining the cost of the kWh produced by an electronuclear power plant. Plant costs, fuel cycle costs, operating and maintenance costs, site dismantling and recovery costs; the contribution of the individual items to the total cost of the electricity produced.
Sandro Paci "Introduzione ai sistemi nucleari" Pisa University Press. The first 3 chapters are fundamental for the course.
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.
contattare preliminarmente il docente
contact the teacher in advance
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.
The exam consists of an interview. During the test, the student is invited to discuss one or more topics that he has independently developed as an in-depth study of the topics covered during the course.
http://nucleare.ing.unipi.it/it/
http://nucleare.ing.unipi.it/it/
