(NUCLEAR MATERIALS)
CdSINGEGNERIA NUCLEARE
Codice418II
CFU6
PeriodoSecondo semestre
LinguaInglese
Lo studente che completa con successo il corso avrà la capacità di identificare e selezionare i materiali da utilizzare per le applicazioni dei 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 nuclear point of view.
Lo studente sarà valutato sulla sua capacità dimostrata di discutere i contenuti del corso principale utilizzando la terminologia appropriata.
Durante l'esame lo studente deve essere in grado di dimostrare la sua conoscenza del materiale del corso ed essere in grado di discutere la questione della lettura con attenzione e con correttezza di espressione.
Sarà valutata la capacità dello studente di spiegare correttamente gli argomenti principali presentati durante il corso alla lavagna.
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.
Le seguenti abilità principali sono fornite dal corso:
capacità di identificare diversi tipi di strutture metalliche;
capacità di individuare quantitativamente alcuni fenomeni di base, come proprietà meccaniche elementari;
comprensione dei principali meccanismi di danno da irradiazione in acciaio e lega Zr;
capacità di progettare i giusti materiali metallici per il reattore nucleare e per il rivestimento 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 scritto, con assegnazione di problemi tipici (2 ore) e successiva sessione orale.
Written examination, with assignment of typical problems (2 hours), and subsequent oral session.
Il corso è decisamente del tipo "changing mind". Dal materiale presentato si prevede che gli studenti acquisiscano quegli atteggiamenti tipici della "cultura nucleare", cioè responsabilità, atteggiamento aperto e comunicativo, trasparenza, atteggiamenti interrogativi.
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.
Conoscenza di base degli impianti nucleari, scienza dei materiali, proprietà meccaniche.
Basic knowledge about nuclear plants, material science, mechanical test.
Chimica di base
Fisica del reattore nucleare
Impianti nucleari
Basic chemistry
Nuclear reactor physics
Nuclear plants
Erogazione: frontale
Frequenza: consigliata
Attività didattiche:
frequenza delle lezioni
partecipazione a seminari
preparazione di rapporti orali/scritti
Metodi di insegnamento:
lezioni
seminari
lavoro su progetti
Delivery: face to face
Attendance: Advised
Learning activities:
- attending lectures
- participation in seminar
- preparation of oral/written report
Teaching methods:
- Lectures
- Seminars
- project works
Prima parte: ciclo del combustibile e criteri di selezione dei materiali
Fondamenti di sistemi nucleari. Tipi di reattori: classificazione in termini di energia di neutroni, scopo del reattore, tipo di refrigerante.
Un semplice design del reattore. Principali caratteristiche dei reattori dei reattori Gen I, Gen II, Gen III e Gen IV.
Il ciclo del combustibile nucleare. Ricerca e estrazione dell'uranio: minerali di uranio e miniere di uranio (specie ridotte e specie ossidate). Concetti di chimica di base sullo stato di ossidazione degli elementi nei composti.
Lisciviazione acida e lisciviazione basica. Lisciviazione in situ. Trattamento di soluzioni di uranio; lo "yellow cake". Raffinazione dell'uranio; estrazione liquido-liquido con TBP.
Concetti di base relativi ad un generico processo di arricchimento isotopico: abbondanza isotopica relativa, fattore di separazione, guadagno di separazione, fattore di arricchimento. Arricchimento dell'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 della diffusione ideale con assenza di code; calcolo del numero minimo di fasi di separazione in una cascata di diffusione ideale.
Principi di base della separazione in un campo di forza. 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 ideale di separazione per centrifugazione senza code; calcolo del numero minimo di fasi di separazione in una cascata ideale di centrifugazione.
Tecniche di separazione isotopica con laser. Separazione isotopica basata sulla struttura iperfine. Separazione atomica: la tecnica AVLSI. Separazione molecolare: la tecnica MLIS. La separazione aerodinamica: la tecnica "nozzle jet". Confronto tra le diverse tecniche di separazione.
Fabbricazione deglii elementi di combustibile: produzione di UO2 per via umida o secca.
L'operazione di back-end nel ciclo del combustibile: riprocessamento e riciclo. Il processo PUREX: decadimento del combustibile, dissoluzione, estrazione di U e Pu dal combustibile esausto, separazione di Pu da U, conversione del prodotto finale.
Criteri generali per la selezione dei materiali. Requisiti e materiali per il rivestimento del combustibile, moderatore e riflettori, refrigeranti, materiali di controllo, materiali di schermatura. Esempio: materiali di rivestimento del combustibile per LWR; proprietà di Be, Mg, Al, Zr; Leghe a base di zirconio - 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 Miller e Bravais.
Difetti puntuali. Difetti lineari. Dislocazioni. Classificazione dei cristalli e relazione tra proprietà meccaniche e struttura cristallina dei materiali.
Il ruolo delle imperfezioni, stato di stress, temperatura e velocità di deformazione nelle proprietà meccaniche.
Interazione dei neutroni con la materia: cattura e diffusione. Sezioni d'urto, flusso di neutroni e percorso libero medio. Danno da radiazioni: danno di contatto, trasmutazione, formazione di bolle, rigonfiamento.
Teoria della collisione: soglia di spostamento, soglia di energia. Geometria del danno: picco di spostamento, picco termico.
Effetti delle radiazioni sulle proprietà fisiche e meccaniche. Diffusione incrementata, creep, stabilità di fase, indurimento da radiazioni, infragilimento e corrosione.
Crescita da radiazioni in uranio e grafite, cricche termiche dei complessi di combustibile del reattore. Processi di ricottura. Rilascio di energia di Wigner in grafite.
Acciai da costruzione resistenti alle radiazioni. Panoramica dei problemi di integrità strutturale. Meccanica della frattura e test non distruttivi. Stress-corrosion cracking.
Metallurgia nucleare. Strutture e proprietà di materiali con particolare rilevanza per la produzione di energia nucleare: zirconio e leghe di zirconio.
"Pressure vessels" e rivestimenti di acciaio inossidabile per applicazioni nucleari.
Esempio di danno da radiazioni nella centrale nucleare. "Stress corrosion cracking" 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 corrosione 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 anno per anno dall'insegnante, è disponibile sia su supporto usb che sul sito web della scuola.
L'insegnante è disponibile con continuità per ricevere gli studenti e risolvere i loro problemi di apprendimento delle materie trattate.
The teaching material, updated year by year by the teacher, is available on both a usb support and the web site of the School..
The teacher is available with continuity to receive students for solving their learning problems.
L'esame è composto da una prova scritta e una prova orale.
La prova scritta consiste in due domande, una per ogni sezione del corso, della durata di due ore. La prova scritta sarà superata se il punteggio per ogni domanda è almeno 18/30.
La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e i docenti. Durante il test verrà valutata anche la capacità del candidato di esprimersi in modo chiaro utilizzando la terminologia corretta. La prova orale verrà superata se il punteggio è almeno 18/30.
Il punteggio finale sarà la media dei punteggi dello scritto e dell'orale.
The exam is made up of one written test, and one oral test.
The written test consists of two questions, one for each section of the course. It involves a normal classroom, and is two hours long. The written test will be passed if the score for each question is at least 18/30.
The oral test 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. The oral test will be passed if the score is at least 18/30.
The final score will be the average of the written and oral scores.
For any questions, contact lu.lazzeri@ing.unipi.it or r.valentini@ing.unipi.it.