31401 - FONDAMENTI E APPLICAZIONI DELL'ENERGIA NUCLEARE T

Conoscenze e abilità da conseguire

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni di base di per la comprensione dei fenomeni nucleari e il loro utilizzo per la produzione di energia mediante fissione e fusione. L’insegnamento si propone inoltre di fornire agli studenti una introduzione all'utilizzo industriale dell'energia nucleare e al suo ruolo nello scenario energetico internazionale. Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di: i) descrivere i principali fattori fisici e ingegneristici che influenzano la scelta delle soluzioni tecnologiche per i reattori nucleari; ii) analizzare le principali caratteristiche del combustibile nucleare e il suo ciclo di vita, compresi gli aspetti relativi alla sua produzione, utilizzo e smaltimento; iii) comprendere le basi dell'economia dell'energia nucleare ed eseguire calcoli semplificati sui costi di produzione dell'elettricità nucleare.

Contenuti

1. Storia dell’energia nucleare: dalla scoperta dei raggi X ad oggi.
2. Richiami sull’energia: forze ed energia; unità di misura; energia termica; energia radiante; equivalenza tra massa ed energia.
3. Atomi e nuclei: richiami di teoria atomica; descrizione dei gas secondo la teoria cinetica; transizioni elettroniche e radiazione elettromagnetica; struttura del nucleo; dimensioni e masse dei nuclei; energia di legame; tabella dei nuclidi KAERI.
4. Radioattività: stabilità nucleare; decadimento radioattivo; legge di decadimento; catene di decadimento.
5. Cenni di fisica nucleare: trasmutazione degli elementi; richiami di conservazione dell’energia e Q value; richiami di conservazione della quantità di moto; tassi di reazione; attenuazione di un fascio di particelle; sezioni d’urto neutroniche; migrazione dei neutroni.
6. Fusione: reazioni di fusione nucleare; forze elettrostatiche e nucleari; reazioni termonucleari in un plasma; criterio di Lawson; fattore di amplificazione.
7. Fissione: il processo di fissione; prodotti della fissione; considerazioni energetiche.
8. Reazione a catena di fissione: criticità e fattori di moltiplicazione; criticità in un reattore veloce; criticità in un reattore termico; formula dei quattro fattori; relazione tra flusso neutronico e potenza del reattore
9. Impianti nucleari a fissione: approcci di classificazione degli impianti elettronucleari; generazione di vapore ed energia elettrica; calore residuo; impianti ad acqua leggera (Pressurized Water Reactors e Boiling Water Reactors); impianti ad acqua pesante (CANDU); caratteristiche degli impianti nucleari di generazione III e III+; Small Modular Reactors; reattori di IV generazione; considerazioni economiche.
10. Calore prodotto dalla fissione: conduzione e convezione per un elemento di combustibile; distribuzione di temperatura in un reattore nucleare.
11. Cenni di teoria della diffusione neutronica: equazione della diffusione e sue soluzioni.
12. Cinetica del reattore: evoluzione della popolazione neutronica; neutroni pronti e neutroni ritardati; coefficienti di reattività; controllo del reattore; veleni neutronici; burnup del combustibile.
13. Sicurezza e prevenzione: cultura della sicurezza in ambito nucleare; classificazione dei sistemi di sicurezza; cenni di progettazione dei sistemi di emergenza; incidenti nucleari.
14. Ciclo del combustibile: panoramica del ciclo del combustibile; arricchimento dell’Uranio; classificazione dei rifiuti radioattivi; calore di decadimento, trasporto, stoccaggio e riprocessamento del combustibile esausto; gestione dei rifiuti radioattivi a bassa attività e Deposito Nazionale; introduzione al simulatore Nuclear Fuel Cycle Simulation System dell’IAEA.
    
15. Altre applicazioni dell’energia nucleare: propulsione navale; propulsione spaziale; energia da radioisotopi.

Testi/Bibliografia

Raymond Murray, Keith E. Holbert; Nuclear Energy : An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications of Nuclear Processes; 2020; ISBN: 978-0-12-812881-7

Il libro di testo è disponibile online mediante il sistema bibliotecario di Ateneo.

Metodi didattici

Lezioni frontali, esercitazioni numeriche guidate

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova scritta con esercizi numerici e domande aperte sulle tecnologie nucleari.

Alla prova è ammesso l’uso della calcolatrice; alle Studentesse/Studenti è inoltre consentito portare e consultare un documento di supporto, in forma di un foglio (A4, stampato/scritto fronte-retro) liberamente compilato dal/dalla Candidato/a.

Strumenti a supporto della didattica

Slide del Docente.

Esempi di svolgimento di esercizi.

Esercizi con soluzione obiettivo.

Database ufficiali (e.g. KAERI table of nuclides; IAEA Power Reactor Information System).

Codici MATLAB e softwares (e.g. IAEA Nuclear Fuel Cycle Simulation System).

Per approfondimento facoltativo: articoli scientifici, documenti/report prodotti ad agenzie/enti nazionali e internazionali, slide di approfondimento sull’evoluzione storica dell’energia nucleare.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Matteo Gherardi