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, database NuDat.
5. Cenni di fisica nucleare: trasmutazione nucleare; 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; database JANIS.
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; database IAEA.
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; database PRIS; Generation IV International Forum.
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 monogruppo 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.
    
15. Altre applicazioni dell’energia nucleare: propulsione navale; propulsione spaziale; energia da radioisotopi.

Per Studenti e Studentesse non frequentanti: non sono necessarie integrazioni ai contenuti indicati.

Testi/Bibliografia

Testo necessario alla preparazione dell’esame: Raymond Murray, Keith E. Holbert; Nuclear Energy, 8^th edition: 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.

Ulteriori materiali necessari alla preparazione dell’esame: esempi di svolgimento di esercizi, esercizi con soluzione obiettivo e esempi di prove d’esame resi disponibili mediante la piattaforma Virtuale

Per Studenti e Studentesse non frequentanti: non sono necessarie integrazioni rispetto ai materiali necessari indicati ai punti precedenti.

Per approfondimento facoltativo: articoli scientifici, documenti/report prodotti ad agenzie/enti nazionali e internazionali, slide di approfondimento sull’evoluzione storica dell’energia nucleare resi disponibili mediante la piattaforma Virtuale

Metodi didattici

Svolte in aula: lezioni frontali, esercitazioni numeriche guidate e soluzione di casi di studio

Per lo studio individuale: esempi di svolgimento di esercizi, esercizi con soluzione obiettivo e esempi di prove d’esame

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Prova scritta con 8 esercizi numerici e domande aperte sulle tecnologie nucleari, intesa a verificare i) la comprensione dei fenomeni fisici e degli aspetti ingegneristici trattati durante il corso; ii) la consapevolezza di ordini di grandezza e unità di misura caratteristiche dell’ambito dell’energia nucleare; iii) la capacità di svolgere calcoli numerici e dimensionamenti in relazione a processi inerenti l’ingegneria nucleare; iv) la capacità di orientarsi tra i dati a disposizione, individuando quelli utili ai problemi in esame, e di analizzare dati forniti secondo i formati caratteristici dell’ambito nucleare.

La prova prevede 2 quesiti obbligatori (esercizi numerici) sui seguenti argomenti: i) reazioni di trasmutazione nucleare e calcolo del Q value; ii) decadimento radioattivo e interpretazione grafici NuDat.

I punteggi associati ai quesiti assommano ad un totale di 50 punti: la prova si intende superata con un punteggio di 20/50 (esito: 18/30) e il punteggio massimo (30 e lode) è ottenibile totalizzando almeno 47/50.

Il tempo a disposizione dello studente per la prova scritta è di 4 ore.

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.

La modalità di esame è identica per Studenti/Studentesse frequentanti e non frequentanti.

Strumenti a supporto della didattica

Testo di riferimento.

Slide del Docente (NB: non sostitutive del testo di riferimento).

Esempi di svolgimento di esercizi.

Esercizi con soluzione obiettivo.

Database ufficiali (vedere i link alla sezione ‘Contenuti’).

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