La sicurezza nucleare e gli impianti di nuova generazione La sicurezza nucleare e gli impianti di nuova generazione gli impianti di nuova generazione gli impianti di nuova generazione Prof. Marco Ricotti Politecnico di Milano Dip. di Energia, CeSNEF-Ingegneria Nucleare
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La sicurezza nucleare e gli impianti di nuova generazioneLa sicurezza nucleare e gli impianti di nuova generazionegli impianti di nuova generazionegli impianti di nuova generazioneProf. Marco RicottiPolitecnico di MilanoDip. di Energia, CeSNEF-Ingegneria Nucleare
Pavia, 16 novembre 2011Pavia, 16 novembre 2011
SICUREZZA NEGLI IMPIANTI SICUREZZA NEGLI IMPIANTI NUCLEARINUCLEARI
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SICUREZZA NUCLEARESICUREZZA NUCLEARE
problema principale: rilascio di prodotti radioattivi
sicurezza della popolazionepopolazione sicurezza dell’impiantoimpianto($)sicurezza del personalepersonalesicurezza del personalepersonale
incidenza dell’impianto difficoltà riparazione/p psul costo kWh (costo sostituzione per componenti e costo attivazione mancata produzione) componenti
prof. Marco E. Ricotti
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3UNICITAUNICITA’’ DI UN REATTORE NUCLEAREDI UN REATTORE NUCLEARE
Un reattore nucleare: Sistemi di sicurezza:Un reattore nucleare:
1 Può aumentare la propria
Sistemi di sicurezza:
Barre di Arresto Rapido1. Può aumentare la propria potenza
• Barre di Arresto Rapido(SCRAM)
1. Anche se spento, produce energia termica
• Sistema di Raffreddamento di produce energia termica
1 Può sviluppare reazioni
Emergenza
B i t i di Id1. Può sviluppare reazioni chimiche e generare idrogeno
• Bruciatori di Idrogeno; ricombinatori catalitici; inertizzazione
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idrogeno inertizzazione
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SICUREZZA NEGLI IMPIANTI SICUREZZA NEGLI IMPIANTI NUCLEARINUCLEARI
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Fenomeni (tipici dellFenomeni (tipici dell’’impianto impianto Nucleare) che aggravano Nucleare) che aggravano ll’’incidenteincidente:
1. Potenza di decadimento1. Potenza di decadimento• decad.prodotti fissione ∝
potenza funzionamento ttreattore
• 2.0060 −×= tW
006.0 ×= t
W
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5DECAY POWERDECAY POWERin (%) of nominal power after shut down (s)in (%) of nominal power after shut down (s)
10NOTA SULLA SICUREZZA (nucleare e non)NOTA SULLA SICUREZZA (nucleare e non)Frequenza attesa incidente letale, annualeFrequenza attesa incidente letale, annuale
2.0E-04
1 5E-041.5E-04
1.0E-04
5.0E-05
1.0E-08auto casa fulmine nucleare
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11““RISCHIO REALERISCHIO REALE”” E E ““RISCHIO RISCHIO PERCEPITOPERCEPITO””Gli incidenti in Europa, unGli incidenti in Europa, un’’epidemia silenziosaepidemia silenziosa
Uccidono centinaia di migliaia di persone e ne invalidano milioni. Gli incidenti rappresentano una delle più grandi problematiche di saluteincidenti rappresentano una delle più grandi problematiche di salute pubblica nell’Unione Europea. Ogni due minuti qualcuno muore a causa di un incidente e altre 228 persone restano infortunate. Con 250 mila decessi all’anno, gli incidenti rappresentano la quarta principale gli incidenti rappresentano la quarta principale causa di morte dopo malattie cardiovascolari cancro e malattiecausa di morte dopo malattie cardiovascolari cancro e malattiecausa di morte, dopo malattie cardiovascolari, cancro e malattie causa di morte, dopo malattie cardiovascolari, cancro e malattie respiratorierespiratorie. Ben 60 milioni di persone, più dell’intera popolazione italiana, ricevono ogni anno cure mediche per colpa di questi infortuni.
ùùI posti più rischiosiI posti più rischiosiSono i posti che generalmente consideriamo più sicuri a diventare trappole in cui si può perdere la vita. I cittadini europei rischiano più di restare infortunati a casa, a scuola, nelle attività ricreative e sportiverestare infortunati a casa, a scuola, nelle attività ricreative e sportive che in qualunque altra circostanza. Secondo il rapporto, poco più del 20% di tutti gli incidenti avviene su strada o sul posto di lavoro. Gli Gli incidenti domestici uccidono il doppio di quelli stradali e dieci volte incidenti domestici uccidono il doppio di quelli stradali e dieci volte di più degli incidenti sul posto di lavorodi più degli incidenti sul posto di lavoro Il problema riguarda da vicinodi più degli incidenti sul posto di lavorodi più degli incidenti sul posto di lavoro. Il problema riguarda da vicino soprattutto i bambini e gli anziani che trascorrono molto tempo a casa. Bagni, scale e cucine sono le stanze meno sicure. Secondo le previsioni, nel futuro la situazione peggiorerà a causa dell’innalzamento dell’età demografica
prof. Marco E. Ricotti
demografica.ISTITUTO SUPERIORE DI SANITAISTITUTO SUPERIORE DI SANITA’’Centro Nazionale di Epidemiologia, Sorveglianza e Promozione della Salute Centro Nazionale di Epidemiologia, Sorveglianza e Promozione della Salute
i b tibili b tibilguaina combustibileguaina combustibilesistemi di sicurezzasistemi di sicurezzacontenitorecontenitorepiani di emergenzapiani di emergenzapiani di emergenzapiani di emergenza
Ridurre Personalizza il ••Disporre dati storiciDisporre dati storici Prevenzione
SITESITE
Ridurre probabilità Econseguenze guasti
Personalizza il progetto
pp••Esami geotettoniciEsami geotettonici••VariabVariab. Stagionale . Stagionale popolazpopolaz..••Altre esigenze non di Altre esigenze non di sicurezzasicurezza
Prevenzione,Mitigazione
SAFETY SAFETY AUTHORITYAUTHORITY
Controllo indipendente
Garanzia sociale ••Eccesso di prudenza in caso Eccesso di prudenza in caso di “ignoranza”di “ignoranza”••Non considerazione danno Non considerazione danno economicoeconomico
(Prevenzione)
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SICUREZZA NEGLI IMPIANTI SICUREZZA NEGLI IMPIANTI NUCLEARINUCLEARI
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Tipologie di IncidentiTipologie di Incidenti:
1. Reattività (RIA):• Rod ejection, mid-loop operation, …
2 M t R ff dd t (LOFA)2. Mancato Raffreddamento (LOFA):• Pump trip, ostruzioni di canale, …
3. Rottura barriera a pressione (LOCA):3. Rottura barriera a pressione (LOCA):• Large – medium – small breaks, …
4. Movimentazione combustibile (FA):• Fessurazione e rilascio, …
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18Generation III ReactorsGeneration III Reactors
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19III GenerazioneIII Generazione –– EPREPR
Scelte di strategia: massimo sfruttamento economia di scalamassimo sfruttamento economia di scala, sicurezza attiva fortemente ridondata (4×100%),incidenti severi trattati “ex-vessel” (core catcher)
4 loopDoppio contenitore cemento armatoDoppio contenitore cemento armatoSistemi sicurezza attivi in 4 edifici separati attorno al reattoreCapacità 50% combustibile MOX (riciclo U, Pu)Miglior sfruttamento combustibile (60 GWd/tU)60 anni vitaT t i (di hi t ) 54 iTempo costruzione (dichiarato): 54 mesiCore Damage Frequency (CDF) = 5.8×10-7 (internal events) (richiesta
NRC: 1×10-5)
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Large Release Frequency (LRF) = 2.7×10-8 (internal events)
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20III Generazione III Generazione –– AP1000AP1000
Scelte di strategia: riduzione complessità sistema e numeroriduzione complessità sistema e numero componenti, massima modularità costruzione, impiego sistemi a sicurezza passiva,i id ti i t tt ti “i l” ( t ti )incidenti severi trattati “in-vessel” (core retention)
2 loop, pompe senza tenutaContenitore con raffreddamento convezione naturaleContenitore con raffreddamento convezione naturaleSistema depressurizzazione rapida (ADS)Capacità 50% combustibile MOX (riciclo U, Pu) in studioMiglior sfruttamento combustibile (60 GWd/tU)60 anni vitaT t i (di hi t ) 36 iTempo costruzione (dichiarato): 36 mesiCore Damage Frequency (CDF) = 5×10-7 (external events included)Large Release Frequency (LRF) = 6×10-8 (external events included)
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Large Release Frequency (LRF) 6×10 (external events included)
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21EPR: sistemi di sicurezza ATTIVIEPR: sistemi di sicurezza ATTIVI
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22AP1000: sistemi di sicurezza PASSIVIAP1000: sistemi di sicurezza PASSIVI
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23AP1000: sistemi di sicurezza PASSIVIAP1000: sistemi di sicurezza PASSIVI
efficace sfruttamento combustibile, minimizzareefficace sfruttamento combustibile, minimizzare rifiuti e ridurre tempi per rifiuti a lunga vita
2.2. EconomicsEconomics: costi life-cycle e rischi finanziari competitivi con altre fonti energetiche
3.3. Safety and ReliabilitySafety and Reliability: eccellere in sicurezza e affidabilità, bassissima prob. danneggiamento combustibile, eliminare necessità piani
scarsa attrattività per diversione di materiale strategico elevata protezione da attacchistrategico, elevata protezione da attacchi terroristici
Oltre 100 concetti e progetti di nuovi reattori presentatiOltre 100 concetti e progetti di nuovi reattori presentati (industrie, centri di ricerca, università da tutto il mondo)
Panel di esperti delle 10 Nazioni: comparazione e valutazione secondo metrica e criteri per ottenere grado di soddisfacimento degli obietti i sele ione dei migliori
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soddisfacimento degli obiettivi, selezione dei migliori concetti e progetti
34IRIS: SISTEMI DI SICUREZZAIRIS: SISTEMI DI SICUREZZA
Long term cooling system (LTCS)Long term cooling system (LTCS)-Progettazione ad-hoc della cavità inferiore del Contenitore-Raccoglie il liquido fuoriuscito dalla rottura e il condensato-Gravità sufficiente a re iniettare acqua nel Reactor Vessel attraverso le DVI lines
Emergency boration tanks (EBTs) with direct vessel injection (DVI)Emergency boration tanks (EBTs) with direct vessel injection (DVI)-2 serbatoi a piena pressione del primario-Shutdown alternativo-Alimentazione (limitata) di acqua raffreddamento per gravità
Small automatic depressurization system (ADS)Small automatic depressurization system (ADS)-Assiste EHRS nella depressurizzazione del Reactor Vessel-1 stadio, 2 linee parallele da 4” (AP1000: 4-stage ADS)-Assicura rapida equalizzazione della pressione tra Contenitore e Reactor Vessel
Containment pressure suppression system (PSS)Containment pressure suppression system (PSS)-6 serbatoi di soppress. e 1 volume per gas non-condensabili-Condensano vapore rilasciato nel Contenitore a seguito SBLOCA o Steam/Feed Line Break
Passive emergency heat removal system (EHRS)Passive emergency heat removal system (EHRS)-4 sistemi indipendenti (1 sufficiente, ridondanza 4)-Scambiatori immersi in pool RWST-Rimozione calore dall’interno del Reactor Vessel
EHRS Heat Exchanger Refueling Water Storage
Tank (1 of 1)
-Gravità sufficiente a re-iniettare acqua nel Reactor Vessel attraverso le DVI lines-Cavità e allagamento assicurano in-vessel retention (IVR)
-Alimentazione (limitata) di acqua raffreddamento per gravità
ADS-Assicura rapida equalizzazione della pressione tra Contenitore e Reactor Vessel
PSS
Steam/Feed Line Break
EHRS
-Rimozione calore dall interno del Reactor Vessel
Main Steam Line (1 of 4)
ADS/PORV(1 of 1)
RCP
SafetyValve
SafetyValve
Integral
EBTPSS
Isolation ValvesP/H P/H
RCP(1 of 8)
SG Steam Lines
IntegralReactorVessel
Emergency Heat Removal
AUX T B
SGMake
upTank
Steam Generator(1 of 8)
SuppressionPool (1 0f 6)
(2 of 8)
FO FO
Emergency Heat RemovalSystem (EHRS)
1 of 4 Subsystems
EBT(1 0f 2)
AUX. T.B.BLDG.
Main Feed Line (1 of 4)FO FO
Long Term Core Makeupfrom RV Cavity
SG FeedWater Lines
(2 of 8)
SuppressionPool Gas
Space
DVI
Isolation Valves
P/H P/H
Start Up FeedWater
from RV Cavity(1 of 2)
RV Cavity
LTCS
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Start Up FeedWaterLTCS
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35IRIS: Strategia di Sicurezza per IRIS: Strategia di Sicurezza per SBLOCASBLOCA
Accoppiamento Contenitore ad alta pressione + vessel primario + sistemi passivi:
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36IRIS: risposta a Small Break LOCA IRIS: risposta a Small Break LOCA (SBLOCA)(SBLOCA)
No large break LOCANo large break LOCA
Vessel primario e ContenitoreVessel primario e Contenitoretermodinamicamente accoppiati negli SBLOCA
120 isolatori gomma-acciaio (High Damping Rubber Bearings-HDRBs) da 1 m diametro, 84 mm altezza
per PGA = 0.3 g, isolation frequency = 0.7 Hzp g q y- spostamenti laterali < 12 cm- riduzione del 25% della PGA a livello dei
supporti del vessel, di 5 volte a livello del tetto
effettuati test sperimentali (CESI-ISMES e FIP Industriale)
50 m~ 1 m gap
Flood level
~ 1 m thick
23 m
22 m
21 m
Ground level
Horizontal Fail -safe System
Flood level
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56 m
Isolatori sismici
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39IRIS: processo RiskIRIS: processo Risk--InformedInformed
Analisi di sicurezza deterministichedeterministiche e valutazioni PSAPSA svolte durante lo durante lo sviluppo del progetto preliminaresviluppo del progetto preliminare
DESIGN/SAFETY ANALYSIS TEAM
PSA TEAM PSA Procedure
Providing IRISsystem data (initial)
Analysis of system/componentreliability
“Risk informed Design” procedure
Providing IRISsystem data (update)
Identification of highrisk scenarios
Risk-informed Design procedure
Analysis of identified sequences
Identification of sequences requiring analysis
Incorporation of changes in design
Recommend changes to i PSA l
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changes in design improve PSA results
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40IRIS: processo IRIS: processo RiskRisk--InformedInformedriduzione della Core riduzione della Core DamageDamage FrequencyFrequency
1 90E-6
Sviluppo progetto PSA Sviluppo progetto PSA …
1.00E-05
20032003 20042004 20052005 20062006
1.90E-6
1.00E-06
20032003 20042004 20052005 20062006
1.00E-07
1.00E-08
2.38E-8
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1.00E-09
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41IRIS: effetti del livello di SicurezzaIRIS: effetti del livello di Sicurezza
Approccio Risk-Informed: No Emergency Planning ZoneEliminazione o forte riduzione (area dell’impianto) della Emergency Planning ZoneZone
Sviluppata una nuova procedura Deterministica + Probabilistica per la stima della distanza della EPZ, in funzione della dose di radiazione ammissibile e del livello di sicurezza dell’impiantolivello di sicurezza dell impianto
Attività svolta con IAEA
Procedure discussa con NRC
CAORSO site
NRCIRIS: 1 kmIRIS: 1 km
France Evacuation Zone: France Evacuation Zone: 5 km5 km
US Emergency Planning Zone: 10 US Emergency Planning Zone: 10 milesmiles
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42IRIS: attività sperimentali sulla IRIS: attività sperimentali sulla SicurezzaSicurezzaIRIS Integral Test Facility (per prove e fase IRIS Integral Test Facility (per prove e fase
licensing)licensing)Scala 1:1 in altezza temperature pressioni
RWSTABRWSTC
Scala 1:1 in altezza – temperature – pressioniScala 1:100 in potenza – volumiProve sperimentali di scenari incidentaliDimostra ione sistemi di sic re a passi i e
DW EHRSC
EHRSA,B
Dimostrazione sistemi di sicurezza passivi e accoppiamento Contenitore-ReattoreOltre 700 punti di misura
2010: Terminata fase scalatura e progettazione
2011: Terminata fase preparazione struttura di RVLGMSB EBTB
EBTALGMSA2011: Terminata fase preparazione struttura di supporto e sala controllo
2011 2012: Inizio fase costruzione
QT
EBTALGMSA
2011-2012: Inizio fase costruzionePSSA
RCPSSB
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43…E CON CIO…E CON CIO’’?...?...
“…questo significa che il nucleare sia intrinsecamente sicuro o a rischio zero?...”intrinsecamente sicuro o a rischio zero?...