Ingegneria nucleare

Termoidraulica e ingegneria del nocciolo (12 cfu)

• : 1) Criteri per il progetto dei sistemi di emergenza (ECCS) nei reattori nucleari refrigerati ad acqua. 2) Aspetti rilevanti nella progettazione termoidraulica degli impianti nucleari. 3) Scambio di calore per conduzione e progettazione termoidraulica delle barrette di combustibile. 4) Modelli per la valutazione di aspetti termoidraulici di progetto e di sicurezza negli impianti nucleari. 5) Fenomeni termoidraulici nell’analisi degli incidenti negli impianti nucleari. 6) La circolazione naturale. 7) Analisi termoidraulica di incidenti in impianti nucleari.
  

Materiali nucleari (6 cfu)

• Classificazione funzionale dei materiali utilizzati nella realizzazione degli impianti nucleari.
  Individuazione dei requisiti di impiego per le varie classi funzionali, con riferimento alle situazioni di normale esercizio, transitorie e incidentali di tutti i livelli.
  Analisi comparativa e criteri di selezione dei materiali all’interno di ciascuna classe.
  Analisi dei processi di produzione e di qualificazione dei materiali nucleari.
  Criteri di analisi del comportamento dei materiali nelle filiere più significative.
  
  

Fisica e modelli numerici per reattori nucleari (12 cfu)

• Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base sui fenomeni di trasporto nel nocciolo di un reattore nucleare, con riferimento agli aspetti neutronici statici e dinamici rilevanti per la progettazione. Il corso ha anche lo scopo di fornire la padronanza degli strumenti matematici e numerici alla base dei calcoli di nocciolo, descrivendo le teorie di base (diffusione e trasporto) con riferimento ad aspetti multifisici di termoidraulica e CFD.
  Modulo di Fisica del Reattore
  Gli argomenti trattati in questo modulo prevedono:
  - brevi richiami di fisica nucleare e sulla interazione dei neutroni con la materia; definizione delle sezioni d’urto; l’effetto Doppler;
  - equazione di continuità, legge di Fick ed equazione della diffusione; analisi in diffusione dell’esperienza pulsata in diverse geometrie; analisi di problemi stazionari con sorgente; definizione della funzione di Green; fattore di utilizzazione termica, f;
  - studio del rallentamento dei neutroni in mezzo infinito senza e con assorbimento; il fattore di sfuggita alla cattura di risonanza, p; il fattore di moltiplicazione veloce ';
  - l’equazione della diffusione dipendente dall’energia; la teoria dell’età di Fermi; le equazioni della diffusione a più gruppi energetici;
  - definizione di costante di moltiplicazione; analisi del reattore critico (teoria ad un gruppo, dipendente dal tempo, ma con soli neutroni pronti, e teoria basata sulla equazione stazionaria); criticità a più gruppi;
  - teoria del riflettore; problema della barra di controllo (cenno alla teoria delle perturbazioni); avvelenamento da Xe e Sm;
  - i neutroni ritardati; la teoria cinetica del reattore omogeneo in età-diffusione;
  - elementi introduttivi sul metodo Monte Carlo.
  Esercitazioni: utilizzo di un codice Monte Carlo opensource per il calcolo di alcune grandezze fondamentali della fisica dei reattori.
  Modulo di Modelli Numerici
  L’obiettivo principale del modulo è fornire agli studenti le conoscenze e le abilità di base per sviluppare ed utilizzare consapevolmente modelli numerici e codici di calcolo per la neutronica. Gli argomenti trattati riguardano:
  - le equazioni differenziali a derivate parziali della fisica matematica e la loro classificazione;
  - le equazioni della diffusione e del trasporto dei neutroni, per problemi stazionari e di cinetica;
  - le tecniche principali di discretizzazione numerica (differenze, finite, volumi finiti, elementi finiti, metodi coarse-mesh) e le proprietà dei metodi numerici ottenuti;
  - gli algoritmi risolutivi utilizzati da alcuni dei codici esistenti per la diffusione ed il trasporto dei neutroni (armoniche sferiche, probabilità di collisione e ordinate discrete);
  - esercitazioni con codici di calcolo in-house e/o con codici in uso nel settore nucleare.
  
  

Impianti nucleari II (6 cfu)

• Obiettivi fondamentali del corso sono:
  - discutere e presentare le principali tipologie e caratteristiche di reattori nucleari di Generation III e IV e dei futuri impianti a fusione nucleare;
  - descrivere le principali caratteristiche dei componenti utilizzati nei reattori nucleari;
  - illustrare la modalità di regolazione ed esercizio dell'impianto BWR.
  
  

Controllo degli impianti nucleari (6 cfu)

• Discussione dei fondamenti metodologici dell'analisi dinamica dei sistemi complessi, per evidenziare i vantaggi del controllo automatico in termini di esercizio e sicurezza nonché le problematiche relative alle sue applicazioni in termini di stabilità, rapidità di risposta e precisione di intervento. Cinetica del reattore nucleare. Dinamica del reattore nucleare controreazionato. Sistemi automatici di controllo di un reattore nucleare di tipo PWR.
  

Principi fisici dell'ingegneria nucleare (6 cfu)

• Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze fisiche di base necessarie per affrontare corsi più specifici nell’ambito dell'ingegneria e tecnologia nucleare. Al termine del corso l’allievo deve aver acquisito i fondamentali concetti di relatività, fisica atomica e nucleare che verranno poi richiamati ed utilizzati nei corsi successivi della laurea magistrale in Ingegneria Nucleare. Il corso si articola sui seguenti argomenti: relatività ristretta; fisica atomica con elementi di meccanica quantistica e struttura della materia; fisica nucleare, decadimento radioattivo e sorgenti di radiazione; interazioni delle radiazioni con la materia; introduzione alla statistica e semplici esercizi di laboratorio.
  

Impianti nucleari I (6 cfu)

• Obiettivi fondamentali del corso sono:
  - dare allo studente la capacità di comprendere e utilizzare a pieno i principi fondamentali dell'ingegneria nucleare;
  - fornire una panoramica riguardo agli impianti nucleari attualmente in funzione nel mondo con informazioni relative alla generazione dei costi per la produzione di elettricità per mezzo dell’energia nucleare;
  - presentare i concetti fondamentali riguardo allo scambio termico per ebollizione ed al flusso bifase al fine di comprendere i fenomeni alla base della generazione di potenza e della sua conversione in un impianto nucleare;
  - introdurre, oltre che le principali filiere ad acqua leggera (LWR), anche le altre tipologie di impianto a fissione di seconda generazione (HWR, GCR);
  - illustrare le caratteristiche dei principali componenti interni al vessel dei reattori nucleari PWR e BWR;
  - ciclo del combustibile nucleare in vessel.
  
  

Misure nucleari (6 cfu)

• Questo corso illustra gli strumenti e i metodi usati nelle misure dei campi di radiazioni ionizzanti. Gli argomenti trattati nel corso sono le sorgenti e le caratteristiche delle radiazioni ionizzanti, i meccanismi di interazione tra radiazioni e materia, i metodi di rivelazione con particolare attenzione alle misure nel settore elettronucleare, nelle applicazioni mediche e industriali.
  Le lezioni teoriche sono accompagnate da esercitazioni di laboratorio che consentono agli studenti di osservare alcune caratteristiche fondamentali di rivelatori, dosimetri e spettrometri di radiazioni, nonché della statistica di conteggio.
  Obiettivi didattici
  - Comprendere le interazioni delle radiazioni, con particolare attenzione alle interazioni dei neutroni.
  - Apprendere i principi di progettazione dei vari rivelatori di radiazione e le loro caratteristiche operative.
  - Apprendere le tecniche di spettroscopia delle radiazioni e le loro applicazioni.
  - Comprendere la natura statistica delle misure di radiazione e la statistica di conteggio.
  - Imparare a scegliere le tecniche idonee per le misure presso reattori nucleari ed acceleratori di particelle, nonché per verificare le salvaguardie nucleari e per contrastare il contrabbando di materiali nucleari.
  
  

Sicurezza nucleare (12 cfu)

• Fornire conoscenze sulla sicurezza nucleare, con particolare riferimento a:
  - la metodologia di sicurezza nucleare e relativa procedura di licensing in USA (il 10 CFR Parts 50, 20 e 100; i General Design Criteria e le Regulatory Guides, i safety goals)
  - gli obiettivi ed i principi fondamentali di sicurezza IAEA (INSAG 3 e 12)
  - le metodologie di sicurezza basate sull'affidabilità: di Farmer, canadese e proposta in Italia da Galvagni
  - i principali aspetti della normativa di sicurezza nucleare italiana: l'iter autorizzativo per la costruzione e l'esercizio degli impianti nucleari; il piano di emergenza.
  - il siting degli impianti nucleari
  - il rapporto Rasmussen (WASH 1400)
  - gli incidenti nei LWR e principi di progetto dei principali sistemi di sicurezza e protezione, con approfondimenti su LOCA e RIA;
  - gli incidenti severi: fenomenologie e metodologie di analisi
  - i sistemi di contenimento degli impianti nucleari di potenza e relativi principi di funzionamento; i principali sistemi di salvaguardia ingegneristica associati al contenimento (spray, filtri, trattamento del H2)
  - il termine di sorgente per incidenti in LWR
  - PSA degli impianti nucleari
  - aspetti peculiari degli incidenti in impianti CANDU ed in LMFBR
  - gli incidenti di criticità
  - la scala INES dell'IAEA per la classificazione degli incidenti nucleari
  - la cultura della sicurezza
  - l’analisi costi-rischi-benefici e l’impatto ambientale dei diversi cicli energetici.
  - Oltre a semplici esercizi sui vari argomenti sopramenzionati, come filo conduttore delle esercitazioni, saranno esaminati o e discussi i rapporti di sicurezza delle centrali di Montalto di Castro e Caorso, in modo anche da applicare e verificare le conoscenze acquisite a lezione. Introdurre lo studente ad alcuni strumenti informatici utilizzati per le analisi degli incidenti negli impianti nucleari e sviluppare la capacità dello studente all'utilizzo corretto e consapevole di tali strumenti, per lo studio e l’approfondimento dei fenomeni fisici e chimici caratterizzanti tali incidenti e per la risoluzione dei problemi di sicurezza nucleare.
  Infine saranno anche discussi gli incidenti di TMI2, Chernobyl e Fukushima, e le lezioni derivate da tali incidenti