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Elementi di ingegneria nucleare

01TWUMK

A.A. 2021/22

2021/22

Elementi di ingegneria nucleare

L’ingegneria nucleare è la disciplina è alla base delle numerose applicazioni delle reazioni nucleari che vengono utilizzate in vari ambiti della scienza e tecnologia: oltre alla produzione di potenza elettrica, i fenomeni nucleari trovano applicazione in medicina (per tecniche diagnostiche, quali radiografie, tomografie e scintigrafie, e per scopi terapeutici con l’utilizzo di specifici radionuclidi) nell’ industria (uso di traccianti radioattivi e tecniche diagnostiche), oltre che per la propulsione di sottomarini e la produzione di calore in applicazioni di nicchia (ad es. spaziali). Il corso si propone di fornire le competenze di base relative all’ingegneria nucleare utili per gli studenti di ingegneria energetica, fornendo loro i fondamenti della fisica dei sistemi nucleari (con particolare riferimento alla produzione di energia), nonché una introduzione agli aspetti ingegneristici e tecnologici. Tali competenze consentiranno agli studenti di affrontare ciascuna delle tematiche sopra elencate in corsi specialistici erogati nei corsi di laurea magistrale, nonché di comprendere i fenomeni alla base delle applicazioni legate al nucleare, così da interagire proficuamente con industrie e centri di ricerca che se ne occupano. La comprensione della fisica e della tecnologia degli impianti e applicazioni nucleari è complementata dall’illustrazione di modelli semplificati per lo studio dei reattori a fissione e da alcune nozioni di base sul processo di fusione nucleare. Inoltre, il corso si pone l’obiettivo culturale di fornire agli studenti le conoscenze di base e le caratteristiche funzionali delle centrali nucleari: sono illustrati i principali componenti di impianto nei diversi tipi di reattori, inclusi i reattori a fusione, i fondamenti del ciclo del combustibile nucleare. Dall’organizzazione delle tematiche del corso emerge la stretta relazione esistente tra la fisica del reattore e l’impiantistica nucleare, aspetti che sono da ritenersi fondamentali nel bagaglio culturale di un ingegnere energetico. Le informazioni teoriche sono complementate da esempi illustrativi, trattati in dedicate sessioni di esercitazione, che consentono agli studenti di applicare i concetti appresi a casi pratici rilevanti per applicazioni nel contesto della loro futura vita professionale.

Elementi di ingegneria nucleare

Nuclear engineering is the discipline underlying the numerous applications of nuclear reactions that are used in various science and technology fields: in addition to the production of electrical power, nuclear phenomena find application in medicine (for diagnostic techniques, such as radiographs, tomography and scintigraphy, and for therapeutic purposes with the use of specific radionuclides), in industry (use of radioactive tracers and diagnostic techniques), as well as for the propulsion of submarines and the production of heat in specific applications (e.g. aerospace). The course aims to provide basic skills related to nuclear engineering useful for energy engineering students, providing them with the fundamentals of the physics of nuclear systems (with particular reference to energy production), as well as an introduction to engineering and technological aspects. These skills will allow students to address each of the topics listed above in specialized courses offered in the master's degree program, as well as to understand the phenomena underlying nuclear applications, so as to interact profitably with industries and research centers working on these topics. The understanding of the physics and technology of nuclear plants and applications is supported by the illustration of simplified models for the study of fission reactors and some basic notions on the nuclear fusion process. Furthermore, the course has the cultural objective of providing students with the basic knowledge on the technical component characterizing a nuclear power plants, therefore the main plant components for different reactor types, including fusion machines, and the fundamentals of the cycle of nuclear fuel are illustrated. The various topics of the course are organized in order to highlight the close relationship between reactor physics and nuclear plant engineering, aspects that are to be considered fundamental in the cultural background of an energy engineer. The theoretical information is complemented by illustrative examples, treated in dedicated practice sessions, which allow the students to apply the concepts learned to practical cases relevant for applications in the context of their future professional life.

Elementi di ingegneria nucleare

Al termine dell’insegnamento gli studenti saranno in grado di: - descrivere i fenomeni fisici alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione e fusione; - utilizzare i modelli matematici per lo studio della fisica dei reattori a fissione, applicandoli a semplici casi numerici, quali il calcolo di criticità di una struttura moltiplicante e l’evoluzione nel tempo della popolazione neutronica in diversi scenari di interesse per i reattori nucleari a fissione; - classificare e descrivere il funzionamento dei principali sistemi e componenti dell’impianto nucleare, confrontando diverse soluzioni impiantistiche, e riassumere il ciclo del combustibile nucleare; - valutare correttamente le prestazioni dell'impianto e il contributo energetico del combustibile nucleare.

Elementi di ingegneria nucleare

At the end of the course students should reach the following objectives: - to know the physical phenomena of nuclear fission and fusion reactors; - to know the mathematical models for the study of the physics of fission reactors and to be able to carry out simple numerical applications; - to know how the plant main systems and components operate and to be able to correctly predict the plant performance and energy contribution of the nuclear fuel.

Elementi di ingegneria nucleare

Per la corretta fruizione dell’insegnamento, sono necessarie le conoscenze acquisite nei corsi di base di matematica, fisica, termofluidodinamica e termodinamica applicata.

Elementi di ingegneria nucleare

Basic courses in mathematics, physics and applied thermodynamics.

Elementi di ingegneria nucleare

Durante l’insegnamento verranno trattati i seguenti argomenti: 1. Breve storia dell’energia nucleare; la produzione di energia nucleare nel contesto energetico mondiale. Cenni al ciclo del combustibile nucleare. 2. Introduzione alla fisica nucleare: difetto di massa; radioattività; reazioni indotte dai neutroni e fissione nucleare; energia di fissione; sezioni d’urto. 3. Fondamenti delle interazioni tra la radiazione e la materia: effetti biologici delle radiazioni e concetto di dose. 4. La legge di Fick e la teoria della diffusione neutronica. 5. La teoria della criticità; il progetto neutronico del reattore omogeneo e la formula dei quattro fattori; i sistemi iniettati da sorgenti neutroniche esterne. 5. Moderazione dei neutroni; il reattore eterogeneo; bilancio e scelta dei materiali; rateo di fissione e potenza del reattore; rapporto di conversione e reattori veloci; scelta del rapporto volume di moderatore/combustibile nei reattori termici. 6. Impiantistica nucleare: tipologia e classificazione delle centrali nucleari. 7. Reattori ad acqua leggera. Reattori ad acqua pressurizzata (PWR): layout e descrizione dei componenti del circuito primario; vessel; contenitore di sicurezza; cenni al layout dei BWR e degli RBMK. 8. Calcoli energetici: termoidraulica del reattore; burn-up e consumo di uranio naturale; bilancio annuale dei materiali e dell’energia di un LWR. 9. La dinamica dei reattori nucleari; il modello di cinetica puntiforme e il ruolo dei neutroni ritardati; l’evoluzione del combustibile e la trasmutazione. 10. Funzionamento di un impianto nucleare: controllo del reattore; cenno ai sistemi di funzionamento normale e di emergenza. 11. Concetti alla base della sicurezza degli impianti nucleari; incidenti rilevanti (Three Mile Island e Chernobyl). 12. Ciclo del combustibile nucleare e tecnologie per l’arricchimento. 13. Cenni sui reattori innovativi. 14. Introduzione alla fisica e all’ingegneria dei reattori a fusione.

Elementi di ingegneria nucleare

1. Nuclear power plants: a short history of nuclear energy; the production of nuclear energy in the global world energy context. Basic aspects of the nuclear fuel cycle. 2. Mass defect; radioactivity and dose; introduction to nuclear physics; reactions induced by neutrons; nuclear fission; energy from fission; cross sections; energy calculations and fuel consumption; burn-up and consumption of natural uranium. 3. The nuclear chain reaction; Fick’s and the theory of neutron diffusion; criticality theory; systems driven by a neutron source. 4. Neutron moderation; the four factors formula; the control of the reactor; choice of materials; rate of fission and reactor power; conversion ratio and fast reactors; choice of the moderation ratio in thermal reactors 5. Detailed energy calculation; annual evaluation of materials and energy of a LWR; main components of a reactor; layout of a power plant; classification of nuclear reactors. 6. Different types of nuclear plants. Light water reactors. Pressurized water reactors: description of the components of the primary loop; vessel; secondary loop; containment building; basics of normal and emergency systems; pumps and valves. 7. Introduction to the physics and engineering of fusion reactors.

Elementi di ingegneria nucleare

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Elementi di ingegneria nucleare

Il corso comprende circa 60 ore di lezione, in cui vengono presentati gli argomenti teorici, e esercitazioni in aula, in cui le applicazioni numeriche vengono proposte e discusse. In particolare, circa 15 ore di esercitazioni riguardano la fisica del reattore (svolte a squadre separate) e circa 5 ore gli argomenti di impiantistica nucleare (a singola squadra).

Elementi di ingegneria nucleare

The course includes lessons, in which the theory is presented, and exercise sessions, in which numerical applications are proposed and discussed. An exercise session on the use of a core design computational code (RAPID) is foreseen, to be necessarily carried out in person.

Elementi di ingegneria nucleare

- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Università di Pisa, 1980. - J. R. Lamarsh, Introduction to nuclear reactor theory, ANS, 2002. - R. Murray, Nuclear energy, Butterworth-Heinemann, 2014. - Slides e appunti dei docenti. Per approfondimenti: - C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, 2004 - M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Università La Sapienza, 2008. - B. Panella, Reattori Nucleari ad Acqua Leggera – Termoidraulica del Nocciolo. Grafica Nuova, Torino, 1981. Di tutti gli esercizi proposti nelle esercitazioni verrà fornito lo svolgimento completo circa una settimana dopo l’esercitazione stessa.

Elementi di ingegneria nucleare

- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Università di Pisa, 1980. - J. R. Lamarsh, Introduction to nuclear reactor theory, ANS, 2002. - C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, 2004 - M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Università La Sapienza, 2008. - R. Murray, Nuclear energy, Butterworth-Heinemann, 2014. - Study notes by teachers.

Elementi di ingegneria nucleare

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Elementi di ingegneria nucleare

E’ previsto un esame scritto, costituito da due parti successive da svolgersi contestualmente, in cui si richiede allo studente di rispondere a domande sugli argomenti trattati nel corso e di svolgere calcoli applicativi. Nello specifico: PARTE A: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata alla fisica del reattore (durata: 1 h). PARTE B: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata agli impianti e risposta a due domande aperte ma con spazio limitato sugli impianti nucleari a fissione e a fusione (durata: 1 h). La valutazione finale è ottenuta come media, arrotondata all'intero superiore, delle due parti, sotto condizione che una valutazione minima di 15/30 sia ottenuta su ognuna delle due parti.

Elementi di ingegneria nucleare

Exam: Written test;

Elementi di ingegneria nucleare

The course is concluded by a written exam, in which the student is requested to answer questions on the topics of the course and to carry out simple numerical applications. The utilization of the code illustrated during lecture (RAPID) and a report on the activity performed contributes up to 2 additional points to the final grade.

Elementi di ingegneria nucleare

Modalità di esame: Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

E’ previsto un esame scritto, costituito da due parti successive da svolgersi contestualmente, in cui si richiede allo studente di rispondere a domande sugli argomenti trattati nel corso e di svolgere calcoli applicativi. Nello specifico: PARTE A: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata alla fisica del reattore (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online). PARTE B: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata agli impianti e risposta a due domande aperte ma con spazio limitato sugli impianti nucleari a fissione e a fusione (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online). Le fotografie o scansioni in alta definizione dei fogli scritti devono essere caricate, alla fine dell'esame, nella sezione "Elaborati" del portale del corso e verranno verificati per consistenza con gli snapshot presenti nel quiz prima della correzione. La valutazione finale è ottenuta come media, arrotondata all'intero superiore, delle due parti, sotto condizione che una valutazione minima di 15/30 sia ottenuta su ognuna delle due parti.

Elementi di ingegneria nucleare

Exam: Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

The course is concluded by a written exam, subdivided into two parts to be carried out in the same exam session, in which the student is requested to answer questions on the topics of the course and to carry out numerical applications. Specifically: PART A: one exercise on the reactor physics part (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz) PART B: one exercise on the nuclear plant part and two questions on topics related to fission and fusion nuclear systems (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz) At the end of the quiz, all papers have to be scanned with high resolution and uploaded in the section "Elaborati" of the course web-site, and will be compared for consistency with the quiz snapshot before being graded. The final grade is obtained as average of the two parts, rounded to the upper integer, under the condition that a minimum grade of 15/30 is obtained on both parts. The utilization of the code illustrated during the exercise lecture (RAPID) and a report on the activity performed contributes up to 2 additional points to the final grade.

Elementi di ingegneria nucleare

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

E’ previsto un esame scritto, costituito da due parti successive da svolgersi contestualmente, in cui si richiede allo studente di rispondere a domande sugli argomenti trattati nel corso e di svolgere calcoli applicativi. Nello specifico: PARTE A: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata alla fisica del reattore (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online nel caso di esame da remoto). PARTE B: svolgimento di un esercizio relativo alla parte di programma legata agli impianti e risposta a due domande aperte ma con spazio limitato sugli impianti nucleari a fissione e a fusione (durata: 1 h + 10m per fare gli snapshot dei fogli scritti all'interno del quiz online nel caso di esame da remoto). Nel caso di esami da remoto: le fotografie o scansioni in alta definizione dei fogli scritti devono essere caricate, alla fine dell'esame, nella sezione "Elaborati" del portale del corso e verranno verificati per consistenza con gli snapshot presenti nel quiz prima della correzione. La valutazione finale è ottenuta come media, arrotondata all'intero superiore, delle due parti, sotto condizione che una valutazione minima di 15/30 sia ottenuta su ognuna delle due parti.

Elementi di ingegneria nucleare

Exam: Written test; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus);

Elementi di ingegneria nucleare

The course is concluded by a written exam, subdivided into two parts to be carried out in the same exam session, in which the student is requested to answer questions on the topics of the course and to carry out numerical applications. Specifically: PART A: one exercise on the reactor physics part (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz if the exam is carried out remotely) PART B: one exercise on the nuclear plant part and two questions on topics related to fission and fusion nuclear systems (duration: 1 h + 10m for the snapshot of the papers to be attached in the online quiz if the exam is carried out remotely) In the case of remote exam: at the end of the quiz, all papers have to be high-quality scanned and uploaded in the section "Elaborati" of the course web-site, and will be compared for consistency with the quiz snapshot before being graded. The final grade is obtained as average of the two parts, rounded to the upper integer, under the condition that a minimum grade of 15/30 is obtained on both parts. The utilization of the code illustrated during the exercise lecture (RAPID) and a report on the activity performed contributes up to 2 additional points to the final grade.

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