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Fondamenti di ingegneria nucleare

03MUTMK

A.A. 2018/19

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 75
Esercitazioni in aula 25
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Ravetto Piero Docente esterno e/o collaboratore   39 18 0 0 7
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/18
ING-IND/19
5
5
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
Ingegneria nucleare
Ingegneria nucleare
2018/19
Per quanto l?Italia abbia detto no alle centrali nucleari a fissione nel referendum del 2011, la fonte nucleare resta a livello mondiale un ingrediente essenziale del cosiddetto energy mix, se si vogliono garantire gli obiettivi ambientali legati al contenimento dell?aumento di temperatura di origine antropica entro limiti accettabili. Inoltre, la fusione nucleare costituisce potenzialmente una fonte energetica quasi pulita e sostanzialmente inesauribile. Lo scopo del corso e quindi di fornire agli studenti una introduzione alla ingegneria nucleare, dal punto di vista sia fisico sia impiantistico, descrivendo la struttura e le caratteristiche funzionali dei principali componenti degli impianti a fissione e, piu limitatamente, dei reattori a fusione nucleare. Sono inoltre illustrati i modelli piu semplici per lo studio della fisica dei reattori a fissione.
The scope of the course is to give the students the fundamentals of the physics of nuclear systems for the production of energy, as well as an introduction to nuclear engineering. The simplest models for the study of fission reactors and some basic aspects on the process of nuclear fusion are illustrated. The course aim is also to give the students the basic knowledge and the functional characteristics of the nuclear power plants: the plant main components and the nuclear fuel in the different reactor types, including the fusion reactors, are illustrated.
- Conoscenza dei principali fenomeni fisici alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione e fusione; - Conoscenza di alcuni dei piu semplici modelli matematici per lo studio della fisica dei reattori a fissione e capacita di applicarli; - Conoscenza della struttura e del funzionamento dei principali sistemi e componenti di un impianto nucleare a fissione e, piu? limitatamente, a fusione.
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.
Corsi di base di matematica, fisica e termofluidodinamica
Basic courses in mathematics, physics and applied thermodynamics.
1. Breve storia dell?energia nucleare. 2. Introduzione ?motivazionale? all?impiantistica dei reattori a fissione nucleare. Analisi degli scenari energetici del World Energy Outlook (WEO) e ruolo presente e futuro della fonte nucleare per il raggiungimento degli obiettivi ambientali. 3. Difetto di massa; radioattivita e dose; introduzione alla fisica nucleare; reazioni indotte dai neutroni e fissione nucleare; energia di fissione; sezioni d?urto; calcoli energetici e consumo di combustibile nucleare; burn-up e consumo di uranio naturale; cenni al ciclo del combustibile nucleare. 4. La reazione nucleare a catena; la legge di Fick e la teoria della diffusione neutronica; teoria della criticita; sistemi alimentati da sorgenti neutroniche. 5. Moderazione dei neutroni; formula dei quattro fattori; il controllo del reattore; 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. Tipologia delle centrali nucleari. Reattori ad acqua leggera. Reattori ad acqua pressurizzata (PWR): descrizione del core e dei componenti del circuito primario; pressure vessel; circuito secondario; contenitore di sicurezza; emergency core cooling system (ECCS). 7. Le principali paure e preoccupazioni legate alla fonte nucleare: radiazioni; sicurezza; scorie; proliferazione. 8. Prospettive future per gli impianti nucleari a fissione: Generation IV; reattori veloci autofertilizzanti (breeder); SMR. 9. Introduzione alla fisica e all?ingegneria dei reattori a fusione.
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.
Il corso comprende lezioni, in cui viene presentata la teoria, ed esercitazioni, in cui vengono svolte e discusse semplici applicazioni numeriche.
The course includes lessons, in which the theory is presented, and exercise sessions, in which numerical applications are proposed and discussed.
- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Universita di Pisa, 1980. - R. L. Murray, K. E. Holbert, ?Nuclear Energy - An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications of Nuclear Processes?, 7th ed., Butterworth-Heinemann, 2015
- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Universita di Pisa, 1980. - C. Lombardi, Impianti nucleari, Citta Studi, 2004 - M. Cumo, Impianti nucleari. Casa Editrice Universita La Sapienza, 2008. - Study notes by teachers.
Modalita di esame: Prova scritta (in aula);
La valutazione viene effettuata mediante un esame scritto finalizzato ad accertare che lo studente conosca i fondamenti fisici della generazione di energia da fonte nucleare, i principi di funzionamento dei reattori a fissione e fusione e gli aspetti piu rilevanti dell?impiantistica nucleare. La prova si articola in due parti. Nella prima parte si richiede allo studente di risolvere un problema di fisica dei reattori nucleari a fissione e di effettuare semplici calcoli numerici relativi al problema svolto. Per questa parte della prova lo studente puo usare il materiale didattico che ritiene utile (libri, appunti, ?). Nella seconda parte lo studente deve svolgere un esercizio numerico riguadante la parte del corso dedicata agli impianti nucleari a fissione. E inoltre richiesto di rispondere a domande aperte riguardanti gli impianti nucleari a fissione e la fusione nucleare. Per questa seconda parte non e ammesso l?utilizzo di materiale didattico di alcun tipo. Il voto finale sara determinato dalla media aritmetica dei voti assegnati a ciascuna delle due parti. Per superare l?esame lo studente deve acquisire una valutazione complessiva di almeno 18/30, avendo totalizzato contestualmente almeno 15/30 in ciascuna parte. La durata della prova scritta sara al massimo di 2,5 ore.
Exam: Written test;
The evaluation is carried out through a written exam that intends to verify that the student knows the physical fundamentals of the energy generation by nuclear source, the principles of operation of fission and fusion reactors and the most relevant aspects of nuclear plant engineering. The exam is subdivided in two parts. In the first part the student has to solve a problem in the physics of fission reactors and to perform simple numerical calculations concerning the problem itself. The student can use any useful didactic material (books, personal notes, ...) In the second part the student has to solve a numerical exercise concerning the part of the course devoted to nuclear fission plants. It is also required that he answers some open questions related to fission and fusion plant engineering. For this part, the student cannot use any type of didactic material. The final mark is determined by the arithmetic mean of the grades assigned to each one of the two parts. To pass the exam the student must obtain a global evaluation larger or equal to 18/30, provided the evaluation of each part is at least 15/30. The duration of the exam is at most 2.5 hours.
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