Il corso, che è articolato in moduli, si propone di fornire allo studente le conoscenze di base sulla fisica nucleare e sui principi fisici di funzionamento dei sistemi nucleari per la produzione di energia, sulle prestazioni energetiche del combustibile nucleare e sulle soluzioni impiantistiche delle centrali nucleari. Vengono illustrati i principi fisici e i modelli più semplici per lo studio dei reattori a fissione e dati alcuni cenni sui principi fisici dei processi di fusione nucleare.
Il corso comprende le lezioni, in cui vengono esposti gli argomenti teorici, e le esercitazioni, nelle quali vengono presentate alcune applicazioni numeriche, affrontate anche mediante l’uso del calcolatore.

Al termine del corso gli allievi devono aver raggiunto i seguenti obiettivi:
- conoscere i fenomeni fisici che sono alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione;
- conoscere i modelli matematici di base per lo studio della fisica di tali sistemi e saper impostare semplici applicazioni numeriche,
- conoscere le caratteristiche funzionali delle centrali nucleari per la produzione di energia elettrica, i principali sistemi e componenti.

Corsi di matematica, fisica e termodinamica.

1) Brevi richiami dei modelli atomici ed evidenze sperimentali dell'esistenza del nucleo. Principio di equivalenza tra massa ed energia. Fotoni e onde di materia. Cinematica, dinamica e leggi di conservazione in reazioni nucleari, evidenze sperimentali ed applicazioni.
2) Sezione d'urto totale e differenziale. Dimensione, forma e densità del nucleo, evidenze sperimentali.
3) Stabilità del nucleo, energia di legame nucleare, formula semiempirica di massa, modello a goccia. Proprietà delle forze nucleari.
4) Reazioni nucleari provocate dai neutroni, sezioni d’urto, fissione e fusione nucleare, fenomeni radioattivi; interazione dei neutroni con la materia;
5) Diffusione dei neutroni; principi fisici del funzionamento di un reattore nucleare a fissione, reazione a catena e teoria della criticità; reattori critici e sottocritici; formula dei quattro fattori; funzionamento stazionario e transitorio, fondamenti di dinamica dei reattori;
6) Centrali nucleari: breve storia dell’energia nucleare; la produzione di energia nucleare nel contesto energetico mondiale.
7) Calcoli energetici e consumo di combustibile; burnup e consumo di uranio naturale; il controllo del reattore; moderazione dei neutroni; 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; calcolo energetico dettagliato per un PWR.
8) Componenti principali di un reattore; layout di una centrale di potenza; classificazione dei reattori nucleari. Reattori ad acqua naturale: reattori ad acqua pressurizzata; descrizione dei componenti del circuito primario; circuito secondario e condensatore; contenitore di sicurezza; cenno ai sistemi di funzionamento normale e di emergenza. Pompe e valvole.
9) Cenni ai principi di funzionamento delle macchine per la fusione nucleare.

Verranno svolte alcune applicazioni numeriche degli argomenti trattati nelle lezioni.

- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore nucleare, Università di Pisa, Pisa, 1980.
- C. Lombardi, Impianti nucleari, Città Studi, Milano, 2004.
- M. Cumo, Impianti nucleari, Casa Editrice Università La Sapienza, Roma, 2008.
- Dispense fornite dai docenti.

L’esame comprende una prova scritta per la parte di fisica nucleare e una prova scritta seguita da una prova orale per la parte rimanente.