Lo scopo del corso è di fornire agli studenti i fondamenti della fisica dei sistemi nucleari per la produzione di energia, nonché una introduzione alla ingegneria nucleare. Sono illustrati i modelli più semplici per lo studio dei reattori a fissione e alcune nozioni di base sul processo di fusione nucleare. L'obiettivo del corso è anche quello di fornire agli studenti le conoscenze di base e le caratteristiche funzionali delle centrali nucleari: sono illustrati i principali componenti di impianto e il combustibile nucleare nei diversi tipi di reattori, inclusi i reattori a fusione.

Alla fine del corso gli studenti dovrebbero raggiungere i seguenti obiettivi: - conoscere i fenomeni fisici alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione e fusione; - conoscere i modelli matematici per lo studio della fisica dei reattori a fissione ed essere in grado di effettuare applicazioni numeriche semplici; - conoscere il funzionamento dei principali sistemi e componenti dell’impianto nucleare ed essere in grado di valutare correttamente le prestazioni dell'impianto e il contributo energetico del combustibile nucleare.

Corsi di base di matematica, fisica e termodinamica applicata

1. Centrali nucleari: breve storia dell’energia nucleare; la produzione di energia nucleare nel contesto energetico mondiale. Cenni al ciclo del combustibile nucleare. 2. Difetto di massa; radioattività 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; burn-up e consumo di uranio naturale. 3. La reazione nucleare a catena; la legge di Fick e la teoria della diffusione neutronica; teoria della criticità; sistemi iniettati da sorgenti neutroniche. 4. 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. 5. Calcolo energetico dettagliato; bilancio annuale dei materiali e dell’energia di un LWR; componenti principali di un reattore; layout di una centrale di potenza; classificazione dei reattori nucleari. 6. Tipologia delle centrali nucleari. Reattori ad acqua leggera. Reattori ad acqua pressurizzata: descrizione dei componenti del circuito primario; vessel; circuito secondario; contenitore di sicurezza; cenno ai sistemi di funzionamento normale e di emergenza; pompe e valvole. 7. Introduzione alla fisica e all’ingegneria dei reattori a fusione.

Il corso comprende lezioni, in cui vengono presentate la teoria, e esercitazioni, in cui le applicazioni numeriche vengono proposte e discusse. E' prevista inoltre una specifica esercitazione sull'utilizzo di un software per il design di nocciolo di un reattore nucleare (RAPID), per la quale la didattica in presenza è necessaria.

- 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. - Appunti dei docenti.

Modalità di esame: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

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 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. Lo svolgimento (facoltativo) di un esercizio aggiuntivo con l'utilizzo del software presentato ad esercitazione (RAPID) e relativa relazione contribuisce fino ad un massimo di 2 punti alla valutazione finale.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

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 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. Lo svolgimento (facoltativo) di un esercizio aggiuntivo con l'utilizzo del software presentato ad esercitazione (RAPID) e relativa relazione contribuisce fino ad un massimo di 2 punti alla valutazione finale.