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 e i design di reattori a fissione di quarta generazione, così come i fondamenti del ciclo del combustibile nucleare e i principi del decommissioning delle centrali nucleari. 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.

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, anche rispetto alle specificità dei reattori di quarta generazione; - riassumere il ciclo del combustibile nucleare e gli aspetti di base del decommissioning; - valutare correttamente le prestazioni dell'impianto e il contributo energetico del combustibile nucleare.

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

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 di quarta generazione. 14. Aspetti di base del decommissioning degli impianti nucleari. 15. Introduzione alla fisica e all’ingegneria dei reattori a fusione.

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).

- 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.

Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

Exam: Written test;

... 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.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.