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 è 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, più limitatamente, dei reattori a fusione nucleare. Sono inoltre illustrati i modelli più semplici per lo studio della fisica dei reattori a fissione.

- Conoscenza dei principali fenomeni fisici alla base del funzionamento dei reattori nucleari a fissione e fusione;
- Conoscenza di alcuni dei più semplici modelli matematici per lo studio della fisica dei reattori a fissione e capacità di applicarli;
- Conoscenza della struttura e del funzionamento dei principali sistemi e componenti di un impianto nucleare a fissione e, piu’ limitatamente, a fusione.

Corsi di base di matematica, fisica e termofluidodinamica

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; 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 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 criticità; 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.

Il corso comprende lezioni, in cui viene presentata la teoria, ed esercitazioni, in cui vengono svolte e discusse semplici applicazioni numeriche.

- B. Montagnini, Lezioni di fisica del reattore, Università 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

E’ previsto un esame scritto, in cui si richiede allo studente di rispondere a domande sugli argomenti trattati nel corso e di svolgere semplici calcoli applicativi.
La durata della prova scritta sarà al massimo di 2,5 h