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Problematiche di sicurezza nella produzione di idrogeno mediante impianti HTR

Informazioni tesi

  Autore: Guglielmo Lomonaco
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2003-04
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria industriale
  Relatore: Marco Carcassi
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 88

Dato il continuo aumento della popolazione e quindi della domanda di energia mondiale sono divenute sempre più importanti negli ultimi anni le preoccupazioni inerenti i rifornimenti energetici e l’impatto ambientale antropogenico. In tal senso appare evidente che l’opzione nucleare potrà contribuire significativamente alla risoluzione del problema. Negli ultimi anni l'idrogeno ha focalizzato l’attenzione della comunità scientifica nella produzione energetica. Si deve però sempre ricordare che l’idrogeno è un vettore energetico e non una fonte di energia. Esso deve, pertanto, essere ricavato da qualche altra fonte primaria. Attualmente il sistema più diffuso prevede il ricorso ai combustibili fossili, in particolare al metano. Dato il basso prezzo attuale di quest’ultimo, l’idrogeno attualmente viene prodotto principalmente per questa via (steam reforming). Tale fonte non è però rinnovabile, emette importanti quantitativi di emissioni di gas serra (circa 10 g per g di H2), ed inoltre che per l’Italia non contribuisce al raggiungimento dell’indipendenza energetica e della diversificazione delle fonti. In tal senso il reattore nucleare ad alta temperatura (HTR) può fornire un significativo aiuto in quanto fonte di calore ad alta temperatura, a buon prezzo ed esente da emissioni di gas serra (si ricordi che attualmente circa il 45% del metano utilizzato nello steam reforming viene usato per produrre il calore necessario alla reazione). Ancor più interessanti in tal senso si rivelano i processi termochimici. Particolarmente interessante è il processo I-S, che consiste nello scindere l’acqua nei suoi componenti fondamentali a temperature notevolmente più basse (< 1000°C) di quanto avviene durante la termolisi, con conseguente semplificazione nella scelta dei materiali ed economizzazione del processo. I reagenti sono tutti allo stato fluido e vengono completamente riciclati, quindi tale processo non presenta problemi legati all’emissione di effluenti dannosi. Il rendimento dipende dalla massima temperatura del ciclo: quello teorico è superiore al 40%. Il prezzo attualmente stimato dell’idrogeno così prodotto si aggira intorno a 1.3 €/Kg, più caro di quello prodotto per steam reforming (0.8 €/Kg). Tuttavia bisogna ricordare che il gas naturale ha subito notevoli variazioni di prezzo negli anni, e che secondo alcune stime il suo prezzo continuerà a crescere. Se inoltre le preoccupazioni ambientali in merito al riscaldamento globale legato in particolare alle emissioni di CO2 prevarranno (carbon tax) il prezzo dell’idrogeno prodotto col processo I-S potrebbe nel breve periodo essere paragonabile a quello prodotto con i sistemi attuali. Nell'ambito del presente lavoro si è preso in considerazione l'apparato sperimentale usato dalla JAERI per svolgere un'analisi preliminare di sicurezza mirante alla determinazione dei punti critici dello stesso. In seguito sono state anche considerate le conseguenze di alcune ipotetiche sequenze incidentali. Non si è tenuto conto dei sistemi di sicurezza previsti in quanto non è stato possibile rintracciarne una descrizione quantitativa e qualitativa sufficientemente accurata. Da questa preliminare analisi sono comunque emerse alcune considerazione significative. In particolare non ci sono ripercussioni dal punto di vista della sicurezza del mancato funzionamento della parte chimica dell'impianto sulla parte nucleare; non è vero l'opposto in quanto l'assenza o la variazione dei parametri del calore fornito dal reattore potrebbero causare un cattivo funzionamento dei componenti della parte chimica. Gli effetti potenziali più pericolosi per gli operatori e la popolazione sono legati alla formazione di una nube tossica o di una esplosiva. In conclusione già per un impianto sperimentale di piccola taglia come quello considerato esistono sequenze incidentali potenzialmente pericolose di cui tener conto nella fase di progettazione dei sistemi di sicurezza; tali problematiche risulteranno essere inevitabilmente accentuate per impianti di taglia maggiore e di natura commerciale. I risultati ottenuti in questo lavoro possono fornire alcune indicazioni riguardo ai componenti più "critici" ed alle sequenze incidentali più rischiose. In futuro sarà quindi necessario un ulteriore impegno nel campo della ricerca e dello sviluppo per giungere a sistemi di produzione economicamente e tecnicamente competitivi. L'affermarsi di questa tecnologia, se si tengono ben presenti i suoi limiti intrinseci, è sicuramente una delle più affascinanti e stimolanti prospettive nell'ottica di uno sviluppo della nostra società veramente sostenibile sia dal punto di vista ambientale che sociale. L’energia del futuro, quella a cui bisogna giungere per garantire la sopravvivenza della civiltà umana nell’attuale prospettiva tecnologica, deve essere non nociva, inesauribile o completamente rinnovabile, ma soprattutto disponibile sempre e ovunque nel mondo, immune ai monopoli nazionali ed alle dispute politiche.

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Glossario AAPN: Associazione Ambientalisti Per il Nucleare ADS: Accelerator Driven System ALI: Annual Limit of Intake ANL: Argonne National Laboratory ANPA: Agenzia Nazionale per la Protezione Ambientale AVR: Arbeitsgemeinschaft Versuch Reaktor BISO: CP con doppio rivestimento BLCBE: Boiling Liquid Compressed Boil Explosion BLEVE: Boiling Liquid Expansion Vapour Explosion BOL: Begin Of Life BWR: Boiling Water Reactor CARL: CAlculation Radiotoxicities Lifetime CEA: Commissariat a l'Energie Nucléaire CFC: Cloro-Fluoro-Carburi CP: Coated Particle DDT: Deflagration Detonation Transition DIMNP: Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione DOE: Department Of Energy DPR: Decreto del Presidente della Repubblica italiana EC: European Community ENEA: Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente EPA: Environmental Protection Agency GA: General Atomics FE: Fuel Element FMEA: Failure Mode Effect Analysis FP: Fission Products FZJ: Forschungszentrum Jülich GCR: Gas Cooled Reactor GT-MHR: Gas Turbine - Modular Helium Reactor HAZOP: HAZard OPerability HEU: High Enriched Uranium HTGR: High Temperature Gas Reactor HTR: High Temperature Reactor HTR-10: High Temperature Reactor 10 MW HTR-L: Progetto EC sul Licensing degli HTR HTR-N: Progetto EC sulla Neutronica degli HTR HTTR: High Temperature engineering Test Reactor IAEA: International Atomic Energy Agency IEA: International Energy Agency ICRP: International Commission on Radiological Protection IS: Iodine Sulphur IHX: Intermediate Heat Exchanger INET: Institute for Nuclear Energy Technology JAERI: Japanese Atomic Energy Research Institute JRC: Joint research Centre LANL: Los Alamos National Laboratory LEU: Low Enriched Uranium LH 2 : Liquid Hydrogen

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