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INGEGNERIA NUCLEARE

Corso di laurea magistrale

Piano di Studi


Primo anno

  • Materiali nucleari (6 cfu)

    • Classificazione funzionale dei materiali utilizzati nella realizzazione degli impianti nucleari.
      Individuazione dei requisiti di impiego per le varie classi funzionali, con riferimento alle situazioni di normale esercizio, transitorie e incidentali di tutti i livelli.
      Analisi comparativa e criteri di selezione dei materiali all’interno di ciascuna classe.
      Analisi dei processi di produzione e di qualificazione dei materiali nucleari.
      Criteri di analisi del comportamento dei materiali nelle filiere più significative.
  • Fisica e modelli numerici per reattori nucleari (12 cfu)

    • Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base sui fenomeni di trasporto nel nocciolo di un reattore nucleare, con riferimento agli aspetti neutronici statici e dinamici rilevanti per la progettazione. Il corso ha anche lo scopo di fornire la padronanza degli strumenti matematici e numerici alla base dei calcoli di nocciolo, descrivendo le teorie di base (diffusione e trasporto) con riferimento ad aspetti multifisici di termoidraulica e CFD.
      Modulo di Fisica del Reattore
      Gli argomenti trattati in questo modulo prevedono:
      - brevi richiami di fisica nucleare e sulla interazione dei neutroni con la materia; definizione delle sezioni d’urto; l’effetto Doppler;
      - equazione di continuità, legge di Fick ed equazione della diffusione; analisi in diffusione dell’esperienza pulsata in diverse geometrie; analisi di problemi stazionari con sorgente; definizione della funzione di Green; fattore di utilizzazione termica, f;
      - studio del rallentamento dei neutroni in mezzo infinito senza e con assorbimento; il fattore di sfuggita alla cattura di risonanza, p; il fattore di moltiplicazione veloce ';
      - l’equazione della diffusione dipendente dall’energia; la teoria dell’età di Fermi; le equazioni della diffusione a più gruppi energetici;
      - definizione di costante di moltiplicazione; analisi del reattore critico (teoria ad un gruppo, dipendente dal tempo, ma con soli neutroni pronti, e teoria basata sulla equazione stazionaria); criticità a più gruppi;
      - teoria del riflettore; problema della barra di controllo (cenno alla teoria delle perturbazioni); avvelenamento da Xe e Sm;
      - i neutroni ritardati; la teoria cinetica del reattore omogeneo in età-diffusione;
      - elementi introduttivi sul metodo Monte Carlo.
      Esercitazioni: utilizzo di un codice Monte Carlo opensource per il calcolo di alcune grandezze fondamentali della fisica dei reattori.
      Modulo di Modelli Numerici
      L’obiettivo principale del modulo è fornire agli studenti le conoscenze e le abilità di base per sviluppare ed utilizzare consapevolmente modelli numerici e codici di calcolo per la neutronica, unendo ad essa aspetti multifisici di termoidraulica e CFD. Gli argomenti trattati riguardano:
      - le equazioni differenziali a derivate parziali della fisica matematica e la loro classificazione;
      - le equazioni della diffusione e del trasporto dei neutroni, per problemi stazionari e di cinetica;
      - le equazioni di bilancio della termoidraulica e della CFD;
      - le tecniche principali di discretizzazione numerica (differenze, finite, volumi finiti, elementi finiti, metodi coarse-mesh) e le proprietà dei metodi numerici ottenuti;
      - gli algoritmi risolutivi utilizzati da alcuni dei codici esistenti per la diffusione ed il trasporto dei neutroni (Pn, probabilità di collisione e Sn), la termoidraulica e la CFD;
      - esercitazioni con codici di calcolo in-house e/o con codici in uso nel settore nucleare.
  • Meccanica strutturale e costruzioni nucleari (12 cfu)

  • Principi fisici dell'ingegneria nucleare (6 cfu)

    • Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze fisiche di base necessarie per affrontare corsi più specifici nell’ambito dell'ingegneria e tecnologia nucleare. Al termine del corso l’allievo deve aver acquisito i fondamentali concetti di relatività, fisica atomica e nucleare che verranno poi richiamati ed utilizzati nei corsi successivi della laurea magistrale in Ingegneria Nucleare. Il corso si articola sui seguenti argomenti: relatività ristretta; fisica atomica con elementi di meccanica quantistica e struttura della materia; fisica nucleare, decadimento radioattivo e sorgenti di radiazione; interazioni delle radiazioni con la materia; introduzione alla statistica e semplici esercizi di laboratorio.
  • Impianti nucleari I (6 cfu)

    • Obiettivi fondamentali del corso sono:
      - dare allo studente la capacità di comprendere e utilizzare a pieno i principi fondamentali dell'ingegneria nucleare;
      - fornire una panoramica riguardo agli impianti nucleari attualmente in funzione nel mondo con informazioni relative alla generazione dei costi per la produzione di elettricità per mezzo dell’energia nucleare;
      - presentare i concetti fondamentali riguardo allo scambio termico per ebollizione ed al flusso bifase al fine di comprendere i fenomeni alla base della generazione di potenza e della sua conversione in un impianto nucleare;
      - introdurre, oltre che le principali filiere ad acqua leggera (LWR), anche le altre tipologie di impianto a fissione (HWR, GCR, Liquid Metal Fast Breeder);
      - illustrare le caratteristiche dei principali componenti interni al vessel dei reattori nucleari PWR e BWR;
      - ciclo del combustibile nucleare in vessel.
  • Misure nucleari (6 cfu)

    • Questo corso illustra gli strumenti e i metodi usati nelle misure dei campi di radiazioni ionizzanti. Gli argomenti trattati nel corso sono le sorgenti e le caratteristiche delle radiazioni ionizzanti, i meccanismi di interazione tra radiazioni e materia, i metodi di rivelazione con particolare attenzione alle misure nel settore elettronucleare, nelle applicazioni mediche e industriali.
      Le lezioni teoriche sono accompagnate da esercitazioni di laboratorio che consentono agli studenti di osservare alcune caratteristiche fondamentali di rivelatori, dosimetri e spettrometri di radiazioni, nonché della statistica di conteggio.
      Obiettivi didattici
      - Comprendere le interazioni delle radiazioni, con particolare attenzione alle interazioni dei neutroni.
      - Apprendere i principi di progettazione dei vari rivelatori di radiazione e le loro caratteristiche operative.
      - Apprendere le tecniche di spettroscopia delle radiazioni e le loro applicazioni.
      - Comprendere la natura statistica delle misure di radiazione e la statistica di conteggio.
      - Imparare a scegliere le tecniche idonee per le misure presso reattori nucleari ed acceleratori di particelle, nonché per verificare le salvaguardie nucleari e per contrastare il contrabbando di materiali nucleari.
  • Termoidraulica e ingegneria del nocciolo (12 cfu)

    • : 1) Criteri per il progetto dei sistemi di emergenza (ECCS) nei reattori nucleari refrigerati ad acqua. 2) Aspetti rilevanti nella progettazione termoidraulica degli impianti nucleari. 3) Scambio di calore per conduzione e progettazione termoidraulica delle barrette di combustibile. 4) Modelli per la valutazione di aspetti termoidraulici di progetto e di sicurezza negli impianti nucleari. 5) Fenomeni termoidraulici nell’analisi degli incidenti negli impianti nucleari. 6) La circolazione naturale. 7) Analisi termoidraulica di incidenti in impianti nucleari.
  • Secondo anno

  • Radioprotezione (6 cfu)

    • Questo corso copre i principi e gli obiettivi fondamentali della radioprotezione (fisica sanitaria), le grandezze dosimetriche utilizzate per stimare il rischio radiologico per gli essere umani, i calcoli di base delle schermature e le altre misure di protezione radiologica negli ambienti lavorativi, la descrizione e l’utilizzo corretto della strumentazione radioprotezionistica, gli aspetti normativi ed i requisiti amministrativi dei programmi radioprotezionistici in generale ed in particolare per i settori elettronucleare, e per le attività industriali e mediche.
      Obiettivi didattici
      - Riconoscere le varie sorgenti di radiazioni, le modalità di esposizione ed i rischi connessi.
      - Acquistare familiarità con la strumentazione usata in radioprotezione.
      - Comprendere gli aspetti fondamentali delle esposizioni alle radiazioni, delle tecniche radioprotezionistiche e di schermatura.
      - Apprendere a valutare le esposizioni alle radiazioni ed i rischi associati.
      - Apprendere gli standard, le linee guida e le raccomandazioni della radioprotezione.
  • Sicurezza nucleare (12 cfu)

    • Fornire conoscenze sulla sicurezza nucleare, con particolare riferimento a:
      - la metodologia di sicurezza nucleare e relativa procedura di licensing in USA (il 10 CFR Parts 50, 20 e 100; i General Design Criteria e le Regulatory Guides, i safety goals)
      - gli obiettivi ed i principi fondamentali di sicurezza IAEA (INSAG 3 e 12)
      - le metodologie di sicurezza basate sull'affidabilità: di Farmer, canadese e proposta in Italia da Galvagni
      - i principali aspetti della normativa di sicurezza nucleare italiana: l'iter autorizzativo per la costruzione e l'esercizio degli impianti nucleari; il piano di emergenza.
      - il siting degli impianti nucleari
      - il rapporto Rasmussen (WASH 1400)
      - gli incidenti nei LWR e principi di progetto dei principali sistemi di sicurezza e protezione, con approfondimenti su LOCA e RIA;
      - gli incidenti severi: fenomenologie e metodologie di analisi
      - i sistemi di contenimento degli impianti nucleari di potenza e relativi principi di funzionamento; i principali sistemi di salvaguardia ingegneristica associati al contenimento (spray, filtri, trattamento del H2)
      - il termine di sorgente per incidenti in LWR
      - PSA degli impianti nucleari
      - aspetti peculiari degli incidenti in impianti CANDU ed in LMFBR
      - gli incidenti di criticità
      - la scala INES dell'IAEA per la classificazione degli incidenti nucleari
      - la cultura della sicurezza
      - l’analisi costi-rischi-benefici e l’impatto ambientale dei diversi cicli energetici.
      - Oltre a semplici esercizi sui vari argomenti sopramenzionati, come filo conduttore delle esercitazioni, saranno esaminati o e discussi i rapporti di sicurezza delle centrali di Montalto di Castro e Caorso, in modo anche da applicare e verificare le conoscenze acquisite a lezione. Introdurre lo studente ad alcuni strumenti informatici utilizzati per le analisi degli incidenti negli impianti nucleari e sviluppare la capacità dello studente all'utilizzo corretto e consapevole di tali strumenti, per lo studio e l’approfondimento dei fenomeni fisici e chimici caratterizzanti tali incidenti e per la risoluzione dei problemi di sicurezza nucleare.
      Infine saranno anche discussi gli incidenti di TMI2, Chernobyl e Fukushima, e le lezioni derivate da tali incidenti
  • Impianti nucleari II (6 cfu)

    • Obiettivi fondamentali del corso sono:
      - presentare la classificazione dei componenti di un impianto nucleare;
      - discutere e presentare le principali tipologie di reattori nucleari di Generation III e IV;
      - descrivere le principali caratteristiche delle valvole e pompe usate nei reattori nucleari;
      - illustrare la modalità di regolazione ed esercizio degli impianti nucleari PWR e BWR.
  • Controllo degli impianti nucleari (6 cfu)

    • Discussione dei fondamenti metodologici dell'analisi dinamica dei sistemi complessi, per evidenziare i vantaggi del controllo automatico in termini di esercizio e sicurezza nonché le problematiche relative alle sue applicazioni in termini di stabilità, rapidità di risposta e precisione di intervento. Cinetica del reattore nucleare. Dinamica del reattore nucleare controreazionato.
  • Prova finale (18 cfu)

  • 12 cfu a scelta nel gruppo Attività consigliate per la libera scelta

    • Gli studenti devono scegliere 12 cfu
    • Scienza e tecnica della prevenzione incendi (12 cfu)

      • Science and technique of fire prevention • Obiettivi formativi: Il corso si pone l’obiettivo di fornire approfondite capacità di analisi per l'ingegneria della sicurezza antincendio nelle varie attività e di fornire agli studenti: - le competenze base in campo legislativo, giuridico e sanzionatorio; - i principi di Fisica e Chimica degli incendi; - la conoscenza dei sistemi di protezione attiva e passiva e degli impianti di difesa antincendio; - i fondamenti della sicurezza antincendio nei luoghi di lavoro, nelle attività di tipo civile e industriale; - le tecniche per la valutazione del rischio incendio e la progettazione in mancanza di regole tecniche; - le conoscenze sui i programmi di calcolo per la valutazione delle conseguenze di incidenti; - le procedure di prevenzione incendi e sicurezza equivalente; - le competenze in materia di attività a rischio di incidente rilevante (RIR) - l’approccio ingegneristico e i principi per la realizzazione di un sistema di gestione antincendio aziendale.
    • Progettazione di impianti complessi (6 cfu)

      • I principali obiettivi del Corso sono: - Contribuire alla formazione di una mentalità impiantistica e sistemistica presentando e sensibilizzando gli allievi alle principali problematiche funzionali, strutturali e di sicurezza comuni a vari tipologie di impianti industriali, - Capacità di integrare le conoscenze ricevute e di interfacciarsi con specialisti di aree diverse; - Contribuire alla comprensione ed applicazione delle tecniche progettuali e costruttive (incluso anche l’utilizzo di codici di calcolo FEM e di sistema generalmente usati a supporto delle progettazione) e delle normative principali inerenti la sicurezza degli impianti e di alcuni dei loro principali componenti nei settori di interesse.
    • Single and two-phase thermal-hydraulics (6 cfu)

      • : Si tratta di un corso compatto di due settimane inquadrato nell'offerta per il conseguimento di EMSNE, da attivare qualora vi sia una richiesta specifica da parte di studenti stranieri appartenenti a membri dell’associazione ENEN o ad istituzioni ad essa connesse tramite Memorandum of Understanding. Il corso si compone di 8 Unità Didattiche: Unit 1 – Fluids and Balance Equations; Unit 2 – Laminar Flow, Navier-Stokes Equations and Boundary Layer Phenomena; Unit 3 – Heat Transfer in Laminar Flow; Unit 4 – Momentum and Heat Transfer in Turbulent Flow; Unit 5a – Natural Circulation in Single-Phase Flow; Unit 5b – Notes on Compressible Single-Phase Flow; Unit 5c – More on Turbulence; Unit 6 – Two-Phase Flow: General Definitions, Flow Regime Maps and Balance Equations; Unit 7 – Pressure Drops and Heat Transfer in Two-Phase Flow; Unit 8 – Some Specific Phenomena in Two-Phase Flow: Critical Flow, Flooding and Boiling Channel Instabilities. Vengono svolti esercizi sui seguenti aspetti applicativi: Unit E1 – Basic Exercises on Heat Conduction; Unit E2 – Examples of Application of Lumped Parameter Balance Equation; Unit E3 – Basic Balances in LWRs; Unit E4 – Basic Applications of CFD Codes; Unit E5 – Basic Applications of the RELAP5 Code.
    • Applicazioni mediche delle tecnologie nucleari (6 cfu)

      • Questo corso illustra le sorgenti e le applicazioni delle radiazioni ionizzanti nelle procedure diagnostiche e terapeutiche. Le tecniche radiologiche di acquisizione delle immagini descritte nel corso comprendono la radiografia piana, la mammografia, la fluoroscopia e la tomografia computerizzata; le tecniche per emissione nucleare comprendono l’acquisizione di immagini piane con gamma camera, la tomografia per emissione di fotone singolo e la tomografia per emissione di positroni. Le tecniche radioterapiche includono la brachiterapia, i trattamenti con fasci esterni di raggi X e di elettroni, la terapia con adroni e la terapia per cattura neutronica sul boro. Obiettivi didattici specifici: Apprendere i principi di progettazione delle sorgenti radiologiche e radioattive utilizzate in medicina, inclusi gli acceleratori ed i reattori utilizzati in radioterapia. Comprendere gli effetti stocastici e deterministici delle radiazioni ionizzanti sugli esseri umani. Apprendere i principi di progettazione e di utilizzo delle apparecchiature per l’acquisizione di immagini, inclusi i recettori di immagine e le tecniche di ricostruzione. Comprendere vantaggi e limitazioni delle varie modalità diagnostiche e terapeutiche.
    • Decommissioning degli impianti nucleari e gestione dei rifiuti radioattivi (6 cfu)

      • Analisi delle possibilità di sfruttamento energetico dei materiali fissili e fertili in connessione con le varie tipologie di impianti elettronucleari. Analisi dei processi di produzione dei combustibili nucleari. Analisi comparativa dei rischi radiologici e di proliferazione delle vari tipologie di ciclo del combustibile. Classificazione dei rifiuti radioattivi generati in tutte le fasi di produzione, sfruttamento, riciclo e riuso del combustibile. Discussione sui possibili processi di ricicloe riuso del combustibile e di gestione dei rifiuti radioattivi prodotti, con speciale attenzione alle fasi di smaltimento definitivo dei radioisotopi a vita media multimillenaria ed oltre. Analisi dei criteri e dei processi di dismissione e smantellamento degli impianti nucleari. Modalità dei gestione dei rifiuti radioattivi anche alla luce delle normative nazionali ed internazionali attualmente vigenti
    • Ingegneria dei reattori a fusione (6 cfu)

      • Lo scopo del corso è lo studio della fusione nucleare, come fonte futura di energia. Gli obiettivi formativi sono raggiunti tramite l’analisi: - delle principali reazioni di fusione e delle loro sezioni d’urto. - del plasma, delle sue caratteristiche, del confinamento magnetico del plasma, delle configurazioni chiuse toroidali, del comportamento del plasma e la sua interazione con il campo magnetico. - dei componenti principali di un reattore a confinamento magnetico (magneti (superconduttori), la camera a vuoto , la prima parete, il blanket, gli schermi, il divertore, i sistemi di vuoto, di eliminazione delle scorie e di iniezione del Trizio). - dei tipi di fusione diversi da quella a confinamento magnetico: la “fusione inerziale”, la “Fusione fredda”,la “fusione muonica”, - dei problemi di sicurezza nella fusione.
    • Abilità informatiche in appoggio alla prova finale (6 cfu)

    • Codici per reattori nucleari (6 cfu)

      • - Fondamenti di programmazione in FORTRAN; - Brevi cenni alle equazioni di bilancio ed ai modelli di turbolenza per applicazioni con codici di CFD; - Esempi pratici di problemi di interesse per l'ingegneria nucleare risolti con il codice ANSYS-FLUENT ; - Studio di sistemi discreti: il calcolo strutturale matriciale o Concetti di base del calcolo strutturale matriciale: sistemi discreti. o Metodo degli spostamenti. o Matrice di rigidezza di elemento, vincoli, carichi applicati, condizioni al contorno. - Il metodo degli elementi finiti o Introduzione ai codici di calcolo agli Elementi Finiti o Formulazione matematica del metodo degli elementi finiti. o Discretizzazione del continuo: elementi, funzioni di forma. o Principali tipi di elementi per problemi di dimensionalità 1D, 2D, 3D: aste, travi, elementi piani/piastre e shell, elementi assialsimmetrici e elementi solidi. o Analisi lineare e non lineare. - Implementazione del metodo degli elementi finiti o Panoramica dei codici di calcolo FEM. o Fase di pre-processing: definizione del modello, definizione degli elementi per la discretizzazione, modelli relativi al comportamento dei materiali, metodologie e problematiche legate alla fase di discretizzazione, applicazione condizioni al contorno: carichi e vincoli. o Soluzione del problema: tipo di analisi e relative opzioni, metodi iterativi e metodi di controllo della soluzione. o Fase di post-processing: visualizzazione, interpretazione ad analisi dei principali risultati. - Applicazioni (esercizi da svolgere al calcolatore con codice FEM) o Problemi di tipo strutturale elastico, elasto-plastico, termico e termo-meccanico, dinamico, ecc. - Cenni all’approccio deterministico e stocastico per il calcolo neutronico. - Le sezioni d’urto: librerie multi-gruppo e librerie continue in energia. - Soluzione di un problema di riferimento con codici home made o open source sia diffusivi che di trasporto. - Confronto dei risultati: accuratezza e tempi di calcolo.

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