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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.
  • 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.
  • Meccanica strutturale e costruzioni nucleari (12 cfu)

  • Secondo anno

  • 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)

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

    • Gli studenti devono scegliere 12 cfu
    • 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.
    • 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.
    • 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.
    • Nuclear Plant Structural Design (6 cfu)

      • Si tratta di un corso intensivo di due settimane inquadrato nell'ambito dell'offerta formativa per il conseguimento della certificazione Europea EMSNE, da attivare qualora vi sia una richiesta specifica da parte di studenti stranieri appartenenti a membri dell'associazione ENEN o ad Istituzioni connesse ad essa tramite Memorandum of Understanding. Il corso si compone di tre principali unità: Unit 1 - Plant Design Criteria (20 hours); Unit 2 - Soil Structure Interaction (10 hours ) e Unit 3 Seismic safety design of NPP SSCs (30 hours). Vengono svolti esercizi sui seguenti aspetti applicativi: Unit E1 - Basic exercise on structural mechanisc (beam and shell); Unit E2 - Examples of lumped mass approach (SDOF or MDOF); Unit E3 - Examples of (implicit and semi-implicit approach) fluid-structure and soil-structure interaction; Unit E4 - Basic balances in LWR undergoing seismic solicitation; Unit E5 - Basic application of FEM codes. Obiettivi formativi in inglese: It is a two-week intesive course to be offered to foreign students, who will apply for the European certification EMSNE, from ENEN Membres or Institutions having a Memorandum of Understanding with Association, upon specific request. The course is composed by three teaching units: Unit 1 - Plant Design Criteria (20 hours); Unit 2 - Soil Structure Interaction (10 hours ) e Unit 3 Seismic safety design of NPP SSCs (30 hours). Exercises and case studies are performed in the following subjects: Unit E1 - Basic exercise on structural mechanisc (beam and shell); Unit E2 - Examples of lumped mass approach (SDOF or MDOF); Unit E3 - Examples of (implicit and semi-implicit approach) fluid-structure and soil-structure interaction; Unit E4 - Basic balances in LWR undergoing seismic solicitation; Unit E5 - Basic application of FEM codes.

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