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Sistemi di sicurezza reattori III+ generazione

Saimon

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8 Dicembre 2018
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Salve ragazzi,
oggi parleremo dei sistemi di sicurezza presenti in un reattore di III+ generazione.
Soprattutto per via delle ultime dichiarazioni di Cingolani (Ministro del MITE) dove accennava al nucleare e al non escluderlo a priori, cosa sacrosanta. nessuna tecnologia utile al riscaldamento globale può essere ignorato solo per ideologia.


Mettiamo quindi caso che la temperatura del nocciolo aumenti per qualche motivo, cosa succede?
La pastiglia di combustibile è la prima a scaldarsi, e questo vuol dire che le molecole di cui è composta iniziano a vibrare più intensamente; questa agitazione termica causa un fenomeno fisico detto “effetto Doppler”, che fa sì che ci sia un aumento dell’assorbimento di neutroni e quindi una riduzione della potenza del reattore, visto che ci sono meno neutroni in giro a causare fissioni (la causa fisica di questo è la dipendenza della sezione d'urto dell'assorbimento neutronico dall'energia cinetica delle particelle) . Questo fenomeno si chiama “coefficiente di temperatura negativo del combustibile” ed è il primo sistema di sicurezza naturale che entra in azione.
E se non basta?
Se la temperatura del combustibile cresce allora inizierà a scaldarsi anche l’acqua, e questo comporta una riduzione della densità del liquido. Se cala la densità diminuisce anche la capacità dell’acqua di rallentare i neutroni e quindi si abbassa la probabilità di avere nuove fissioni, portando ad una riduzione della potenza: questo fenomeno si chiama “coefficiente di temperatura negativo dell’acqua”, ed è il secondo sistema di sicurezza che si attiva naturalmente.
E se non basta?
L’acqua continua a scaldarsi e quindi necessita di uno spazio in cui espandersi: per questo esiste il pressurizzatore, che è un cilindro alto 16 metri, di diametro 2,5 metri, che è direttamente collegato al circuito primario e che per il 60% è pieno d’acqua mentre per il 40% di vapore. Se il livello del liquido sale, il vapore si comprime, e questo causa la condensazione di una parte del vapore stesso con conseguente riduzione della pressione. Il pressurizzatore è una sorta di vaso ad espansione, che permette di assorbire le variazioni di densità dell’acqua. Non solo: se la temperatura continua a salire viene iniettata acqua “fredda” dall’alto, mentre se si verifica il fenomeno opposto (raffreddamento del circuito primario e calo di pressione), si attivano delle resistenze elettriche che fanno aumentare la temperatura fino a creare vapore che riporta la pressione al valore desiderato.
E se non basta?
Temperatura e pressione continuano ad aumentare finché non entra in funzione una valvola automatica collegata al pressurizzatore, che si apre e permette di far uscire un po’ di vapore in maniera tale da ridurre la pressione. Il vapore finisce in un serbatoio in cui è stata tolta tutta l’aria ed è stato inserito azoto - perché se si forma idrogeno dentro al reattore è necessario evitare il contatto con l’ossigeno presente nell’aria. Nel frattempo viene aumentata (in maniera automatica) la quantità di boro disciolto nell’acqua di raffreddamento per aumentare le catture neutroniche e ridurre la potenza del reattore.
E se non basta?
La temperatura del nocciolo continua a salire ed entra in funzione l’arresto di emergenza automatico del reattore, detto "reactor trip" o “SCRAM”, che consiste nell’inserimento di tutte le barre di controllo con il conseguente spegnimento dell’impianto. Lo SCRAM può essere causato da diverse situazioni: variazione di temperatura o pressione nel reattore, variazione nel flusso neutronico, perdita di refrigerante, livello troppo alto del liquido nel pressurizzatore, oscillazioni causate da un terremoto, anomalie nella velocità della turbina, azionamento dei sistemi di raffreddamento d’emergenza etc. Le barre di controllo vengono tenute sospese sopra il nocciolo da un sistema elettro-meccanico, in modo che, in caso di blackout, la semplice forza di gravità le faccia cadere all'interno del recipiente in pressione.
Spento il reattore, rimane il problema che i prodotti di fissioni radioattivi continuano a decadere generando calore, anche se l’energia rilasciata diminuisce con il passare del tempo: il 6% del totale appena avviene lo spegnimento e circa l’1% dopo un’ora. Questa potenza termica è sufficiente a far fondere il nocciolo e quindi bisogna continuare a raffreddare il reattore anche dopo l’arresto. Se la rete elettrica è in funzione non ci sono problemi, ma se l’impianto rimane isolato (per esempio a causa di un terremoto) entrano in funzione i generatori diesel di emergenza, che alimentano le pompe per il raffreddamento del nocciolo.
E se il generatore di emergenza si rompe?
Entra in funzione il secondo generatore di emergenza.
E se il secondo generatore era in manutenzione proprio mentre si è verificato l’incidente?
Entra in funzione il terzo generatore di emergenza, e tutti e tre vengono comprati da tre aziende diverse per evitare che ci possa essere lo stesso difetto di fabbrica.
Ok, ma immaginiamo che tutti i sistemi di raffreddamento si guastino, che succede?
I generatori di vapore sono messi in una posizione sopraelevata rispetto al nocciolo e quindi il raffreddamento continua per diverse ore grazie alla forza di gravità e alla convezione naturale, che è esattamente quello che non è potuto accadere a Fukushima, visto che si trattava di un reattore BWR.
E se il circuito di raffreddamento a cui sono collegati i generatori di vapore si rompe?
Il canale di uscita del vapore dai generatori è fatto con una sezione convergente-divergente che serve per limitare le fuoriuscite nel caso di una perdita nel circuito di raffreddamento. Ciò è dovuto al fatto che con questa particolare forma del canale la velocità a cui fuoriesce il vapore durante un guasto è pari a quella del suono, e quindi l’onda di pressione non può propagarsi dentro al generatore, e questo significa che la portata della perdita non può aumentare.
Però se c’è una fuoriuscita di vapore significa che si ha un rilascio di radioattività nell’ambiente!
No, perché il circuito dei generatori di vapore non è radioattivo, la radioattività rimane tutta nel circuito primario, che è quello del vessel.
E se c’è una perdita in quel circuito?
Si tratta di un incidente molto studiato nell’ingegneria nucleare, detto LOCA (Loss Of Coolant Accident) e in quel caso il vapore rimane tutto confinato dentro all'edificio di contenimento, che è spesso più di un metro, con delle fondamenta di due metri e mezzo e con all’esterno un altro edificio di contenimento (la presenza di una doppia struttura serve perché l'intercapedine può essere utilizzata per sfiatare in caso di pressione eccessiva). Se non basta, durante un LOCA viene spruzzata acqua fredda dentro al primo muro di contenimento, con un sistema simile a quello degli spray antincendio, per ridurre la temperatura e la pressione.
In aggiunta, si inietta direttamente dentro al vessel acqua ricca di boro presa da un serbatoio esterno, e tramite l’utilizzo di scambiatori di calore aggiuntivi si può ricircolare l’acqua già utilizzata una volta esaurito il serbatoio esterno.
Il boro serve per ridurre il flusso neutronico e inoltre bisogna ricordare che l’acqua stessa del circuito primario ha la funzione di moderare i neutroni per accrescere il numero di fissioni durante il normale funzionamento dell’impianto: questo significa che una perdita di acqua comporta un’intrinseca riduzione del numero di neutroni termici e quindi di fissioni.
Se tutto ciò non dovesse bastare a ridurre la pressione nel contenimento primario, è possibile eseguire uno sfiato del vapore all’esterno dell’edificio sfruttando dei filtri posizionati nell’edificio di contenimento secondario che permettono di ridurre al minimo la radioattività prima di sfiatare all’esterno.
E se tutto questo non basta e si verifica comunque la fusione del nocciolo?
Esiste un apparato denominato “core catcher” che viene posizionato sotto al vessel ed è progettato per accogliere al suo interno il nocciolo fuso. Questo componente riesce a resistere a temperature altissime e permette di dividere in diverse parti il corium in maniera tale da facilitare la rimozione passiva del calore.
E se succede qualcosa a cui non avevamo pensato che causa un rilascio di radioattività nell’ambiente?
Tutte le centrali nucleari di grosse dimensioni vengono costruite lontane dai centri abitati e in ogni caso l’incidente di Fukushima, che ha causato la fuoriuscita di circa 500 PBq di Iodio equivalente nell’ambiente nell’arco di pochi giorni, secondo tutti i rapporti UNSCEAR causerà un totale di zero morti a causa delle radiazioni.

In un reattore nucleare la ridondanza dei sistemi di sicurezza è spaventosa: triplo sistema di pompe, quadruplo sistema di raffreddamento, scram automatico, coefficienti di vuoto negativi, core catcher, pressurizzatore e molto, molto altro.
La sicurezza funziona su base probabilistica: se un singolo sistema di sicurezza ha una probabilità su mille di rompersi, due sistemi di sicurezza hanno una probabilità su un milione di rompersi contemporaneamente; con tre meccanismi di emergenza la probabilità diventa una su un miliardo, etc.

Spero di aver detto tutto, vi ringrazio per la lettura.
Ecco una foto di un gigante nella vita reale...
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L'Autorità di Sicurezza Radiologica e Nucleare Finlandese ha dato il via libera definitivo, l'EPR di Olkiluoto inizia a caricare il combustibile!
Dopo mille ritardi, il gigante da 1600 MW è finalmente pronto ad accendersi.
Nei prossimi mesi la potenza verrà aumentata gradualmente fino ad ottenere la prima criticità; a quel punto verranno ancora effettuati una serie di test a caldo prima di connettere finalmente il reattore alla rete elettrica, evento previsto tra dicembre di quest'anno e febbraio dell'anno prossimo.
 

Blume

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ma...tempo fà non si era sentito dire che fosse possibile generare calore dalla fusione a freddo?
 
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