Campi d'applicazione: Centrali termoelettriche Propulsione navale e impianti ausiliari navali Applicazioni industriali (essiccamento, distillazione,

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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI CASSINO E DEL LAZIO MERIDIONALE Generatori di vapore e reattori nucleari

2 Campi d'applicazione Campi d'applicazione: Centrali termoelettriche Propulsione navale e impianti ausiliari navali Applicazioni industriali (essiccamento, distillazione, azionamento di macchine, cartiere) Impianti di riscaldamento Trazione ferroviaria (a carbone)

3 Classificazione dei generatori di vapore Natura del fluido evaporante Acqua Liquidi organici bassobollenti Natura del combustibile impiegato Combustibili solidi (carbone) Combustibili liquidi (oli combustibili) Combustibili gassosi (gas naturale e gas derivanti da lavorazioni di processo) Multicombustibile A recupero

4 Classificazione dei generatori di vapore Tipologia dell'evaporatore Caldaie a tubi di fumo Caldaie a tubi d acqua suborizzontali Caldaie a tubi d acqua verticali o subverticali Caldaia a tubi di fumo Caldaia a tubi d acqua

5 Classificazione dei generatori di vapore h Schemi possibili di disposizioni sub-orizzontali dei tubi bollitori per caldaie a tubi d acqua Schemi possibili di disposizioni sub-verticali dei tubi bollitori per caldaie a tubi d acqua

6 Classificazione dei generatori di vapore Contenuto d acqua (rapporto tra la massa d acqua presente nel generatore a regime e la superficie totale di scambio termico) Generatori a grande volume d acqua ( kg/m2) caldaie a tubi di fumo Generatori a piccolo volume d acqua (20-50 kg/m2) caldaie a tubi d acqua Generatori a piccolissimo volume d acqua (5-20 kg/m2) caldaie a tubi d acqua per impianti di grande potenzialità e per impianti ipercritici Tipo di scambio termico per la vaporizzazione Generatori ad irraggiamento caldaie a tubi d acqua di grande potenzialità Generatori a convezione caldaie a tubi d acqua di piccola e media potenzialità, caldaie a tubi di fumo, caldaie a recupero

7 Classificazione dei generatori di vapore Tipo di circolazione nei tubi vaporizzatori (caldaie a tubi d acqua) Circolazione naturale caldaie di piccola e media potenzialità e a bassa e media pressione (p<12 MPa) Circolazione assistita caldaie di media e grande potenzialità e p>12 MPa Circolazione forzata caldaie di grande potenzialità e alte pressioni (p>14 MPa) Attraversamento forzato (caldaie monotubolari in cui è assente il corpo cilindrico) e la portata che attraversa i fasci vaporizzatori è uguale al vapore prodotto caldaie per impianti ipercritici Pressione di esercizio Bassa pressione p <2 MPa caldaie a tubi di fumo e a tubi d acqua Media pressione p=2-6 MPa caldaie a tubi d acqua e impianti IMTV di qualche decina di MW Alta pressione p=6-18 MPa caldaie a tubi d acqua e impianti IMTV di grande potenza Pressioni supercritiche p 25 MPa

8 Circuito acqua vapore Corpo cilindrico Vapore surriscaldato m v SH Vapore risurriscaldato RH m v Surriscaldatore Economizzatore 3 Evaporatore T 2' m v ECO EVA Circolazione naturale Acqua di alimento 2 1 PA Circolazione assistita o forzata 2 Attraversamento forzato 4 s

9 Circuito acqua vapore Economizzatore Riscaldamento del liquido fino quasi alle condizioni di saturazione Costruito con uno o più fasci di tubi internamente lisci ed esternamente alettati Evaporatore Realizza il passaggio di fase da liquido a vapore E costituito da tubi alettati e scambia calore con la fiamma per irraggiamento Può essere a corpo cilindrico con circolazione naturale o circolazione assistita oppure ad attraversamento forzato Surriscaldatore ed eventuale risurriscaldatore Provvede al surriscaldamento del vapore E' costruito con molteplici fasci di tubi alettati Può essere disposto in modo da scambiare calore prevalentemente per convezione o per irraggiamento

10 La circolazione naturale ρ (kg/m3) liquido p= g z ρ vapore saturo ramo discendente non riscaldato ramo ascendente riscaldato p (MPa) La circolazione naturale è assicurata dalla differenza di densità tra il liquido saturo che scende lungo i tubi di caduta e la miscela acqua-vapore (15-20% in massa di vapore) che risale nei tubi vaporizzatori. All aumentare della pressione si riduce la differenza vapore non saturo; ciò significa che per mantenere lo bisogna aumentare l altezza dei fasci tubieri: si spiega sub-orizzontali alle caldaie verticali all aumentare della di densità tra il liquido e il stesso gradiente di pressione così il passaggio dalle caldaie pressione di esercizio.

11 Parametri tecnici caratteristici Potenzialità assoluta: produzione nominale di vapore (t/h) Pressione di esercizio: pressione nominale di progetto per il funzionamento del generatore Temperatura di esercizio: temperatura nominale del vapore all uscita dei tubi surriscaldatori (Tmax=600 C) Rendimento termico: (0,80< gv<0,94) rapporto tra il flusso termico utile e il flusso termico fornito Superficie di riscaldamento: superficie totale di scambio termico riferita alla parte esposta ai fumi Potenzialità specifica e potenza specifica: potenzialità assoluta e potenza assoluta riferita alla superficie totale di scambio termico Cifra di circolazione: rapporto tra la portata della miscela acqua-vapore che percorre i fasci tubieri vaporizzatori e la portata di vapore prodotto (il suo reciproco esprime il titolo della miscela acqua-vapore che ritorna nel corpo cilindrico superiore). Nei generatori ad attraversamento forzato è pari ad 1.

12 Valori indicativi dei principali parametri di esercizio Suborizzontali Subverticali Verticali Potenzialità assoluta (t/h) Circolazione Monotubolari forzata Fino a >22 Temperatura ( C) Rendimento termico 0,8-0,9 0,85-0,92 0,85-0,94 0,85-0, Fino a 2000 Pressione (MPa) Superficie totale scambio termico (m2) Cifra di circolazione di ,85-0,94 1

13 Calcolo del rendimento Metodo diretto Corpo cilindrico Vapore surriscaldato Φu SH m v m v ECO m c Φ comb EVA Acqua di alimento Fumi PA Aria comburente m v h v ha u = = comb m c H i u comb m v m c hv ha Hi flusso termico utile flusso termico entrante portata di vapore prodotto portata di combustibile entalpia specifica del vapore all'uscita del generatore entalpia specifica dell'acqua di alimento potere calorifico inferiore del combustibile

14 Calcolo del rendimento Metodo indiretto Vapore Φ surriscaldato u Corpo cilindrico SH Φ var ie m v Φ irr ECO m c Φ comb Acqua di alimento Φ sf PA EVA Φ sl Fumi Aria comburente p = comb u p = sf sl irr varie = Φ sf Φ sl Φirr Φ varie perdite per calore sensibile dei fumi al camino perdite per incombusti perdite di calore per irraggiamento altre perdite u p p = comb =1 comb comb m c H i

15 Calcolo delle perdite La perdita per calore sensibile dei fumi al camino è valutabile intorno al 5-10%, che corrisponde a circa 0,07% per ogni C di differenza tra Tf e Tamb. m aria = 1 e m aria, stech m f = m aria m c = m c [1 stech 1 e ] sf = m f c p, f T f T amb stech rapporto stechiometrico aria/combustibile m aria, stech portata d'aria stechiometrica di combustione e= m aria m aria, stech eccesso d'aria sf [1 stech 1 e ] [ c p, f T f T amb ] = comb Hi C<Tf< C Le perdite per calore sensibile dei fumi al camino aumentano all aumentare della portata che è collegata all eccesso d aria, necessario per ridurre gli incombusti. La temperatura finale dei fumi può essere ridotta fino a 120 C attraverso un opportuno dimensionamento del preriscaldatore d aria, compatibilmente con i limiti dovuti al rischio di corrosione per condensa acida.

16 Calcolo delle perdite Le perdite per incombusti sono dell'ordine dell 1% e dipendono dal tipo di combustibile e dall'eccesso d'aria. Quando si fa riferimento al potere calorifico inferiore, non si tiene in considerazione il calore latente del vapore contenuto nei fumi poiché è già stato sottratto dal potere calorifico. Le perdite per irraggiamento sono valutabili intorno a 0,5-0,6 kw/m2 Altre perdite sono valutabili intorno allo 0,4-1% e sono dovute a: spurghi o prelievi di vapore per utilizzazioni interne alla caldaia; fughe di vapore, di fumi e/o aria.

17 Lo scambio termico nel generatore di vapore Contrariamente a quanto si potrebbe pensare il vapore non viene surriscaldato direttamente in camera di combustione per non sollecitare eccessivamente il materiale dei fasci tubieri surriscaldatori. Evaporatore: scambio termico convettivo e per irraggiamento Surriscaldatore: scambio termico convettivo Economizzatore: scambio termico convettivo Preriscaldatore d'aria: scambio termico convettivo Quando però la pressione è prossima o supera il valore critico, si adottano generatori monotubolari senza corpo cilindrico e le fasi di riscaldamento, vaporizzazione e surriscaldamento si susseguono sequenzialmente. La lunghezza del serpentino può essere dell ordine del km.

18 Il profilo di temperatura: il diagramma T Q Ttfcc 2000 SH EVA Tmfcc Tmfcc,u SH TmfSH,u RH TmfRH,u ECO T ( C) RH TmfECO,u ECO PA EVA PA 0 0% 20% 40% 60% 80% 100% Q Ttfcc Temperatura teorica dei fumi in c.c C EVA: equicorrente Tmfcc Temperatura media dei fumi in c.c C SH,RH: controcorrente Tmfcc,u Temperatura media dei fumi in uscita dalla c.c C ECO: controcorrente TmfSH,u Temperatura media dei fumi uscita SH 850 C PA: controcorrente TmfRH,u Temperatura media dei fumi uscita RH 550 C TmfECO,u Temperatura media dei fumi uscita ECO 400 C

19 Circolazione aria fumi Unità a tiraggio naturale: quando la circolazione è dovuta al tiraggio del solo camino. Unità a tiraggio aspirato: aria e fumi fluiscono lungo il generatore grazie alla depressione creata da un ventilatore aspirante. Unità a tiraggio forzato: aria e fumi vengono mantenuti in sovrapressione per mezzo di un ventilatore premente. La camera di combustione risulta quindi pressurizzata. Unità a tiraggio bilanciato: il tiraggio è realizzato mediante la combinazione di un ventilatore premente ed un ventilatore aspirante e la camera di combustione è in leggera depressione. SH EVA RH Ventilatore aspirante ECO 6 2 Preriscaldatore d aria fumi 8 camino 2 7 pamb 7 1 p aria comburente Ventilatore premente

20 Circolazione aria fumi Nei moderni generatori di vapore la circolazione dell aria e dei fumi è affidata ai ventilatori, mentre al camino viene affidato il compito di disperdere i fumi in atmosfera senza inquinare il suolo, e il suo tiraggio naturale viene utilizzato per superare le perdite di carico proprie. La differenza di pressione che trascina i fumi (effetto camino) è data da: p= g z cam amb f I ventilatori aspiranti richiedono maggiore potenza, rispetto a quelli prementi, e sono soggetti all erosione provocata dai fumi. Le unità vengono quindi sempre più spesso realizzate con camera di combustione pressurizzata, cioè con il solo ventilatore premente.

21 Preriscaldatore dell'aria L aria viene riscaldata fino a 300 C circa a spese del calore dei gas esausti che vengono raffreddati da C fino a Esistono due tipologie di preriscaldatori: a fasci tubieri, che richiedono elevate superfici di scambio soggette a problemi di corrosione e incrostazione a masse di accumulo (tipo Lyungström ), con tamburo rotante a bassa velocità (2-3 giri/min), costituito da lamierini di acciaio che svolgono il ruolo di accumulatori termici e vengono messi alternativamente in comunicazione con i gas caldi e l aria fredda

22 L'energia nucleare La produzione di energia da reazioni nucleari può avvenire mediante due processi nettamente distinti: la fissione nucleare e la fusione nucleare. La fissione nucleare richiede la disponibilità di metalli pesanti radioattivi, quali l'uranio. Tali metalli sono presenti in natura in quantità abbastanza modeste e per tale motivo l'energia da fissione non può essere considerata una fonte rinnovabile. La fusione nucleare, invece, richiede la disponibilità di idrogeno e dei suoi isotopi e, data la sproporzione tra l'energia sviluppata dalla reazione e l'energia richiesta invece per separare l'idrogeno dall'acqua, è talvolta inclusa tra le fonti rinnovabili essendo virtualmente inesauribile. La fissione nucleare è il processo già impiegato nelle attuali centrali nucleari. La fusione nucleare è ancora a livello di ricerca e passeranno ancora alcuni decenni prima che si raggiunga la fattibilità tecnica ed economica.

23 La fissione nucleare Nel processo di fissione un neutrone entra in collisione con il nucleo di un elemento fissile generando nuclei di elementi più leggeri ed altri neutroni che, a loro volta, entrano in collisione con altri nuclei fissili originando una reazione a catena.

24 Contributo alla produzione di energia elettrica nel 2007 Contributi alla produzione elettrica nel mondo: Carbone 40% Gas 19% Nucleare 16% Idroelettrico 16% Olio combustibile 7% Altre rinnovabili 2% Contributi alla produzione elettrica in Europa (27 paesi): Nucleare 33% Carbone 30% Gas 20% Idroelettrico 11% Olio combustibile 4% Altre rinnovabili 2%

25 Contributo alla produzione di energia elettrica nel 2007 % della produzione elettrica nazionale 2007 Fonte: IAEA, 2008 Media europea 33% Media OCSE 24% Media mondiale 16%

26 Evoluzione dei reattori nucleari

27 I reattori attuali: PWR PWR (Reattore ad acqua pressurizzata): UO2 arricchito Refrigerante/moderatore acqua Ciclo indiretto

28 I reattori attuali: PHWR PHWR (Reattore ad acqua pesante pressurizzata): UO2 arricchito Refrigerante/moderatore acqua pesante Ciclo indiretto

29 I reattori attuali: BWR BWR (Reattore ad acqua bollente): UO2 arricchito Refrigerante/moderatore acqua Ciclo diretto

30 I reattori avanzati ed evolutivi: le caratteristiche generali La III generazione e, soprattutto, la cosiddetta III+, sono figlie di Chernobyl. Infatti si tratta di reattori basati su tecnologie largamente provate, ma i progettisti, oltre a cercare di ottenere: economicità nel costo di impianto; standardizzazione; riduzione nei tempi di realizzazione; hanno focalizzato l'attenzione su un miglioramento nei livelli di sicurezza: problematiche legate all errore umano; caratteristiche intrinseche di sicurezza; mitigazione delle conseguenze di un eventuale incidente severo. I reattori della generazione III+ sono 100 volte più sicuri di quelli della III e non presentano rischi di contaminazione grave all esterno dell impianto.

31 I reattori evolutivi: ABWR ABWR (Reattore avanzato ad acqua bollente) General Electric - Hitachi 1400 MWe 4 unità in esercizio (Giappone) 3 unità in costruzione (Giappone e Taiwan)

32 I reattori evolutivi: EPR EPR (Reattore Europeo ad acqua pressurizzata) AREVA 1600 MWe 2 unità in costruzione (Finlandia e Francia) Ottimizzazione lay-out, riduzione valvole e tubazioni, costo di produzione ridotto di circa il 10% Aumentato il volume dei componenti (aumenta il tempo a disposizione dell operatore per l'intervento) L operazione e la manutenzione dell impianto sono semplificate e si possono fare durante l'esercizio Progettato per 60 anni di vita

33 I reattori evolutivi: EPR Contenimento a doppia parete con sistemi attivi di ventilazione filtraggio Area di contenimento del combustibile fuso Sistema di rimozione del calore residuo a seguito di incidente severo Piscina interno reattore Ridondanza 4 treni per i sistemi di sicurezza

34 I reattori evolutivi: AP1000 AP1000 (Reattore avanzato passivo ad acqua pressurizzata) Westinghouse (con partecipazione Ansaldo) 1117 MWe 4 unità in costruzione (Cina) Sistemi di sicurezza passivi innovativi Semplificazione dell impianto Costruzione di tipo modulare

35 I reattori evolutivi: AP1000 I sistemi di sicurezza non si basano su componenti attivi quali: Diesels di emergenza Pompe di emergenza Sistemi di supporto ai sistemi di sicurezza Le funzioni di sicurezza assicurate da fenomeni naturali: Gravità Evaporazione (l evaporazione dell acqua assicura per 72 ore la rimozione del calore dal contenimento) Scambio di calore per conduzione e convezione (anche senza acqua la convezione naturale dell aria assicura per 24 ore l integrità del contenimento) Probabilità di fusione del nocciolo < 10-6 (comunque senza fuoriuscita di materiale)

36 I reattori evolutivi in fase di certificazione ESBWR (Economic and Simplified BWR) GE Hitachi 1500 MWe APWR (Advanced PWR) Mitsubishi 1500 MWe ACR1000 (Advanced Candu Reactor) AECL 1080 MWe IRIS (International Reactor Innovative & Secure) consorzio internazionale (Italia inclusa) 335 MWe (modulare)

37 I reattori in esercizio Francia Germania Altri Svezia UK Spagna PWR BWR PHWR ABWR Altri EU Altri Canada 20 USA Russia India 5537 Giappone Sud Corea Cina

38 I reattori in costruzione Cina India 5 0 PWR PHWR AP1000 ABWR EPR Russia EU Giappone Canada Sud Corea

39 I reattori del futuro: le caratteristiche generali Sicurezza ed economicità non sono sufficienti a realizzare un nucleare sostenibile, occorre anche perseguire: la minimizzazione delle scorie; la conservazione delle risorse; la non proliferazione. Un ciclo del combustibile chiuso (riprocessamento e riciclaggio) permette: uso più efficace del combustibile; riduzione significativa dello spazio di stoccaggio rifiuti; riduzione rischio di proliferazione (riduzione stoccaggio plutonio). Si tratta di sei progetti attualmente allo studio, dai quali verranno selezionati i reattori da sviluppare tra il 2020 e il 2030 un reattore autofertilizzante refrigerato a gas (GCFR); un reattore a gas ad alta temperatura (VHGTR); un reattore (termico o veloce) ad acqua supercritica (SCWR); un reattore veloce refrigerato a sodio (SCFR); un reattore veloce refrigerato a piombo (LFR); un reattore refrigerato a sali fusi (MSR).

40 Impatto ambientale Centrale nucleare da MWe: combustibile movimentato 20 t = 2 carri ferroviari all anno rifiuti ad alta attività 2 t rifiuti a bassa e media attività 20 t radioattività (effluenti a lunga vita) 2 GBq Centrale termoelettrica (gas, olio combustibile, carbone) da MWe: combustibile movimentato 1-2 Mt = 100 carri ferroviari al giorno (se carbone) CO2 4-7 Mt CO t ossidi di zolfo t ossidi di azoto t particolati in atmosfera t ceneri t metalli pesanti nelle ceneri t radioattività (effluenti a lunga vita) 1-50 Gbq Fonte AIN

41 Gestione dei materiali radioattivi Oskarshamn (Svezia) Depositi definitivi per materiali a bassa e media attività (il 95% dei materiali radioattivi prodotti negli impianti nucleari) sono in esercizio in tutti i principali paesi europei. Lo smaltimento dei materiali ad alta attività (che costituiscono il restante 5% dei materiali radioattivi prodotti) non è un problema urgente in quanto possono essere stoccati per molti anni in modo sicuro presso le stesse centrali o presso i depositi per materiali a bassa e media attività. Lo smaltimento definitivo sarà di tipo geologico. Fonte AIN El Cabril (Spagna)