REATTORI NUCLEARI DI POTENZA

Transcript

1 1 Appendice alla Parte Prima (Energia Nucleare) Generalità su un reattore di potenza REATTORI NUCLEARI DI POTENZA Nelle sue linee essenziali la struttura di un reattore di potenza è costituita da: una parte attiva, chiamata nucleo o core, che contiene il materiale fissile (combustibile), generalmente concentrato in apposite strutture, nonché il moderatore che normalmente circonda il combustibile; un sistema di controllo, costituito da strutture di forma adeguata di materiali forti assorbitori di neutroni, la cui posizione può essere variata in modo da variarne l effetto e quindi la potenza sviluppata; un rivestimento del nucleo, costituito di materiali che non assorbono neutroni in modo apprezzabile, ma che possono rimandarli mediante scattering verso la parte attiva; esternamente alla parte attiva viene poi disposta una struttura di protezione biologica per garantire la sicurezza del personale contro gli effetti delle radiazioni. Il reattore produce energia termica, che viene quindi trasformata, mediante appositi scambiatori di calore, in forma utilizzabile come il vapore, il quale a sua volta potrà fornire energia meccanica (all asse di una turbina a vapore), e quindi energia elettrica (ai morsetti di un alternatore coassiale alla turbina a vapore). L energia ricavabile dal nucleo, legata all entità del flusso neutronico per unità di volume, è altissima. Il limite pratico alla potenza del reattore è posto solo dalle possibilità di asportazione del calore, in modo da mantenere entro limiti accettabili le temperature dei materiali che costituiscono la struttura. Il materiale cui il reattore cede calore (cioè il fluido refrigerante) va fatto quindi circolare in modo adeguato, curando che non si manifestino punti caldi che potrebbero far cedere la struttura. Il progetto di un reattore dal punto di vista della trasmissione del calore è quindi una delle parti più delicate dell ingegneria nucleare, tenuto conto sia delle dimensioni relativamente piccole del nucleo, che delle complicazioni legate alla particolare natura dei fluidi refrigeranti che possono essere anche fortemente radioattivi. Per quanto riguarda il combustibile, le differenti capacità di assorbimento dei vari moderatori influiscono sulle caratteristiche che deve avere l'uranio contenuto nel reattore. Per i reattori moderati a grafite od ad acqua pesante (materiali caratterizzati da basso assorbimento neutronico) l'isotopo U 235 presente nell'uranio naturale è sufficiente a garantire la reazione a catena. Per i reattori moderati ad acqua leggera (materiale caratterizzato da più alto assorbimento neutronico) è invece necessario aumentare artificialmente (processo di arricchimento) la quantità dell'isotopo fissile U 235 rispetto all'isotopo U 238. Tra i reattori ad uranio naturale e quelli ad uranio arricchito c'è una notevole differenza nelle dimensioni del nocciolo: necessariamente più grandi nei tipi ad uranio naturale per ridurre la percentuale di neutroni che sfuggono dal nocciolo. Sono inoltre più elevate le quantità di combustibile periodicamente caricato e scaricato, in dipendenza del minore contenuto energetico dell'uranio naturale rispetto a quello arricchito. Si riporta di seguito una descrizione estremamente semplificata dei principali tipi di reattori nucleari (dette anche filiere ) che sono stati, e che sono attualmente impiegati negli impianti nucleari per la produzione di energia elettrica (centrali nucleari).

2 2 PRINCIPALI TIPI DI REATTORI NUCLEARI DI POTENZA (FILIERE) 1. Reattori a Gas/Grafite Sono stati fra i primi reattori di potenza utilizzati. Si tratta di reattori termici raffreddati a gas (CO 2 ) e moderati a grafite. A questo tipo di reattori apparteneva la Centrale nucleare di Latina. Uno schema generale semplificato di una centrale con reattore a gas/grafite è riportato in Fig. A1. Parti principali: Core (nucleo): E costituito da una struttura di blocchi di grafite di notevole purezza. Nei blocchi sono praticati dei fori in cui vengono inserite le barre di combustibile e di regolazione.le barre di combustibile sono costituite da uranio naturale incamiciato in un tubo di una lega di magnesio (Magnox). Refrigerante: E costituito da a anidride carbonica (CO 2 ), ad una pressione di atm. Scambiatori: Gli scambiatori gas/vapore sono del tipo ad attraversamento forzato, e producono vapore con le seguenti caratteristiche: a circa 50 atm C. la regolazione della potenza prodotta viene effettuata agendo sulla velocità delle soffianti del gas. Contenitore: Il sistema di contenimento e di schermatura è normalmente realizzato in calcestruzzo e contiene, oltre al reattore anche gli scambiatori. Il principale inconveniente di questo tipo di reattori è costituito dalla modesta temperatura del gas in uscita dal core, che limita il rendimento termodinamico dell impianto. Varianti successive di questo tipo di reattori sono stati i: Reattori avanzati raffreddati a gas Si tratta di reattori simili ai precedenti, ma il combustibile è costituito da uranio arricchito con guaine di acciaio inox. La pressione del gas (CO 2 ) è superiore (30-40 atm.) e decisamente superiori sono le caratteristiche del vapore prodotto (circa 160 atm. e 560 C ). 2. Reattori ad acqua in pressione (PWR) In questo tipo di reattore l acqua in pressione (ad un pressione di circa 150 kg/cm 2 ) circolante in un circuito primario rimuove il calore generato nel nocciolo, e lo scambia, in uno o più generatori di vapore, con l acqua di un circuito secondario che si trasforma in vapore. L acqua in pressione del circuito primario svolge quindi le funzioni sia di refrigerante che di moderatore. Il combustibile è costituito da ossido di uranio (arricchito al 3% circa), ed incamiciato in tubi di zircaloy. Uno schema generale semplificato di una centrale con reattore PWR è riportato nella Fig. A2. I principali componenti del circuito primario sono: il recipiente in pressione o vessel (che contiene il nocciolo), i generatori di vapore, il pressurizzatore e le pompe. Recipiente in pressione: all interno del recipiente in pressione sono contenuti: il nocciolo, le relative strutture di sostegno ed un secondo cilindro in acciaio (deflettore) posto fra il recipiente in pressione ed il nocciolo allo scopo do orientare opportunamente il percorso del refrigerante Sistema di controllo della reattività: le barre di controllo sono formate da tubi cilindrici di acciaio inox riempiti con carburo di boro. Oltre che con le barre di controllo, variazioni lente di reattività vengono effettuate sciogliendo boro nell acqua del circuito primario (immettendo una

3 3 certa quantità di acqua con una concentrazione di boro elevata, od immettendo acqua demineralizzata). Generatori di vapore: dal recipiente in pressione si possono diramare, a seconda della potenza del reattore, tre o quattro circuiti chiusi (loops), ciascuno con un generatore di vapore ed una pompa. Pressurizzatore: un pressurizzatore mantiene l acqua del circuito primario ad una pressione tale (circa 150 kg/cm 2 ) da impedirne la ebollizione. Nel pressurizzatore, utilizzando riscaldatori elettrici, si mantiene dell acqua, praticamente non in circolazione, in equilibrio con il proprio vapore ad una temperatura maggiore di quella che viene raggiunta dall acqua di refrigerazione che circola nei vari loops. La pressione che così si stabilisce nel pressurizzatore è più alta di quella che permette l ebollizione dell acqua di refrigerazione. Uno dei principali vantaggi di questo tipo di reattori è che il circuito secondario e tutti i relativi componenti (turbina, condensatore, preriscaldatori, pompe, ecc.) non sono coinvolti da tutte le problematiche connesse con la contaminazione da elementi radioattivi (che comporta una notevole semplificazione nelle attività di ispezione, di manutenzione e di riparazione). 3. Reattori ad acqua bollente (BWR) In un reattore ad acqua bollente (BWR) la produzione di calore e di vapore avvengono direttamente nel recipiente in pressione o vessel (che contiene il nocciolo). Anche in questo rettore il combustibile è costituito da ossido di uranio (arricchito a circo il 2,5% in U235), incamiciato in tubi di zircaloy. Uno schema generale semplificato di una centrale con reattore BWR è riportato nella Fig. A3. Questo tipo di reattore è concettualmente simile a quello precedente (PWR), nel senso che anche nel reattore BWR l acqua in ebollizione svolge le funzioni sia di refrigerante che di moderatore, ma in questo reattore non esistono più dei circuiti differenziati (primario e secondario), ma un unico circuito, dove il vapore prodotto nel nucleo va direttamente alla turbina. I principali componenti di un reattore BWR sono: il recipiente in pressione o vessel (che contiene il nocciolo) e le pompe (pompe a getto e pompe ci circolazione). Il reattore ad acqua bollente è caratterizzato da un sistema di circolazione dell acqua nel vessel che utilizza delle pompe a getto. In questo sistema parte dell acqua viene fatta circolare esternamente al vessel (mediante delle pompe di circolazione), ed alimenta delle pompe a getto, interne al vessel, che realizzano una circolazione del fluido attraverso il nocciolo. Una caratteristica peculiare dei reattori ad acqua bollente è la capacità di autoregolazione, cioè la possibilità di aumentare o diminuire la produzione di energia senza modificare la posizione delle barre di controllo, ma solo aumentando o diminuendola portata delle pompe di circolazione, variando quindi la densità media del moderatore nel nocciolo. A differenza di una centrale con reattore tipo PWR, non esistendo in questo caso (nelle centrali con reattori tipo BWR) un circuito secondario, ma un unico circuito dove il vapore prodotto nel nucleo va direttamente alla turbina, tutti i componenti a contatto con il vapore (turbina, condensatore, preriscaldatori, pompe, ecc.) sono coinvolti da tutte le problematiche connesse con la contaminazione da elementi radioattivi, fatto questo che comporta una notevole complicazione per tutte le attività di ispezione, di manutenzione e di riparazione.

4 4 4. Reattori ad acqua pesante Il reattore di questo tipo più conosciuto è il reattore CANDU (reattore CANadese a Deuterio ed Uranio). Si tratta di un reattore ad uranio naturale, che utilizza acqua pesante (deuterio) sia come moderatore che come refrigerante. Uno schema generale semplificato di una centrale con reattore CANDU è riportato nella Fig. A4. Reattore: formato da un cilindro orizzontale attraversato da un fascio di tubi, all interno dei quali è posizionato un secondo tubo, detto tubo di forza. Il corpo del cilindro è riempito d acqua pesante con funzione di moderatore. All interno dei tubi di forza sono inseriti gli elementi di combustibile che sono lambiti da acqua pesante in pressione (a circa 100 kg/cm 2 ) con funzione di refrigerante. Esiste perciò una separazione tra il fluido refrigerante ed il moderatore, anche se si tratta sempre di acqua pesante. La regolazione del sistema viene effettuata con barre di controllo che attraversano il reattore in senso verticale. 5. Reattori veloci L'uranio naturale è caratterizzato, come già precedentemente detto, da una miscela di due isotopi: U 235 (materiale fissile) ed U 238 (praticamente non fissile). L'isotopo U 238, che non produce che poche reazioni di fissione, interviene comunque nel consumo di materiale fissile poiché viene trasformato, per assorbimento di un neutrone, nell'elemento Pu239, che è a sua volta fissile con caratteristiche simili all'isotopo U 235. Per questa particolarità l'u 238, ed altri elementi dotati della stessa caratteristica (Pu 240, Pu 242, ecc.), vengono chiamati "fertili". La fissione dei nuclei fissili da parte di neutroni ha luogo per assorbimento di neutroni incidenti anche se di bassa energia: i nuclei fertili invece hanno una probabilità di fissionarsi solo se il neutrone incidente è dotato di energia piuttosto elevata (neutroni veloci). Aumentando la velocità dei neutroni che provocano la fissione, il numero di neutroni mediamente liberati nella fissione stessa aumenta, ed aumentano quindi anche le probabilità di rendere fissile il materiale fertile. Su questo principio si basano i reattori cosidetti autofertilizzanti ("breeder") o veloci. Poiché in un reattore veloce non si vogliono rallentare i neutroni, non è presente il moderatore, ed il refrigerante deve avere un alto peso atomico, in modo da non produrre un rallentamento eccessivo dei neutroni stessi. In questi reattori viene utilizzato come refrigerante sodio allo stato liquido, che presenta ottime capacità di trasferimento del calore e permette di avere basse pressioni nel circuito refrigerante. In questi reattori risulta necessario interporre un circuito intermedio, ancora a sodio liquido, tra il refrigerante primario (sodio liquido) e d il circuito ad acqua-vapore, onde evitare che la possibile reazione sodio/acqua comporti il rilascio all'esterno di prodotti radioattivi. Infatti il sodio liquido del circuito intermedio, che non attraversa il nocciolo e che a sua volta alimenta i generatori di vapore, non si attiva. Uno schema generale semplificato di una centrale con reattore veloce è riportato nella Fig. A5.

5

6

7

8

9

10

11