I sistemi di raffreddamento passivo nelle centrali nucleari non prevedono né pompe né energia elettrica: per dissipare il calore utilizzano esclusivamente effetti fisici come le differenze di densità. I ricercatori dell’Istituto Paul Scherrer PSI hanno condotto adesso uno studio sperimentale di questi sistemi per piccoli reattori modulari e hanno raccolto per la prima volta dati di misurazione ad alta risoluzione. Così facendo i ricercatori mettono a disposizione un'importante base di partenza per lo sviluppo di future generazioni di reattori.
I piccoli reattori modulari (in inglese Small Modular Reactors, SMR) sono centrali nucleari compatte con una potenza elettrica che può arrivare fino a 300 megawatt. Sono pertanto nettamente più piccoli degli impianti odierni, che sono in grado di erogare una potenza di circa 1000 megawatt e oltre. Questi mini reattori possono essere prodotti industrialmente in grandi quantità e sono considerati molto promettenti in virtù della loro flessibilità in diversi scenari di impiego. Una caratteristica sostanziale di una buona parte di questi reattori è il loro concetto di sicurezza: anziché ricorrere a sistemi attivi che necessitano di energia esterna, questi reattori utilizzano un raffreddamento passivo. Effetti fisici quali la condensazione, la gravità o le differenze di densità garantiscono la sicurezza del reattore in caso di emergenza.
La simulazione di processi di raffreddamento così complessi necessita di dati sperimentali, che finora erano disponibili solo in misura limitata. Un nuovo studio condotto presso l’Istituto Paul Scherrer PSI offre adesso un rilevante contributo, volto a colmare questa lacuna. Nella struttura di ricerca PANDA dell'Istituto Paul Scherrer PSI i ricercatori hanno studiato per la prima volta i sistemi di raffreddamento passivo per piccoli reattori modulari, operando in condizioni realistiche. Gli esperimenti sono stati condotti con il supporto scientifico di partner di cooperazione provenienti da più di dieci paesi diversi. Questi esperimenti hanno fornito dati di misurazione ad alta risoluzione che possono essere impiegati per la validazione di tali sistemi nelle simulazioni. I risultati sono stati pubblicati nella rivista specializzata Nuclear Engineering and Design.
Scaricare il vapore tramite uno scambio termico naturale
L'esperimento condotto presso l'Istituto Paul Scherrer PSI si è occupato di una questione fondamentale nella progettazione tecnica delle centrali nucleari: cosa succede se, in caso di incidente, fuoriesce del vapore dal reattore e si riversa nell'involucro protettivo esterno della centrale? Questo vapore deve essere raffreddato, altrimenti si verifica un aumento della pressione sull'involucro protettivo. Negli impianti convenzionali, per tali compiti intervengono sistemi di sicurezza attivi come gli impianti di spruzzatura di acqua, che richiedono pompe e valvole. Questi impianti dissipano il calore e mantengono sotto controllo la pressione nel contenitore di sicurezza. Tuttavia, questi sistemi dipendono da un'alimentazione elettrica affidabile. Se l'alimentazione elettrica viene a mancare, la loro funzione può essere limitata. Per questo motivo, i ricercatori stanno studiando con attenzione crescente come sia possibile raffreddare il vapore in modo passivo.
Il team di progetto che collabora con Yago Rivera Durán del Centro per le tecnologie e le scienze nucleari del PSI ha testato a tal fine un circuito di raffreddamento chiuso. Si tratta di un tubo verticale alto circa sei metri, attraverso il quale fluisce acqua fredda. Se, nel caso in cui si verifichi un guasto, fuoriesce del vapore nell'involucro protettivo, questo entra in contatto con la superficie fredda del tubo, si condensa su di essa e gocciola sotto forma di acqua nel reattore.
Il calore così liberato viene trasferito all'acqua contenuta all'interno del tubo. Poiché l'acqua calda è più leggera di quella fredda, questa risale in modo naturale verso l'alto e lì cede il suo calore a un serbatoio d'acqua. L'acqua così raffreddata rifluisce quindi verso il basso. In tal modo si crea così un circuito naturale che si basa esclusivamente sulla differenza di densità tra acqua calda e fredda, senza bisogno di pompe o corrente elettrica.
Esperimenti precedenti avevano già dimostrato che tali sistemi funzionano. Il team dell'Istituto Paul Scherrer PSI ha ora fatto un ulteriore passo avanti e ha presentato per la prima volta dei dati di misurazione scrupolosamente dettagliati che mostrano esattamente come si svolgono i processi fisici all'interno di un impianto in scala reale rispetto a una centrale nucleare. Utilizzando telecamere ad alta velocità, i ricercatori hanno documentato in dettaglio persino minuscole goccioline di acqua condensata sulla superficie del tubo.
Per la prima volta i ricercatori hanno potuto osservare in che modo avviene la separazione dei gas all'interno del contenitore di sicurezza: nella zona inferiore si accumula più aria, mentre in alto rimane una maggiore quantità di vapore. Questa scoperta è importante sia per la progettazione tecnica del reattore che per le simulazioni al computer. Se questo effetto non viene preso in considerazione, il sistema può dissipare il calore in modo meno efficace.
Inoltre, i ricercatori hanno monitorato minuscole particelle nel gas e hanno provato che il gas si muove davvero molto lentamente in prossimità del tubo. In questa zona, pertanto, la condensazione non è determinata da flussi maggiori di vapore, ma soprattutto dal fenomeno chimico-fisico noto come diffusione: il vapore acqueo raggiunge solo con lentezza la superficie del tubo e lì si condensa. Ciò significa che il processo di raffreddamento dipende fortemente dalle condizioni locali.
PANDA – non un "autentico" reattore, ma dati realistici
Gli esperimenti sono stati condotti presso l'impianto di ricerca PANDA, una struttura unica al mondo nel suo genere. PANDA è l'acronimo di "PAssive Nachwärmeabfuhr und DruckAbbau"-Testanlage (impianto di test per la dissipazione passiva del calore residuo e la riduzione della pressione) e si estende su cinque piani per un'altezza di venticinque metri. L'impianto consta di vari contenitori con un volume complessivo di circa 500 metri cubi, nei quali è possibile simulare in modo realistico i processi che avvengono nei reattori nucleari.
PANDA non contiene materiale radioattivo. Un impianto di riscaldamento elettrico con una potenza di 1,5 megawatt genera il vapore, che raggiunge una temperatura di 200 gradi Celsius con una pressione fino a 10 bar. In oltre ottanta punti è possibile prelevare miscele di gas da diverse zone dell'impianto e analizzarle con uno spettrometro di massa.
Il punto di forza di PANDA è la sua flessibilità. Per i piccoli reattori nucleari modulari sono attualmente in discussione diverse decine di progetti tecnici. Molti tra questi progetti possono essere riprodotti in questa struttura di test. 1450 sensori forniscono dati preziosi. "Finora gli sviluppatori di simulazioni non potevano essere sicuri che i loro calcoli coincidessero con dati reali", afferma Yago Rivera Durán. "Con PANDA suppliamo a questa mancanza" In questo modo, per la prima volta saranno disponibili dati dal valore decisivo per i test di sicurezza e l’omologazione dei futuri reattori.
Tutto esaurito fino agli anni '30 del 2000
È proprio in virtù della sua unicità, che l'impianto di test PANDA fa convergere istituti di ricerca, università e autorità di omologazione di dieci paesi diversi di tutto il mondo. Attualmente sono in corso progetti nazionali con Swissnuclear, l'Associazione degli operatori delle centrali nucleari svizzere, nonché progetti per l'Unione Europea e collaborazioni internazionali con partner provenienti da Europa, America e Asia.
Quest'ultima pubblicazione inaugura un'iniziativa di benchmarking internazionale, cioè un'attività continua di ricerca, misurazione e raffronto, basata sui dati PANDA. A questa collaborazione di respiro mondiale partecipano già ben venticinque istituzioni, che utilizzeranno i risultati sperimentali per verificare e migliorare i propri metodi di simulazione. Il progetto successivo, che si chiamerà PANDA-2, porrà le proprie basi su questo lavoro e si concentrerà ancora più intensamente su scenari complessi e sul funzionamento in autonomia e a lungo termine dei sistemi di sicurezza passiva. Questo progetto internazionale è attualmente preventivato, come durata, fino al 2030, mentre i progetti nazionali e quelli dell'UE sono già pianificati fino a ben oltre gli anni '30.