I Reattori Nucleari Innovativi refrigerati a Gas
Tra i reattori di tipo occidentale definiti a maggior sicurezza intrinseca, il reattore a gas ad alta temperatura (HTR) rappresenta uno dei candidati più quotati, sia per la sicurezza (praticamente assoluta) che per le sue caratteristiche di elevata economicità e di minimo impatto ambientale, compresa la polluzione termica.
Fin dal 1945, un reattore ad alta temperatura refrigerato ad elio e moderato da grafite o da BeO era stato proposto negli Stati Uniti da Farrington Daniels. Tale reattore avrebbe dovuto usare uno scambiatore di calore intermedio (IHX) e come fluido secondario da mandare in turbina aria in ciclo chiuso. Il progetto non fu realizzato in quanto, a quel tempo, avrebbe richiesto troppo sviluppo ed anche perché la priorità fu data, per motivi sostanzialmente politici, ai reattori per sottomarini militari raffreddati ad acqua (LWR). In seguito, alla metà degli anni '50, una serie di studi sul reattore a gas ad alta temperatura sono stati iniziati in diversi paesi, quali il Regno Unito, gli Stati Uniti e la Germania. Essi hanno infine condotto alla costruzione di tre prototipi (DRAGON nel Regno Unito, Peach Bottom negli Stati Uniti e AVR in Germania). L'innovazione fondamentale nel campo della tecnologia degli HTR è stata l'invenzione della microparticella rivestita del combustibile (CP, Coated Particle) con le sue eccezionali qualità di resistenza e di ritenzione dei prodotti di fissione. Anche nell'Università di Pisa questi reattori sono oggetto di studio da lungo tempo, sin dalle prime ricerche condotte dal compianto Prof. Poggi.
Questi reattori sono caratterizzati da un core completamente ceramico e da un refrigerante neutronicamente non attivo e non corrosivo (elio o anidride carbonica) in modo da poter avere alte temperature operative. La grande capacità termica del nocciolo e la sua bassa densità di potenza costituiscono la ragione della lenta progressione dei potenziali incidenti. Queste caratteristiche sono alla base dell'interesse per lo sviluppo dei reattori a gas ad alta temperatura (o HTGR, High Temperature Gas Cooled Reactor, come questi reattori sono chiamati fuori dall'UE).
L’elemento fondamentale della sicurezza per i reattori HTR è costituito dal fatto che, anche in situazione incidentali, i prodotti di fissione sono trattenuti praticamente del tutto (in assenza di acqua e di aria) nelle particelle elementari costituenti il combustibile (CP di tipo TRISO) per temperature inferiori a 1600 °C. Inoltre la già citata bassa densità di potenza, tipica di questi reattori (qualche KW/l), fa anche si che questa temperatura non venga mai raggiunta.
L'ampio numero di differenti concezioni proposte per gli HTR ha spesso nascosto le fasi successive dell'evoluzione di questo tipo di reattori. Comunque oggi tale filiera può essere considerata una risposta innovativa per le attuali richieste del mercato mondiale dell'energia e per quelle (auspicabili) future per la produzione di idrogeno e per gli impianti di desalinizzazione. I risultati ottenuti e quelli che si attendono dai reattori sperimentali in Giappone (HTTR) ed in Cina (HTR-10) insieme all'esperienza disponibile da altri reattori raffreddati a gas, costituiscono un fondamento tecnologico sicuro per uno sviluppo commerciale presente (reattore PBMR in Sudafrica) e futuro (reattore GT-MHR negli USA).
Oltre ai precedentemente descritti reattori a spettro termico, negli ultimi tempi sono divenuti oggetto di studio della comunità scientifica internazionale i reattori a gas a spettro veloce, i cosiddetti GCFR (Gas Cooled Fast Reactor). Questa tipologia di reattori, seppur ancora in una fase preliminare di sviluppo, rappresenta una prospettiva molto interessante perché essi combinano le positive caratteristiche comuni a tutti i reattori veloci (possibilità di autofertilizzazione e quindi di migliore sfruttamento del combustibile, fluenza più elevata con maggiori potenzialità di bruciamento delle scorie) con quelle dei reattori refrigerati con gas inerte (assenza delle problematiche di cambiamento di fase e di reazioni chimiche e/o nucleari fra il refrigerante stesso ed il combustibile e/o i materiali strutturali).
Si parla molto di economia all’idrogeno: numerosi studi hanno dimostrato che l’utilizzo di questo elemento quale combustibile per gli autoveicoli consentirebbe di ridurre drasticamente, se non addirittura di eliminare, ogni forma di inquinamento atmosferico locale legato ai trasporti. Tuttavia l’idrogeno, pur abbondantissimo in natura, non si trova mai allo stato libero, quindi bisogna spendere energia per produrlo: trattassi infatti di un vettore energetico. Attualmente viene prodotto per lo più per via fossile (non rinnovabile e soggetta a notevoli emissioni di anidride carbonica); la sua produzione per via nucleare (utilizzando reattori HTR e/o GCFR) potrebbe costituire la chiave di volta per l’abbattimento degli inquinanti atmosferici originati dallo smog urbano. Il calore di scarico del ciclo consentirebbe inoltre ulteriori applicazioni di notevole interesse, quali il teleriscaldamento o la desalinizzazione dell’acqua di mare.
Le favorevoli caratteristiche di economia neutronica di questi reattori consentono inoltre l’adozione di cicli del combustibile particolarmente favorevoli riguardo al bruciamento delle scorie nucleari (in particolare degli attinidi). Alcuni studi in merito al bruciamento del plutonio (sia di origine militare che derivante dal riprocessamento del combustibile dei reattori LWR) hanno dimostrato (anche per mezzo dell'utilizzo di software di tipo avanzato sviluppati ad hoc) che il problema della pericolosità di tale elemento chimico (principale contributore alla pericolosità a lungo termine delle scorie) può essere significativamente ridotta (di un fattore 10, sia in termini di radiotossicità per ingestione che in termini di massa) ad esempio con l’uso negli HTR di cicli torio/plutonio (che presenterebbero anche la favorevole caratteristica di fertilizzare il torio, elemento 2.5 volte più abbondante dell’uranio ed attualmente inutilizzato per questi scopi). Risultati ancora migliori sembrerebbe dare l'uso di cicli simbiotici LWR-HTR-GCFR.
Le potenzialità dei reattori nucleari innovativi refrigerati a gas potranno esplicarsi anche in campi diversi da quello della produzione di energia elettrica: ad esempio, l'affermarsi della tecnologia basata sull’idrogeno, se si tengono ben presenti i limiti intrinsecamente presenti in essa (l'idrogeno è un vettore energetico e non una fonte di energia e quindi deve essere prodotto), è sicuramente una delle più affascinanti e stimolanti prospettive nell'ottica di uno sviluppo della nostra società veramente sostenibile sia dal punto di vista ambientale che sociale.
Tesi di laurea
Tesi di Laurea in Ingegneria Nucleare - Guglielmo Lomonaco
Tesi di Laurea in Ingegneria Nucleare - Vincenzo Romanello
Tesi di Laurea in Ingegneria della Sicurezza Industriale e Nucleare - Guglielmo Lomonaco
Tesi di Laurea in Ingegneria Nucleare - Eleonora Bomboni
Tesi di Dottorato in Energetica Elettrica e Termica - Guglielmo Lomonaco
Tesi di Laurea in Ingegneria Nucleare - Diego Castelliti
Tesi di
Laurea in Ingegneria Nucleare e della Sicurezza Industriale - Guido Mazzini
(in inglese)
Articoli su rivista
Articolo 21° Secolo - Luglio 2004
Articolo La Termotecnica - Dicembre 2004
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Articolo Radiation Protection Dosimetry - Dicembre 2005 (in inglese)
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Nota tecnica del DIMNP - Novembre 2006
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Articolo Nuclear
Science and Engineering - Luglio 2009 (in inglese)
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Archivio Nucleare - HTR
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informazioni scrivere a: Prof. Nicola Cerullo Ing. Guglielmo Lomonaco Ing. Vincenzo Romanello Ultima modifica 18 Luglio 2009 |
Reattore a gas ad alta temperatura a sfere (Pebble) PBMR della ESKOM
Reattore a gas ad alta temperatura a blocchi (block type) GT-MHR della General Atomics
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Spaccato di una Pebble contenente Coated Particle
Reattore refrigerato a gas a spettro veloce
Reattore sperimentale a gas a spettro veloce ETDR
Diagramma comparativo sulla possibilità di utilizzazione del calore prodotto in un LWR ed in un HTR, con particolare riguardo alla produzione di idrogeno
Schema del processo I-S (iodio-zolfo) per la produzione di idrogeno per via nucleare
Volume di scorie prodotte nell'arco della vita di un uomo che abbia usato esclusivamente energia generata da fonte nucleare