Cerca nel blog

Loading

22 aprile 2011

Come si raffredda un reattore BWR


Pubblichiamo questo post grazie ai contributi di valeriano e ilmarion, che ci hanno fornito il materiale di base, insieme a questo utilissimo link in lingua inglese.

Cominciamo con il cercare di capire come avviene il raffreddamento di un nocciolo di un reattore ad acqua bollente in condizioni di funzionamento normale. Quando un reattore è acceso e funzionante lo scopo del raffreddamento è quello di portare via calore dalle barre di combustibile nucleare, trasformare l'acqua liquida in vapore, far girare delle turbine e produrre energia elettrica. Possiamo vedere lo schema di base nella figura qui a fianco che adesso andiamo ad analizzare nel dettaglio. Pariamo dal circuito blu, che è quello che fa circolare l'acqua all'interno del pressure vessel; attraverso le pompe di ricircolo e le "jet pump" l'acqua viene iniettata da circa metà dell'altezza del vessel, inviata sul fondo del contenitore per poi risalire all'interno del nocciolo, dove si scalda e parte di questa si trasforma in vapore. Questo vapore viene essiccato e fatto uscire dal pressure vessel e dal contenimento attraverso la linea di vapore principale, arrivare nel locale turbine adiacente, far girare le turbine appunto e ritornare acqua liquida in uno scambiatore di calore. Ovviamente sia le pompe che portano acqua dal locale turbine al pressure vessel (circuito verde) sia quelle di ricircolo hanno bisogno di corrente elettrica per poter funzionare, ma questa ce ne è in abbondanza visto che il reattore è in funzione.

Quando un reattore viene spento, ovvero viene interrotta la reazione a catena, c'è ancora parecchio calore da portare via (vedi post sul calore di decadimento). Quando il reattore è spento è perché non si vuole produrre energia, quindi non serve portar fuori il vapore diretto verso i locali turbine, però non si può smettere di raffreddare il combustibile che continua ad emettere calore. Entra in funzione il cosiddetto RHR (residual heat removal) che vedete illustrato nello schema qui a fianco. Si fanno due cose, vengono escluse (circuito violetto) le turbine dal circuito del vapore che arriva direttamente in un condensatore dove torna ad essere acqua che viene ripompata attraverso il circuito verdino nel RPV. L'altra operazione è quella di deviare parte dell'acqua di ricircolo (circuito azzurrino) verso uno scambiatore di calore esterno, in modo da far ricircolare acqua fresca e mantenere la temperatura all'interno del nocciolo sotto i 100 gradi.  Entrambi questi sistemi hanno bisogno di corrente elettrica per funzionare. Questi due sistemi necessitano di corrente elettrica che adesso deve essere fornita dall'esterno perché il reattore non ne sta producendo. Nella centrale di Fukushima Daiichi le pompe del sistema RHR si trovano sotto il livello del terreno e nel caso del reattore 2 sono anche probabilmente coperte da alcuni metri di acqua proveniente dalla wet-well che sappiamo essere danneggiata.

In caso che mancasse la corrente, o quando per qualsiasi motivo la linea del vapore principale dovesse essere chiuso o inutilizzabile, c'è ancora una possibilità, ovvero utilizzare il RCIC (reactor core isolation cooling), questo dovrebbe essere in grado di garantire per alcune ore un adeguato raffreddamento del nocciolo. Lo vedete descritto nell'immagine qui a fianco. Questo si basa su due presupposti: la presenza di una wet-well, ovvero una vasca posizionata sotto al pressure vessel che contiene dell'acqua e un set di turbine di emergenza. In fondo il calore residuo può essere usato per produrre elettricità; quindi la linea principale del vapore viene chiusa e deviata verso turbine speciali di emergenza che hanno il solo scopo di produrre energia per le pompe di questo circuito di emergenza. Queste prendono acqua da una vasca esterna, lo inviano verso il nocciolo dove raffredderà le barre e produrrà altro vapore. Il vapore esausto, ovvero quello che ha già attraversato la turbina del RCIC viene inviato a condensarsi all'interno della wet-well e l'acqua in eccesso viene rimandata al contenitore esterno. Questo circuito sembra essere la soluzione di tutti i problemi, ma non è così: ce ne sono almeno tre. Il primo è che il vapore esausto immesso nella wet-well va a scaldare l'acqua ivi contenuta, quando questa inizierà a bollire, allora non ci sarà più modo di far condensare il vapore. Il secondo è che a causa della bassa efficienza, può essere efficacemente usato solo per qualche ora. Il terzo è che necessita di una piccola quantità di energia esterna per il suo controllo e che deve essere fornita attraverso batterie elettriche.

Questo RCIC ha raffreddato i reattori di Fukushima nelle primissime fasi dell'incidente, prima purtroppo di arrestarsi. A quel punto, l'acqua nel nocciolo ha cominciato ad evaporare, aumentando la pressione e abbassando il livello di copertura delle barre. Per evitare il peggio, cioè la fusione del nocciolo, TEPCO ha cominciato a iniettare acqua di mare con tutti i modi a sua disposizione, nella speranza di sommergere le barre e di poter rifar partire RHR. Quest'ultimo necessita di corrente elettrica, ora ripristinata, ma devono essere ricostruiti i quadri elettrici che sono stati distrutti o rovinati dallo tsunami, e soprattutto le pompe devono essere sostituite visto che si sono trovate allagate nei locali turbine.

E per questo, TEPCO ha pensato una strategia alternativa per venire fuori da questa emergenza: la roadmap.

Chiunque può lasciare commenti su questo blog, ammesso che vengano rispettate due regole fondamentali: la buona educazione e il rispetto per gli altri.

Per commentare potete utilizzare diversi modi di autenticazione, da Google a Facebook e Twitter se non volete farvi un account su Disqus che resta sempre la nostra scelta consigliata.

Potete utilizzare tag HTML <b>, <i> e <a> per mettere in grassetto, in corsivo il testo ed inserire link ipertestuali come spiegato in questo tutorial. Per aggiungere un'immagine potete trascinarla dal vostro pc sopra lo spazio commenti.

A questo indirizzo trovate indicazioni su come ricevere notifiche via email sui nuovi commenti pubblicati.

12 commenti:

  1. Molto ben fatto, forse vale solo la pena di puntualizzare meglio un dettaglio.
    Il RCIC entra in funzione quando la linea di vapore principale è interrotta per un motivo qualsiasi (rottura turbine, rottura genratori, valvola chiusa, rottura di tubature, ecc.): di conseguenza il vapore non arriva più alle turbine principali e non c'è produzione di energia elettrica della centrale. In questo caso, come ben illustrato dallo schema, il vapore prodotto viene deviato verso delle turbine di emergenza che permettono di mantenere il raffreddamento del reattore isolato dal sistema (da cui Reactor Core Isolation Cooling) e condensato nella SP.

    RispondiElimina
  2. Gracias, ho prontamente aggiunto il tuo suggerimento... prova a vedere se va bene...

    RispondiElimina
  3. Solo una precisazione pedante:
    le pompe del RHR di Fukushima 1 sono al livello -2060 dell'edificio reattore e molto probabilmente nel R2 sono pure sotto qualche metro di acqua della S/P assieme al locale del HPCI.

    A proposito:
    HPCI e RCIC hanno lo stesso percorso nello schema e la stessa forza motrice (turbina), ma l'HPCI ha pompe con 10 volte la portata.
    da quello che ho capito mi pare che sia un sistema "one shot" con cui si sommergono le barre indipendentemente dalla pressione nel RPV (infatti le sue pompe hanno una prevalenza mostruosa) fino al subentro dei circuiti a bassa pressione. E' corretto?

    BWR4
    Reactor Core Isolation Cooling System (RCIC)
    Pump Design Flow Rate and related Discharge Head range: 400 gpm @ 150 psia to 1120 psia (90.6 m3/h @ 10.3 bar ass)
    RCIC Uses RHR Heat Exchanger for Steam Condensation: Yes

    High Pressure Coolant Injection System (HPCI)
    Pump Design Flow Rate and related Discharge Head range: 4250 gpm @ 150 psig to 1120 psig (964m3/h @ da 10.34 a 70.3 bar rel)

    RispondiElimina
  4. mamoru, ho aggiunto le tue precisazioni. Per quanto riguarda il HPCI sto scaricando le parti del manuale che mi mancavano e poi ti dico.

    RispondiElimina
  5. ottimo ! una curiosita', ma la turbina "di servizio" aggancia direttamente sull'albero delle pompe tramite un sistema di ingranaggi, o convertono in energia elettrica e le alimentano ?

    RispondiElimina
  6. http://www.mhi.co.jp/en/products/category/pumps_for_nuclear_power_plant.html

    RispondiElimina
  7. @toto
    Piccola parentesi:
    ricordi quando dicevo che, secondo la mia esperienza, i gruppi elettrogeni erano belli grossi a guardare la planimetria?

    Ecco, ho fatto 2 conti e MINIMO erano da 3000kW (3MW) cad... in pratica due bestie turbocompresse con almeno 16/18 cilindri. Fai conto che il singolo GE piu' grosso che ho visto girare dal vivo era un 1,9 MW Mitsubishi.

    RispondiElimina
  8. E allora mamoru è un motivo in più per venire all'open-day ad Ispra. Noi abbiamo una centrale di cogenerazione con una potenza massima di 6 MWe mentre l'assorbimento massimo nelle ore di punta è di circa 5 MW (il ciclotrone ne prende una piccolissima parte, ma tutti i laboratori / uffici insieme fanno un bel totalone). Ci sono quattro generatori a gas, di cui uno a rotazione è in manutenzione.

    Ovviamente sono andato a visitare la centrale e anche io sono rimasto impressionato dalle dimensioni del generatore spento e dal rumore incredibile di uno dei due accesi che ho visto.

    Trovi altri dettagli sulla nostra cogenerazione <a href="http://unico-lab.blogspot.com/2010/03/la-cogenerazione.html>qui</a> e qui

    RispondiElimina
  9. Questo commento è stato eliminato da un amministratore del blog.

    RispondiElimina
  10. Questo commento è stato eliminato da un amministratore del blog.

    RispondiElimina
  11. Questo commento è stato eliminato da un amministratore del blog.

    RispondiElimina

Chiunque può lasciare commenti su questo blog, ammesso che vengano rispettate due regole fondamentali: la buona educazione e il rispetto per gli altri.

Per commentare potete utilizzare diversi modi di autenticazione, da Google a Facebook e Twitter se non volete farvi un account su Disqus che resta sempre la nostra scelta consigliata.

Potete utilizzare tag HTML <b>, <i> e <a> per mettere in grassetto, in corsivo il testo ed inserire link ipertestuali come spiegato in questo tutorial. Per aggiungere un'immagine potete trascinarla dal vostro pc sopra lo spazio commenti.

A questo indirizzo trovate indicazioni su come ricevere notifiche via email sui nuovi commenti pubblicati.

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...