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.