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14 marzo 2013

CO2 o no?

Negli articoli e nelle foto riguardanti il nucleare si vedono spesso delle grosse torri che emettono "fumi" nell'atmosfera, tanto che nell'immaginario collettivo sono diventate il simbolo associato alle centrali nucleari, anche se poi in realtà queste torri non sono esclusive di queste ultime.
La centrale di Cattenom: tipiche torri di raffreddamento
Frequentemente, si lascia anche intendere in maniera più o meno sottintesa che questi "fumi" contengano CO2. Bene, sfatiamo questo mito parlando di cosa sono e come funzionano le torri di raffreddamento di una centrale nucleare.
Una torre di raffreddamento è un dispositivo che permette la riduzione dell'inquinamento termico degli scarichi industriali in genere, non necessariamente quindi dell'industria nucleare. Nel seguito ci riferiremo comunque solo a queste.
Prima della loro introduzione, l'acqua di laghi, fiumi o del mare era utilizzata direttamente per raffreddare il vapore delle turbine. Questo modo di raffreddare provocava il rilascio nell'ambiente di acqua molto calda che perturbava l'habitat marino. Per ridurre l'impatto ambientale di questi scarichi si sono quindi messi in opera diversi meccanismi di raffreddamento, fra cui le famose torri.

Esistono due tipi di torri di raffreddamento, a circolazione forzata, più compatte e meno vistose, e quelle a circolazione naturale, che sono quelle mostrate nella foto sopra, con la forma di un iperboloide e molto alte. Noi parleremo qui di questo secondo tipo: la differenza con quella a circolazione forzata è essenzialmente di tipo costruttivo e non di impiego o di funzionamento.
L'impianto di raffreddamento di cui fa parte la torre è quella parte che serve a far condensare il vapore uscente dalle turbine, si tratta quindi del ramo freddo dei condensatori a valle delle turbine. Come in ogni scambiatore di calore questi due impianti sono fisicamente separati, e quindi non c'è alcuna miscelazione di acqua fra il ramo vapore delle turbine e quello che va alla torre di raffreddamento, e quindi neanche contatto con parti potenzialmente radioattive della centrale. Il calore ceduto dalla condensazione del vapore delle turbine è quello che in definitiva deve essere smaltito dalla torre di raffreddamento. I due schemi di seguito dovrebbero chiarire il suo utilizzo.


L'acqua del bacino idrico è inviata ad un serbatorio alla base della torre di raffreddamento, da cui viene prelevata e inviata al condensatore, dove riceve il calore dal vapore della turbina (il calore latente di evaporazione). L'acqua cosi' riscaldata è inviata ad uno spruzzatore nella torre di raffredamento, dove per convezione naturale si raffredda e ritorna nel serbatoio.

Vediamo ora come funziona la vera e propria torre di raffreddamento a convezione naturale.

Il raffreddamento è ottenuto tramite contatto diretto dell'aria con l'acqua calda, che è spruzzata da un anello circolare alla base della torre. Questo provoca l'evaporazione di una piccola quantità di acqua e lo scambio di una grossa quantità di calore con l'aria, che aumenta quindi di temperatura alla base della torre. L'aria calda, come è noto, tende a salire e a sfuggire dalla sommità della torre. La torre è aperta alla base, come si vede bene nella foto a destra:
Schema di una torre di raffreddamento

 per permettere all'aria fredda di entrare. A causa della depressione causata dall'aria calda che sale si genera infatti una sorta di risucchio che richiama aria fredda e produce una forte corrente d'aria, che facilita a sua volta il raffreddamento dell'acqua. Naturalmente la forza di questa corrente ascensionale dipende dalla lunghezza del camino, ed è per questo che le torri di raffreddamento a circolazione naturale sono molto alte. Queste torri superano spesso largamente i 100 metri di altezza.
L'efficacia di raffreddamento è notevole. In un giorno normale la temperatura di uscita dell'acqua si aggira intorno ai 22°C, mentre in una giornata calda e afosa puo' salire fino a 34°C.

Il "fumo" che si vede salire dalla torre di raffreddamento di una centrale nucleare è quindi costituito solo da aria calda e vapore acqueo, e nessun CO2 viene emesso nell'atmosfera in seguito al raffreddamento. E' anche appena il caso di notare che questo sistema non consuma acqua, in quanto si inserisce nel ciclo naturale di evaporazione/condensazione.

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9 commenti:

  1. Ottimo articolo. Chiaro, semplice e corretto (anche grammaticalmente, cosa che oggigiorno purtroppo non è scontata).
    Purtroppo chi è convinto che dalle torri di raffreddamento esca CO2 ora dirà semplicemente che sei prezzolato dalle multinazionali dell'energia.
    Saluti,
    Mauro.

    RispondiElimina
  2. grazie!

    Magari fossi "prezzolato" da una multinazionale dell'energia... d'altronde, non c'è niente di segreto di quanto scritto nel post!

    RispondiElimina
  3. Articolo eccellente!

    Volevo solo segnalare una nota in merito a questa frase: Come in ogni scambiatore di calore questi due impianti sono fisicamente
    separati, e quindi non c'è alcuna miscelazione di acqua fra il ramo
    vapore delle turbine e quello che va alla torre di raffreddamento, e
    quindi neanche contatto con parti potenzialmente radioattive della
    centrale.

    La frase riportata è senz'altro vera per i BWR. Viceversa per i PWR già l'acqua che arriva in turbina è isolata dall'acqua radioattiva del primario percui quanto scrivete è ancora maggiormente veritiero. Ed è poi il caso specifico delle macchine standard PWR francesi di cui alla fotografia. Tra parentesi Cattenom ha 4 PWR e 4 torri, se ne vedono solo 3 nella foto :)
    Saluti
    SM

    RispondiElimina
  4. Ci avevo pensato a precisare che nei PWR il circuito turbine è separato da quello di raffreddamento del nocciolo. Poi ho optato per una semplificazione, visto che non era direttamente collegato. Ho formulato quindi una frase che puo' andare bene in ogni caso.

    La foto di Cattenom non l'ho fatta io, ma è tagliata, hai ragione. Ho preso una foto che avevo già adattato per un altro contesto. Ecco una originale:

    http://www.lessentiel.lu/dyim/b1794a/B.M600,1000/images/content/1/4/9/14966079/10/topelement.jpg

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  5. Paolo Ruffatti22 marzo 2013 10:53

    Caro SM, volevo dire che i 4 gruppi di fukushima sono tutti Boiling Water, quindi non stiamo parlando di PWR.

    Poi chiedo (non me ne intendo) lo scambio che avviene nel condensatore acqua-acqua (acqua lato turbina radioattiva) - (acqua di raffreddamento lato torre) siamo sicuri che in questo passaggio la radioattività non riesca a "passare" i tubi di scambio ed uscire quindi nello spray all'interno della torre e quindi in atmosfera?

    Grazie e cordiali saluti.

    PS: la stessa cosa vale per il sistema di filtrazione (denominato Off-gas) comune ai 4 gruppi, o "letti di ritardo" a carbone, scoppiati immediatamerente a Fukushima, come si vede dalle foto aeree a causa della abnorme quantità di idrogneo che ha generato lo scoppio degli edifici e anche di questo sistema, liberando all'atmosfera tutti gas (Kripton e Xeno) che normalmente vengono prodotti nella fissione nucleare e trattati da questo sistema, dopo essere stati estratti dal condensatore come "Incondensabili".

    RispondiElimina
  6. 1) PWR/BWR : @SergioManera:disqus lo sa assolutamente. Ma siccome il post voleva essere generico e non legato specificamente a Fukushima, la precisazione era corretta.

    2) L'acqua lato turbina non è normalmente radioattiva neanche nei BWR, tranne - forse, al più - essere appena appana debolmente attivata. Di certo nessuno vuole avere radioattività che se ne va a spasso nella centrale in condizione operative normali.

    L'acqua di raffreddamento del nocciolo in condizioni normali (condizione che daro' per scontata in tutto il seguito) non è nemmeno in contatto con il combustibile e i prodotti di decadimento, che rimangono contenuti nelle famose guaine di zircalloy a tenuta stagna. Ancora una volta, nessuno vuole avere radioattività che se ne va a spasso nella centrale.

    Nel caso di un PWR l'acqua che raffredda il nocciolo non è la stessa di quella che passa nelle turbine. Il circuito primario di raffreddamento è separato fisicamente da quello secondario delle turbine, perché il primario appunto deve essere a elevata pressione. Nel caso del BWR, questi due circuiti coincidono e il vapore delle turbine è effettivamente quello proveniente dal raffreddamento.
    Ma il circuito di raffreddamento a valle di questi è ancora una volta separato fisicamente da quello del vapore passante nelle turbine.

    Nell'ipotesi pure in cui ci fosse radioattività in quest'acqua (ipotesi di discussione, perché nella realtà non ce n'è), non si miscelerebbe a quella di raffreddamento delle torri, né si potrebbe parlare di attivazione, perché ci vorrebbe un flusso di neutroni enorme, come solo nel nucleo esiste.
    La ragione di avere tanti circuiti è proprio quella di separare bene le diverse parti (termodinamiche) della centrale, visto anche che ogni scambiatore di calore in più, fra l'altro, abbassa l'efficienza termodinamica.



    Allegati, due schemini di centrale e di uno scambiatore (ipersemplificato)


    http://en.wikipedia.org/wiki/File:PressurizedWaterReactor.gif
    http://www.nrc.gov/images/reading-rm/basic-ref/students/student-bwr.gif

    RispondiElimina
  7. Non sono molto d'accordo circa l'attività dell'acqua primaria in generale. Questa tende ad essere fortemente attivata a causa dell'esposizione al campo neutronico, in particolare a causa dell'azoto disciolto in acqua che produce grandi quantità di N-13 e N-16. Questi hanno il vantaggio di essere a vita media brevissima (al più minuti) quindi non sono affatto un problema radiologico. C'è ovviamente anche il trizio, ma permettetemi di soprassedere a questi beta di energia minima.

    Differente il discorso per la contaminazione. Purtroppo l'acqua svolge un'azione erosiva e anche se ultra pura tende a portarsi via del cobalto-60 proveniente dalle strutture metalliche attivate su cui scorre copiosa.

    L'acqua del primario contiene anche qualche prodotto di fissione, anche in condizioni normali. Ti ricordi il problema che aveva avuto il PWR di Tsuruga? Guarda questo grafico http://1.bp.blogspot.com/-gthu_4D6jNg/TcOZd05kehI/AAAAAAAAEnY/NSeBQ6ttt1A/s1600/tsuruga.png

    Si vede che in normale funzionamento ci sono livelli tipo 0.1 Bq/cm3 di iodio-131, 1 Bq/cm3 di iodio-133 e 10 Bq/cm3 di xeno-133. Il monitoraggio di questi isotopi è costante in modo da valutare eventuale fessurazioni.

    Tutto questo per dire che l'acqua del primario è sempre un po' radioattivo, nulla in confronto con l'acqua contaminata di Fukushima (inizialmente era 1MBq/cm3!) e che comunque l'impatto radiologico è minimale vista la vita media breve.

    RispondiElimina
  8. Ben detto, @toto_unicolab:disqus , mi sono fatto prendere un po' la mano lo ammetto :-)
    L'acqua del primario è comunque poi filtrata. Nel caso del PWR ci importa poco perché non va nelle turbine, il caso del BWR è un po' più complesso perché sono presenti le due fasi nel reattore.

    Domanda: quanta di quella parte finisce poi realmente nelle turbine? Direi che i prodotti attivati restano per la maggior parte nell'acqua e non salgono col vapore, il quale è separato e deumidificato prima di essere mandato alle turbine

    RispondiElimina
  9. questa è più una domanda di chimica che di fisica. Comunque la dose nell'edificio turbine di un BWR è piuttosto elevata, anche se sparisce pressoché subito dopo lo spegnimento del reattore.

    RispondiElimina

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