Analisi termofluidodinamica dei reattori nucleari innovativi refrigerati a gas

  
 
“Lo scienziato non è l’uomo  
che fornisce le vere risposte:  
 è quello che pone le vere domande” 
 
Claude Lévi Strauss 
Ringraziamenti 
 
Un primo doveroso ma soprattutto sentito ringraziamento va ancora ed una volta ai miei genitori 
senza il cui costante supporto, dimostratomi principalmente nei momenti di difficoltà, non sarei mai 
riuscito a completare i miei studi universitari, né tanto meno a raggiungere questo ulteriore 
traguardo. 
Ringrazio tutti i familiari e gli amici (che qui sarebbe troppo lungo elencare) per la continua 
vicinanza e l'affettuoso supporto morale fornitomi durante questi lunghi anni universitari.  
Infine, last but not least, un ringraziamento speciale e sentito va ai miei tutori che prima ancora 
di avermi fornito un’impeccabile guida scientifica sono stati per me un esempio umano e morale 
che non dimenticherò; un grazie va al Prof. Walter Grassi per l’infinita pazienza e disponibilità che 
fino all’ultimo ha continuato a dimostrare nei miei riguardi; una sincera gratitudine va al Prof. 
Nicola Cerullo con il quale ormai da lunghi anni collaboro e che continuamente mi dimostra 
un’attenzione ed un affetto che vanno ben al di là ed al di sopra di quanto normalmente “richiesto” 
ad un docente. 
Indice 
Glossario…………………………………………………………………………………………………….G-1 
Introduzione.………………………………………………………………………………………………….I-1 
Capitolo 1 – La Generation IV ed i reattori GCFR.....……………………………………………………….1-1 
 1-1 Le sei filiere proposte nell’ambito della Generation IV……………………………………………..……....1-1 
1-2 Il reattore GCFR…………………………………………………………………………………….……………1-11 
Capitolo 2 – Il fattore di impacchettamento e la sua influenza sulle proprietà della microcella..…..…...…..2-1 
2-1 Introduzione……………………………………….……………………………………………….……………….2-1 
2-2 Il bilancio energetico...………………………....….…………………………………………………….……….2-1 
2-3 Neutronica...……………………………………….……………………………………………………………....2-2 
2-4 Simulazioni termofluidodinamiche.……………….……………………………………………………………2-2 
2-5 Modellistica.……………………………………….……………………………………………………………...2-4 
2-6 Calcolo…….……………………………………….……………………………………………………………...2-5 
2-7 Risultati…………………………………………….……………………………………………………………...2-7 
2-8 Conclusioni……………………………………….……………………………………………………...............2-12 
Capitolo 3 – Calcolo complessivo del reattore ETDR…………………………………………………….....3-1 
3-1 Introduzione……………………………………….………………………………………………………………..3-1 
3-2 Il reattore ETDR………………………………….………………………………………………………………..3-1 
3-3 Nocciolo, assembly di combustibile e di riflettore..………………………………………………………......3-7 
3-4 Hot/Cold Leg………..…………………………….……………………………………………………………….3-9 
3-5 Scambiatore di calore.…………………………….…………………………………………………………......3-10 
3-6 Soffiante….……………………………………….……………………………………………………………......3-12 
3-7 Scambiatori ad aria.……………………………….……………………………………………………………..3-14 
3-8 DHR……………………………………….………………………………………………………………………..3-15 
3-9 Nodalizzazione RELAP5-3D
©
………………………………………………………………………………......3-16 
3-10 Risultati…...……………………………………...………………………………………………………….......3-21 
3-11 Conclusioni………………………………………..…………………………………………………................3-29 
Capitolo 4 – L’influenza sulla termofluidodinamica locale di un GCFR del fattore ε.……………………..4-1 
4-1 Introduzione……………………………………….………………………………………………………...........4-1 
4-2 Modellistica e calcolo.…………………………….……………………………………………………………..4-1 
4-3 Canale medio del calcolo stazionario.…………….…………………………………………………….........4-2 
4-4 Canale caldo del calcolo stazionario.…………….……………………………………………….……........4-6 
4-5 Canale medio del calcolo transitorio (LOFA)…….………………………………………………………....4-10 
4-6 Canale caldo del calcolo transitorio (LOFA)…….………….……………………………………………....4-17 
4-7 Conclusioni……………………………………….………………………………………………….…..............4-21 
Capitolo 5 – Vantaggi e possibilità dell’utilizzo della approssimazione agli elementi finiti…....…………..5-1 
5-1 Introduzione……………………………………….……………………………………………………………....5-1 
5-2 Modellistica………….…………………………….……………………………………………………………...5-1 
5-3 Calcolo e problematiche connesse.…………………………….………………………….…………………..5-2 
5-4 Conclusioni e prospettive future nell’uso del  codice FEMLAB
©
.……………………….………………...5-5 
Capitolo 6 – Conclusioni finali………………………………………………………………………….…...6-1 
Bibliografia.………………………………………………………………………………………………....B-1 
Appendice ...………………………………………………………………………………………………...A-1 
 
Sommario  S-1 
Sommario 
 
L’attuale tasso di incremento della richiesta energetica in Italia e più in generale nel mondo è 
ormai abbastanza costante da alcuni anni. Il progresso umano è andato (almeno fino ad oggi) di pari 
passo col consumo energetico. Riguardo ai consumi energetici vanno evitati sprechi ed inefficienze, 
ma un sufficiente approvvigionamento energetico fa parte dei più elementari diritti umani. Se si 
considerano gli aspetti fondamentali legati alle possibili fonti energetiche (disponibilità, costi ed 
impatto ambientale), emerge che, nel prossimo futuro, l'Italia (come il resto del Mondo) non potrà 
fare a meno dell'energia nucleare. 
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 con 
quelle dei reattori refrigerati con gas inerte. 
D'altro canto lo studio termofluidodinamico di tali reattori presenta delle peculiarità (letto di 
particelle di piccole dimensione con impacchettamento stocastico, generazione interna di calore ed 
elevava densità di potenza) tali da rendere necessario un accurata ed innovativa analisi della 
tematica in oggetto. La complessa problematica dell'asportazione, con l'elio, dell'elevata densità di 
potenza, caratteristica dei reattori a spettro veloce, è stata, fino ad ora, poco studiata. 
Da un’analisi accurata del problema è risultata la grande importanza del cosiddetto “fattore di 
impacchettamento” (ε) in quanto il gas fluisce fra la CP e gli effetti ottenuti vengono fortemente 
influenzati dalla reciproca posizione delle particelle stesse. Infatti confrontando i due casi estremi di 
impacchettamento, si nota la necessità di tenere conto della differenza rilevante che si individua 
negli “hot spot”, molto più elevati nella cella di tipo cubico a facce centrate rispetto alla cella cubica 
semplice. 
Quale risultato della presente ricerca è emerso che il fattore di impacchettamento ha, in ogni caso 
(anche nelle più gravose condizioni incidentali), un’influenza sulle condizioni locali di temperatura 
nettamente superiore a quella dovuta alla variazione di tutti gli altri parametri (differenza di 
temperatura fra ingresso e uscita, caduta di pressione, livelli medi di temperatura e/o di pressione 
all’interno della cella, etc.). 
In realtà la distribuzione delle microsfere sarà stocastica e sarà pertanto necessario, in sede di 
analisi di progetto, prendere in considerazione i valori più elevati degli “hot spot”, fino a che non 
sarà possibile determinare sperimentalmente il campo di variabilità del fattore ε. 
Sommario  S-2 
Qualora, nel calcolo globale dell'intero nocciolo, sia necessario utilizzare un modello semplificato 
(ad esempio quello del “mezzo poroso”), si dovrà tenere conto del fatto che le differenze locali di 
temperatura (ed i conseguenti fattori di picco) dovranno essere corrette sulla base dei risultati 
ottenuti nella presente ricerca. 
È emerso anche che, al fine di eseguire una corretta ed adeguatamente raffinata analisi 
termofluidodinamica dei reattori innovativi refrigerati a gas, sarà necessario caratterizzare 
opportunamente il termine di sorgente. Sarà quindi importante prevedere come ulteriore passo della 
presente ricerca una procedura di calcolo accoppiato neutronico-termofluidodinamico che, in modo 
iterativo, fornisca la potenza generata (output dei codici neutronici) come condizione al contorno 
per i calcoli termofluidodinamici, e la distribuzione di temperatura (output dei codici 
termofluidodinamici) come condizione al contorno dei calcoli neutronici. A tale scopo l’uso futuro 
del codice FEMLAB
©
 (qualora vengano risolte le questioni ancora aperte) rimane sicuramente una 
prospettiva da approfondire con ulteriori studi e ricerche. 
I risultati appaiono sicuramente interessanti e la ricerca sembra risultare meritevole di essere 
proseguita, principalmente in contesti internazionali. 
Introduzione  I-1 
Introduzione 
 
L’attuale tasso di incremento della richiesta energetica in Italia e più in generale nel mondo è 
ormai abbastanza costante da alcuni anni[I-1]. Il progresso umano è andato (almeno fino ad oggi) di 
pari passo col consumo energetico. Riguardo ai consumi energetici vanno evitati sprechi ed 
inefficienze, ma un sufficiente approvvigionamento energetico fa parte dei più elementari diritti 
umani[I-1]. 
Anche nel recente vertice mondiale sullo sviluppo sostenibile di Nairobi del novembre 2006 è 
emerso che l’energia rappresenta allo stesso tempo il problema e la soluzione: essa infatti rende 
possibile lo sviluppo ma è anche fonte di inquinamento. La risoluzione dei problemi emersi ed in 
particolare il soddisfacimento delle richieste di energia da parte dei Paesi in via di sviluppo assieme 
ad uno sviluppo rispettoso e compatibile con l’ambiente rappresentano uno dei problemi più 
importanti, delicati ed urgenti che le generazioni attuali e future sono chiamate a risolvere. Se le 
scelte riguardanti le fonti di approvvigionamento di tale energia continueranno ad essere guidate da 
criteri di breve respiro ed irrazionali, l'impatto, in termini ambientali e di sperpero delle risorse 
terrestri sarà, purtroppo, irreversibile. A tutt'oggi, la produzione di energia si basa ancora 
principalmente sull'uso dei combustibili fossili[I-2], ma il progressivo esaurimento dei giacimenti di 
più facile accesso e l'aumento della richiesta comportano un continuo incremento dei costi e un 
aumento dell'impatto sull'ambiente. 
Se si guarda alle possibili fonti di energia attualmente e nel prossimo futuro disponibili, 
rimangono aperte almeno tre importanti questioni: la disponibilità, l’economicità e l’impatto 
ambientale. In realtà anche questo, come tutti i problemi complessi, non è semplicemente scindibile 
in sottoproblemi indipendenti l’uno dall’altro. Ad esempio quantificare quale sia la reale 
disponibilità di una certa fonte energetica è funzione sia dei costi ritenuti “accettabili” per il suo 
approvvigionamento sia di quelli (non soltanto economici) necessari per contenere  l’impatto 
ambientale conseguente al suo utilizzo. D’altro canto, è impossibile stimare quale sia il reale costo 
di una fonte energetica senza considerare la sua disponibilità (soprattutto in funzione di quella delle 
altre possibili fonti) e le eventuali spese che è necessario sostenere per contenere entro limiti 
accettabili il suo impatto ambientale. 
Per ciò che concerne le risorse energetiche primarie in Italia, gran parte della nostra produzione di 
energia elettrica è (e sarà sempre di più) legata all’importazione di fonti di energia, se non 
direttamente di elettricità, dall’estero[I-2]. E particolarmente interessante è il confronto fra la 
situazione italiana e quella della Francia, Paese che, per cultura, tradizione, condizioni climatiche, 
disponibilità di fonti energetiche primarie, presenza di un grande azienda nazionale per la 
Introduzione  I-2 
produzione e la distribuzione dell’elettricità
1
 più degli altri è assimilabile al nostro. Il costo 
dell’energia per l’industria italiana è del 95% più alto di quello sostenuto dalle analoghe industrie 
transalpine[I-2]: è oltremodo ovvio come tale sovrapprezzo si ripercuota negativamente sulla 
competitività delle nostre aziende nazionali in un mercato sempre più globalizzato. 
Ed ultima ma non meno importante è la questione ambientale. Circa i 4/5 dell’attuale produzione 
energetica italiana sono ottenuti bruciando petrolio, gas naturale e (in misura minore) carbone: tutte 
e tre le fonti emettono nell’atmosfera massicce quantità di CO
2
 e di altri inquinanti cancerogeni. 
Anche lo stesso gas metano, tante volte pubblicizzato come una fonte energetica “pulita”, emette 
nell’atmosfera non solo CO
2
 ma soprattutto, a causa delle perdite durante il trasporto, non 
trascurabili quantità di CH
4
; quest’ultimo, ai fini del famigerato effetto serra, ha una potenzialità (a 
parità di quantità emesse) quattro volte superiore a quella della stessa CO
2
[I-1]. Attualmente l’unica 
fonte in grado di produrre una rilevante quantità del nostro fabbisogno energetico senza l’emissione 
in atmosfera di CO
2
 e di altri gas nocivi è il nucleare. Per un paese come l’Italia non solo firmatario, 
ma anche strenuo sostenitore del protocollo di Kyoto, è imprescindibile porsi il problema di come 
produrre l’energia elettrica sufficiente al proprio fabbisogno riducendo le attuali quantità di gas 
serra emessi nell’atmosfera. 
Da queste considerazioni discende che nel prossimo futuro l'Italia non potrà fare a meno 
dell'energia nucleare. A questo punto dovrà rivedere le sue avventate decisioni prese sulla base di 
una presunta volontà popolare. Un esame obbiettivo degli effetti sull'ambiente e sulla salute della 
popolazione degli attuali impianti convenzionali per la produzione di energia porta come risultato la 
quantificazione di una serie di danni ben superiore a quelli conseguenti a qualsiasi ipotizzabile 
incidente nucleare. Lo stesso incidente di Chernobyl, preso come “esempio illuminante” per 
dimostrare il drammatico impatto di un incidente nucleare, ha causato (ad un esame realistico 
effettuato dalla IAEA[I-3]) 64 morti, quasi tutti per cause immediate e meccaniche e, nel lungo 
periodo, non ha prodotto alcune dimostrabile variazione nella statistica delle malattie oncologiche. 
Tutto ciò prescindendo dalla singolarità sia del reattore sia delle cause che hanno provocato 
l'incidente. 
Tra i reattori di tipo occidentale definiti “a maggior sicurezza intrinseca”, il reattore a gas ad alta 
temperatura (HTR) a ciclo diretto rappresenta uno dei candidati più quotati, sia per la sicurezza 
(quasi assoluta[I-4]) sia per il suo elevato rendimento che per le sue caratteristiche di economicità[I-
5] 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 
con turbina a gas era stato proposto negli Stati Uniti da Farrington Daniels[I-2]. Il progetto non fu 
                                                 
1
 EDF in Francia ed ENEL in Italia 
Introduzione  I-3 
realizzato soprattutto perché la priorità fu data, per motivi strategici e politici, ai reattori per 
sottomarini militari raffreddati ad acqua (PWR). 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 condotto alla costruzione di tre prototipi (DRAGON nel 
Regno Unito, PEACH BOTTOM negli Stati Uniti ed 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. All'Università di Pisa questi reattori sono oggetto 
di studio da lungo tempo, sin dalle ricerche condotte a partire dal 1967 dal compianto Prof. Poggi e 
dal Prof. Cerullo, continuate poi anche all'Università di Genova[I-6] e tuttora in corso[I-7][I-8][I-9] 
presso l'Università di Pisa. 
Gli HTR sono caratterizzati da un nocciolo completamente ceramico e da un refrigerante 
neutronicamente non attivo e non corrosivo (elio o anidride carbonica) il che consente di poter 
avere alte temperature operative. La grande capacità termica del nocciolo e la sua bassa densità di 
potenza costituiscono la ragione della lenta progressione e delle limitate conseguenze di potenziali, 
anche se improbabili, incidenti. Queste caratteristiche sono alla base dell'attuale interesse per lo 
sviluppo dei reattori a gas ad alta temperatura (o HTGR, High Temperature Gas Cooled Reactor, 
come questi reattori sono chiamati negli Stati Uniti). 
L’elemento fondamentale della sicurezza per i reattori HTR è costituito dal fatto che, anche in 
situazione incidentale, per temperature inferiori a 1600°C, i prodotti di fissione sono completamente 
ritenuti nelle particelle elementari costituenti il combustibile (CP di tipo TRISO). Occorre 
sottolineare che la già citata bassa densità di potenza, tipica di questi reattori (qualche KW/l), fa 
anche sì che si possa ritenere che questa temperatura non venga mai raggiunta. 
Oggi tale filiera si può ragionevolmente ritenere una risposta innovativa per le attuali richieste del 
mercato mondiale dell'energia e per quelle future (auspicabili) quale la produzione di idrogeno e la 
desalinizzazione. I risultati ottenuti e quelli che si attendono dai reattori sperimentali situati in 
Giappone (HTTR) ed in Cina (HTR-10) insieme all'esperienza accumulata dall'esercizio di altri 
reattori raffreddati a gas, costituiscono una sicura base tecnologica per uno sviluppo commerciale 
presente (ad esempio il reattore PBMR in Sudafrica) e futuro. 
Oltre ai reattori a spettro termico precedentemente descritti, negli ultimi tempi sono divenuti 
oggetto di studio della comunità scientifica internazionale[I-10] 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 
Introduzione  I-4 
migliore sfruttamento del combustibile, fluenza più elevata con maggiori potenzialità di 
bruciamento delle scorie, etc.) con quelle, prima citate, dei reattori refrigerati con gas inerte. 
D'altro canto lo studio termofluidodinamico di tali reattori presenta delle peculiarità (letto di 
particelle di piccole dimensione con impacchettamento stocastico, generazione interna di calore ed 
elevava densità di potenza) tali da rendere necessario un accurata ed innovativa analisi della 
tematica in oggetto. 
In questo ambito si colloca il presente lavoro, volto ad analizzare gli aspetti critici relativi alle 
nuove problematiche termofluidodinamiche dei noccioli dei reattori nucleari refrigerati a gas ad 
elevata densità di potenza.