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ⓘ Reattore nucleare ad acqua supercritica




Reattore nucleare ad acqua supercritica
                                     

ⓘ Reattore nucleare ad acqua supercritica

Il reattore ad acqua supercritica o, in inglese, supercritical water reactor è un reattore di IV generazione che utilizza lacqua supercritica come fluido refrigerante. Gli SCWR assomigliano ai reattori nucleari ad acqua leggera ma operano a pressione e temperatura più elevati, con un ciclo diretto come un reattore ad acqua bollente, e lacqua si trova sempre nello stesso stato fluido come in un reattore ad acqua pressurizzata. Il BWR, il PWR e la caldaia supercritica sono tutte tecnologie provate. Il SCWR è un reattore avanzato promettente per via del suo alto rendimento termico e il suo design più semplice, ed è investigato da 32 organizzazioni in 13 paesi.

                                     

1.1. Design Combustibile

Il combustibile assomiglierà al combustibile dei LWR, probabilmente con gruppi di combustibili canalizzati come nei BWR per ridurre il rischio di punti caldi causati da variazioni di temperatura e pressione locali. Larricchimento del combustibile dovrà essere superiore per compensare per il rivestimento, che non potrà essere di zirconio costumario nel LWR, perché lo zirconio corroderebbe velocemente. Lacciaio inossidabile o leghe di nickel potrebbero essere usate. Le barre di combustibile devono sopportare lambiente supercritico corrosivo, oltre a una picco di potenza in caso demergenza. Ci sono quattro modi di fallimento durante un incidente: rottura fragile, collaso, danno da sovrapressione e scorrimento viscoso. Per ridurre la corrosione, lidrogeno potrebbe essere aggiunto all acqua. Almeno un concetto utilizza le particelle di combustibile per il reattore a gas avanzato, BISO. Questo utilizza un rivestimento di carburo di silicio resistente alla corrosione, solvendo il problema del rivestimento con un combustibile innovativo ma provato.

                                     

1.2. Design Controllo

Gli SCWR probabilmente avrebbero delle barre di controllo inserita da sopra il reattore come nei PWR.

                                     

1.3. Design Materiali

Le condizioni in un reattore SCWR sono più duri di quelli in un PWR, reattore a sodio o una centrale supercritica a energia fossile con cui è stata ottenuta molta esperienza, ma non include la combinazione di un ambiente corrosivo e unintensa radiazione neutronica. Gli SCWR necessitano uno standard di qualità superiore specialmente il rivestimento del combustibile di entrambi. Inoltre, alcuni elementi diventano radioattive dopo aver assorbito un neutrone, per esempio il cobalto-59 diventa Cobalto-60, un forte emittente di raggi gamma, quindi le leghe che contenenti cobalto sono inadatti ai reattori. La ricerca si focalizza su:

  • La chimica dellacqua supercritica sotto radiazione corrosione da stress, e mantenere la resistenza alla corrosione sotto radiazione di neutroni e alta temperatura
  • La stabilità dimensionale e microstrutturale prevenendo linfragilimento, ritenendo la forza e resistenza allo strisciamento anche sotto irradiamento e alte temperature
  • I materiali che resistono sia alle condizioni dure e non assorbono troppi neutroni che influenza negativamente leconomia del carburante.


                                     

2.1. Vantaggi e sfide Vantaggi

  • Un reattore SCWR a neutroni veloci può essere un reattore autofertilizzante, e può bruciare gli Attinoidi.
  • La più alta temperatura del Ciclo di Rankine migliora lefficienza del reattore ~45% vs. ~33% per i LWR correnti.
  • Lacqua è liquida a temperatura ambiente, economica, non tossica e trasparente, semplificando lazione di manutenzione e ispezione in confronto ai reattori a metallo liquido.
  • Lefficienza vuol dire uneconomia di carburante migliore e un carico più leggero, quindi il calore residuo sarebbe minore.
  • Lacqua supercritica ha un eccellente trasferimento di calore.
  • Gli SCWR sono, generalmente, a ciclo diretto permettendo un design semplice, come il BWR è più semplice del PWR. Non ci sono separatori o asciugatori di vapore, pompe di ricircolo interno, e non cè flusso di ricircolo interno. Lenergia contenuta nella struttura di contenimento è più bassa.
  • Uno SCWR ad acqua pesante può trasmutare combustibile dal Torio elemento 4x più abbondante delluranio, con immunità alla proliferazione migliore rispetto ai trasmutatori di plutonio.
                                     

2.2. Vantaggi e sfide Sfide

  • Sviluppo e ricerca estensiva sulla chimica dellacqua supercritica sotto leffetto delle radiazioni.
  • Una procedura speciale è necessaria per evitare instabilità durante laccensione
  • Il refrigerante ha una densità minore nella parte superiore del reattore, quindi materiale moderante maggiore è richiesto in quella zona. Molti design hanno una calandria interna che dirige lacqua di alimentazione con dei tubi verso la parte superiore del reattore, che fornisce ulteriore moderazione in quella regione. Questo ha lulteriore vantaggio di poter raffreddare lintera parete del recipiente con lacqua di alimentazione, ma risulta in una calandria e plena complessi ed esigenti nei materiali. Un design a tubi di pressione ha potenzialmente meno problemi, visto che la maggior parte del moderatore si trova nella calandria a bassa temperatura e pressione, riducendo leffetto della densità sulla moderazione, e il tubo di pressione può essere raffreddato dallacqua della calandria.
  • Un inventario dacqua più basso dato il circuito primario più piccolo vuol dire che la capacità termica per tamponare transienti e incidenti per esempio perdita di acqua di alimentazione o grande perdita di refrigerante risultando in temperature di transito e demergenza troppo grandi per i convenzionali rivestimenti di metallo.
  • Uno SCWR a neutroni veloci necessita si di un nucleo relativamente complesso per aver un Coefficiente di vuoto negativo.
  • Temperature alte combinate con pressioni più alti e un aumento di temperatura maggiore attraverso il reattore in confronto ai reattori BWR e PWR risultano in dagli stress fisici e termici sui materiali incrementati, difficili da risolvere. Un design a tubi di pressione, dove il nocciolo è diviso in tanti recipienti di pressione, ha potenzialmente meno problemi, poiché un diametro più piccolo può essere molto più sottile di una grande recipiente a pressione, e possono essere isolato con isolamento di ceramica inerte così da poter essere operato a più bassa moderatore a calandria temperatura.