R e a t t o r e       M A R S

Il progetto del reattore nucleare MARS è stato sviluppato a partire dal 1983 presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare e Conversioni di Energia dell'Università degli Studi di Roma "LA SAPIENZA"

Premessa

Descrizione dell'impianto

Risultati analisi di sicurezza

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Gruppo di lavoro

Premessa

L'impianto nucleare M.A.R.S. (Multipurpose Advanced Reactor inherently Safe) è un reattore nucleare appartenente alla filiera dei P.W.R. (Pressurized Water Reactor) concepito allo scopo di fornire un elevato grado di sicurezza dovuto all'utilizzo di tecniche che sfruttano principi fisici naturali. Tali tecniche assicurano la minimizzazione del rischio di incidenti (tale rischio risulta minore di quello che si avrebbe per un evento ultra catastrofico, ad esempio la caduta di un meteorite). Ciò significa che la probabilità di danneggiamento del "core" e' notevolmente ridotta rispetto a quella di altre tipologie di reattori anche appartenenti alla stessa filiera. Il ricorso a tecniche di sicurezza passiva permette, inoltre, di ridurre il numero di persone qualificate operanti nell'impianto; ciò comporta sia vantaggi economici sia una riduzione della probabilità di incidente dovuto all'errore umano.

I criteri di progetto del M.A.R.S. sono basati sull'intenzione di perseguire, oltre al miglioramento del fattore sicurezza, anche una riduzione dei costi di impianto. A tale scopo si è realizzata una semplificazione dei disegni delle strutture realizzata tramite l'utilizzo di nuove soluzioni che hanno condotto ad una massimizzazione di preassemblaggio, ad una facilità di montaggio e smontaggio dei componenti strutturali, alta testabilità, facilità di riparazione dei componenti usurati.

Descrizione dell'impianto nucleare M.A.R.S.

Il reattore dell'impianto nucleare M.A.R.S. è moderato e refrigerato ad acqua leggera in condizioni di sottoraffreddamento (reattore ad acqua pressurizzata): la potenza nominale del nocciolo è di 600 MW termici. Nella tabella seguente sono riportati i principali dati caratteristici del reattore M.A.R.S.

Il sistema di refrigerazione del reattore si articola in un solo circuito, che comprende una pompa ed un generatore di vapore a circolazione naturale del tipo a tubi ad U. Direttamente connesso con il recipiente in pressione del reattore è anche il sistema di refrigerazione di sicurezza del nocciolo (Safety Core Cooling System: SCCS), che costituisce l'aspetto innovativo dal punto di vista della rimozione del calore residuo. Il sistema SCCS si articola su tre circuiti in cascata: il primo, percorso dallo stesso refrigerante del nocciolo, trasferisce il calore attraverso uno scambiatore intermedio all'acqua in pressione di un secondo circuito, la quale, a sua volta, lo trasferisce all'acqua di una piscina che per evaporazione e condensazione lo trasferisce all'atmosfera esterna. Nei tre circuiti il moto dei fluidi è garantito dalla circolazione naturale; il sistema non necessita della presenza di componenti energizzati.

In condizioni di normale esercizio la circolazione del refrigerante primario nel primo circuito dello SCCS è impedita da una speciale valvola. Tale valvola è tenuta in posizione "normalmente chiusa" dalla differenza di pressione esistente, nel refrigerante primario, tra ingresso ed uscita del recipiente in pressione, differenza che si traduce in una forza in grado di mantenere l'otturatore in posizione sollevata. Nel caso di riduzione di portata di refrigerante primario, qualunque ne sia la causa (ad esempio rallentamento della pompa primaria dovuto a mancanza di alimentazione elettrica), la differenza di pressione tra ingresso ed uscita decresce e decresce quindi la forza che tiene l'attuatore sollevato, quando tale forza scende al di sotto del peso dell'otturatore, questo inizia a muoversi verso il basso, fino al raggiungimento della battuta meccanica e quindi della completa apertura dell'area di passaggio, non essendo possibili posizioni intermedie da parte dell'otturatore; tale valvola presenta, inoltre, perdite di carico estremamente ridotte. Una volta che la valvola si è aperta, nel primo circuito dello SCCS si innesca circolazione naturale in virtù della differenza di quota dei due attacchi del circuito al recipiente in pressione; successivamente la circolazione naturale è assicurata dalla differenza di temperatura esistente fra le due "gambe" del circuito. Il primo circuito cede il calore asportato dal nocciolo ad un secondo circuito il cui funzionamento è garantito in modo analogo dalla circolazione naturale. Questo secondo circuito, infine, cede calore all'acqua contenuta in una piscina che progressivamente, si riscalda fino a raggiungere l'ebollizione. Tale riscaldamento è caratterizzato dalla pressurizzazione dell'ambiente che sovrasta la piscina e che svolge la funzione di convogliare la miscela aria-vapore in esso presente verso l'atmosfera, costringendola però prima a passare all'interno di un fascio di tubi alettati disposti in un camino; il progressivo riscaldamento del fascio tubiero innesca la circolazione naturale di aria esterna nel camino, la quale da luogo alla condensazione del vapore. Il condensato è raccolto e rinviato in piscina, mentre l'aria è spinta verso l'atmosfera. Lo scambiatore di calore vapore/aria disposto al di sopra della piscina precedentemente descritto, consente, per sua natura, la refrigerazione del nocciolo per un tempo praticamente "infinito" senza alcuna necessità di intervento di operatore o di altro sistema di emergenza.

Il reattore M.A.R.S. è inoltre dotato di un sistema capace di arrestare la reazione a catena non appena le condizioni di funzionamento del reattore si discostino da quelle nominali; tale sistema (Additional Temperature-actuated Scram System: ATSS), che si aggiunge al tradizionale sistema automatico di scram, è realizzato attraverso una serie di barre di controllo/sicurezza le quali vengono inserite nel nocciolo non per effetto di uno specifico sistema di controllo/protezione, ma per semplice dilatazione delle coppie bimetalliche presenti all'interno del nocciolo. Queste, sensibili alla temperatura del refrigerante nel nocciolo, assicurano lo spegnimento della reazione a catena non appena tale temperatura dovesse superare di una quantità prefissata il valore nominale, relativo al normale esercizio.

E' evidente che i due sistemi di sopra descritti possono operare correttamente solo se viene impedita la possibilità di perdita di refrigerante dall'interno del sistema di refrigerazione primario, con conseguente possibile incremento di temperatura e deformazione delle strutture interne del nocciolo stesso. Per questo motivo l'intero circuito del refrigerante primario (recipiente in pressione, pompa, generatore di vapore, circuito di refrigerazione di sicurezza) è situato all'interno di un sistema (Containment for Primary system Protection; CPP) contenente acqua a bassa temperatura ed alla stessa pressione che regna nel reattore; eliminando sollecitazioni di pressione sulle pareti dell'involucro che contiene il refrigerante del nocciolo, se ne assicura l'assoluta integrità, ed anche in caso di rottura si assicura la conservazione della quantià di refrigerante. L'inclusione del sistema di refrigerazione primario all'interno di un componente pressurizzato contenente acqua a bassa temperatura consente inoltre di ridurre drasticamente i livelli di radiazione dell'edificio reattore, con tutti i vantaggi che da ciò derivano.

Il progetto M.A.R.S. prevede, infine, la possibilità di smontaggio e sostituzione addirittura di tutti i componenti a contatto con il refrigerante, incluso il recipiente in pressione del nocciolo, grazie all'adozione di collegamenti flangiati tra i diversi componenti e tra questi e le tubazioni. Questa soluzione é resa possibile proprio dalla presenza del contenitore pressurizzato che, annullando praticamente la differenza di pressione tra interno ed esterno del circuito primario, permette di superare brillantemente i problemi di tenuta sulle giunzioni flangiate.

Il progetto dell'intero impianto M.A.R.S. é finalizzato alla massima semplificazione delle operazioni di smantellamento finale dello stesso. Per questo motivo é stato drasticamente ridotto l'ammontare delle opere realizzate in calcestruzzo armato mentre é stato fatto ampio uso, per il supporto dei componenti e per la realizzazione delle opere di servizio, di strutture realizzate in ferro e collegate tramite bullonature. Questo consente sia una facile smontabilità delle strutture sia un più semplice ricondizionamento per un successivo riutilizzo dei materiali.