Reattore nucleare modulare pebble bed

Sfera di grafite per reattore nucleare "pebble bed".

Struttura e composizione delle sfere di grafite in un reattore nucleare tipo "pebble bed".

Schema di reattore tipo "pebble bed".

Il reattore nucleare modulare pebble bed noto anche come PBMR (sigla inglese di Pebble Bed Modular Reactor), oppure come PBR (Pebble Bed Reactor) o come HTGR (High Temperature Gas Reactor) è una serie di progetti avanzati di reattore nucleare a fissione con caratteristiche innovative.
I fautori di questa tecnologia dichiarano un aumento notevole del livello di sicurezza e di efficienza energetica. Invece di acqua, il reattore utilizza ciottoli (pebbles) di grafite pirolitica come moderatore di neutroni, e un gas inerte o semi-inerte come elio, azoto o anidride carbonica come refrigerante, a temperature molto alte, per muovere una turbina direttamente. Questo elimina il complesso sistema di gestione del vapore ed aumenta l'efficienza di trasferimento (rapporto tra potenza elettrica e termica) a circa il 50%.
Inoltre, questi gas non disciolgono contaminanti o assorbono neutroni come invece fa l'acqua, dunque il nucleo contiene meno fluidi radioattivi e risulta più economico rispetto ad un reattore BWR oppure PWR, ad acqua leggera o pesante.

Storia

Il concetto di base venne ideato dal prof. Rudolf Schulten nel 1950, allo scopo di costruire un reattore molto semplice e sicuro, con un combustibile standardizzato. Il punto cruciale fu l'idea di combinare combustibile, struttura, contenimento, e moderatore in una piccola e resistente sfera. Ciò venne reso possibile dalla disponibilità di forme di carburo di silicio e grafite pirolitica che erano molto resistenti, anche a temperature di 2000 °C. La geometria naturale delle sferule strettamente impaccate provvede alla formazione degli spazi di raffreddamento ed alla giusta densità di combustibile per il nucleo del reattore. Per rendere la sicurezza ancora più semplice, il nucleo ha una densità di potenza bassa, circa il 3,3% di quella di un reattore nucleare ad acqua leggera. Questa tecnologia venne sviluppata in Germania ma per ragioni politiche e tecniche si decise di abbandonarla. È attualmente allo studio in varie forme da parte del MIT, e dalle società PBMR (Sudafrica), General Atomics ed Adams Atomic Engines INL (USA), Romawa B.V. (Paesi Bassi), e Chinergy (Cina, in collaborazione con la università di Tsinghua).

Nel novembre 2005, venne annunciato che un nuovo PBR sarebbe stato costruito nella località di Koeberg, in Sudafrica.

Progetto base

Come ogni reattore nucleare a fissione, il PBMR produce calore, impiegato per muovere una turbina che è collegata ad un generatore elettrico. Il combustibile nucleare, che può essere uranio, torio oppure plutonio, che deve essere arricchito al 9,6% (in alcuni casi anche 10%), è costituito da sfere di grafite in cui sono disperse sferette di ossido di uranio con rivestimento multistrato in carbonio inerte, carburo di silicio e grafite pirolitica (che è un modesto moderatore dei neutroni) dispersi in grafite contenuta dentro ciottoli sferici in grafite pirolitica. Questi ciottoli si trovano in un recipiente a pressione in acciaio di forma cilindrica con calotte emisferiche; il contenitore (caldaia) è internamente rivestito in grafite, che ha un effetto riflettente sui neutroni emessi dalla reazione. Un gas inerte (elio) viene fatto circolare attraverso la caldaia e sottrae calore alle sfere; uscendo dalla caldaia a circa 900 °C; scambia quindi calore con un circuito d'acqua separato, un po' come nel reattore reattore Magnox, che vaporizza inviando quindi il vapore in una turbina convenzionale. In alternativa, il gas caldo viene inviato alla turbina, che sfrutta il salto entalpico, muovendo sia gli alternatori che un compressore.

Comparazione con i reattori convenzionali

Il principale vantaggio dichiarato del reattore "pebble bed" è di essere intrinsecamente sicuro. Infatti, all'aumento della temperatura si modifica l'orientamento della grafite pirolitica, che quindi varia le proprie capacità moderatrici: i neutroni emessi dal combustibile diventano più veloci, e non sostengono la fissione perché aumenta la cattura da parte del U²³⁸, limitando la potenza generata. Dato che la caldaia è progettata in modo da disperdere più calore di quanto non se ne produca nelle condizioni critiche descritte, si riesce ad ottenere una condizione di stallo nella quale il reattore, pur non interrompendo del tutto la generazione di calore, si pone spontaneamente in condizioni di limitazione dell'emissione di neutroni. Un secondo importante vantaggio sta nella continuità del funzionamento. Infatti le sfere di grafite, del diametro di circa 60 mm (una pallina da tennis), circolano all'interno del reattore in modo continuo (ve ne sono costantemente qualche centinaio di migliaia), e una certa quantità ne esce, mossa dal flusso di elio, viene separata dal gas e rimessa nel reattore, meno qualche sfera spurgata se trovata esaurita al controllo, ed ovviamente reintegrata. Non è quindi necessario fermare il reattore per il refueling (ricarica).

Un vantaggio economico del PBMR sui reattori moderati/raffreddati ad acqua, leggera o pesante, è che opera a temperature maggiori. Il PBMR può riscaldare direttamente fluidi per turbine a bassa pressione.

Il PBR è detto "modulare" perché usa molti piccoli reattori in una grande centrale nucleare. Ciò è conveniente perché l'investimento di nuovi capitali può essere graduale e commisurato alla richiesta di energia nucleare: i siti che richiedono una maggiore capacità generatrice possono semplicemente installare più reattori. Il PBMR porta ad una maggiore affidabilità, dato che molti reattori condividono parte dell'attrezzatura e alcune parti possono essere sostituite in caso di problemi. A seconda del progetto, possono svilupparsi economie di scala.

La modularità, inoltre, consente la produzione di massa di piccoli reattori. Questo riduce il costo del ciclo di vita del sistema, in particolare nei settori della certificazione di sicurezza e della verifica del progetto (design qualification).

Nei sistemi modulari l'attrezzatura di raffreddamento delle turbine deve essere adattata al sito. Il sistema di raffreddamento compatibile con il maggior numero di siti è la torre di raffreddamento. Nelle zone vicine a corsi d'acqua, tuttavia, il raffreddamento ad acqua è molto meno costoso, poiché l'ottima capacità termica dell'acqua permette l'uso di attrezzatura più ridotta.

Voci correlate

• PIUS
• RBMK
• Reattore nucleare a fissione
• Reattori nucleari di IV generazione
• VHTR

Collegamenti esterni

Generale

• IAEA HTGR Knowledge Base, su iaea.org.
• Let a Thousand Reactors Bloom - articolo di Spencer Reiss sulla rivista Wired sulla tecnologia cinese dei "pebble bed"
• "'Pebble-bed' cracker to begin construction", China Daily, Feb 2006
• Nuclear Now! - article by Peter Schwartz and Spencer Reiss in Wired about "How clean, green atomic energy can stop global warming"
• "Nuclear activists radiate with anger", 2002
• What's wrong with the modular pebble bed reactor?, su tmia.com.
• AVR, experimental high-temperature reactor: 21 years of successful operation for a future energy technology ISBN 3184010155
• NPR's Living on Earth (February 24th, 2004) Living on Earth: Pebble Bed Technology -- Nuclear promise or peril?

Idaho National Laboratory

• Modular Pebble Bed Reactor Project, University Research Consortium Annual Report 2000, su inl.gov.
• A Preliminary Study of the Effect of Shifts in Packing Fraction on k-effective in Pebble-Bed Reactors 2001, su inl.gov.
• Modular Pebble-Bed Reactor Project: Laboratory-Directed Research and Development Program FY 2002 Annual Report, su inl.gov.
• Matrix Formulation of Pebble Circulation in the PEBBED Code 2002, su inl.gov.
• Conceptual Design of a Very High Temperature Pebble-Bed Reactor 2003, su inl.gov.
• NGNP Point Design - Results of the Initial Neutronics and Thermal-Hydraulic Assessments During FY-03, Rev. 1, su inl.gov (archiviato dall'url originale il 14 giugno 2006).
• New Generation Nuclear Plant (NGNP) Project, Preliminary Point Design 2003, su inl.gov.
• The Next Generation Nuclear Plant - Insights Gained from the INEEL Point Design Studies 2004, su inl.gov.
• Computation of Dancoff Factors for Fuel Elements Incorporating Randomly Packed TRISO Particles 2005, su inl.gov.

Compagnie/reattori

• MIT page on Modular Pebble Bed Reactor, su web.mit.edu.
• Criticality testing of the AVR, su fz-juelich.de. URL consultato il 25 aprile 2006 (archiviato dall'url originale il 13 giugno 2006).
• General Atomics' Gas Turbine Modular Helium Reactor, su ga.com.
• Romawa — Diesel replacement
• Adam's Atomic Engines — Diesel replacement, non-airbreathing engines
• Differences in American and German TRISO-coated fuels (PDF), su iaea.org.

Sud Africa

• Eskom
• PBMR (Pty.) Ltd., su pbmr.co.za.
• Atomic Energy in South Africa, su anti-atom.de.
• Earthlife Africa: Nuclear Energy Costs the Earth campaign, su earthlife-ct.org.za (archiviato dall'url originale il 28 agosto 2005).
• Science in South Africa, June 2003, "South Africa's nuclear programme"
• EIA, December 2003, Nuclear Power in South Africa
• Christian Science Monitor, 23 settembre 2003, "South Africa Looks to Next-Generation Nuclear Power: But last week, opponents filed papers against a new pebble-bed reactor near Cape Town"
• Steve Thomas (2005), "The Economic Impact of the Proposed Demonstration Plant for the Pebble Bed Modular Reactor Design", PSIRU, University of Greenwich, UK
• NPR (April 17th, 2006) NPR: South Africa Invests in Nuclear Power