|
Approfondimento a cura di Lina Quintieri
La sigla UHTREX sta per Ultra High Temperature Experiment. Questo tipo di esperimento prevedeva la costruzione e la messa in funzione di un reattore sperimentale con l'obiettivo di testare le tecnologie necessarie per l'esercizio di reattori ad alta temperatura refrigerati a gas e moderati a grafite. Questo reattore fu costruito alla fine degli anni 1960 nell'edificio TA-52 dei laboratori di Los Alamos e fu operativo per circa 1 anno prima del definitivo shutdown avvenuto nel febbraio del 1970.
Lo smantellamento della centrale invece cominciò nel 1988 e fu completato nel 1990.
Il reattore UHTREX era refrigerato con elio gas attraverso un sistema consistente di un circuito primario, un circuito secondario ed uno scambiatore di calore fra i due (lo schema impiantistico è concettualmente simile a quello di un PWR dotato di un generatore di vapore come elemento si scambio fra il circuito primario e secondario). La pressione dell'elio nei due circuiti, in condizioni operative nominali, andava da 32 a 40 bar, tenendo il circuito secondario a pressione più alta del primario per evitare che si potessero verificare, nello scambiatore di calore primario, fughe di materiale radioattivo verso l'esterno. Nelle condizioni di funzionamento alla potenza massima, la temperatura del gas all'ingresso del core era di circa 850°C e la temperatura all'uscita di 1300°Centigradi.
L'impianto era anche dotato di uno scambiatore di calore rigenerativo denominato "recuperator", avente il compito di riscaldare il fluido primario di ritorno al nocciolo del reattore, dopo l'uscita dallo scambiatore di calore primario (il gas del circuito primario cede calore al gas del circuito secondario e lo recupera in parte nello scambiatore rigenerativo prima dell'ingresso nel nocciolo del reattore).
Si deve tenere in considerazione, che, in generale il rendimento termodinamico di un impianto viene di fatto aumentato se si riducono le irreversibilità legate ai processi di scambio termico. Se il calore venisse ceduto al termo-vettore che compie il ciclo termodinamico a temperatura costante e uguale a quella della sorgente si avrebbe un’efficienza del ciclo termodinamico vicina al valore ideale . Non deve quindi meravigliare che la maggior parte degli impianti prevedano un innalzamento della temperatura del fluido refrigerante prima dell'ingresso nella zona di sorgente del calore (nel caso specifico all'interno del nocciolo del reattore). Il "recuperator" inoltre aveva il compito di abbassare la temperatura del refrigerante primario da 1300 a 760°C, prima dell'ingresso di quest'ultimo nello scambiatore di calore principale. Il circuito secondari, per finire, rilasciava calore in atmosfera in un edificio esterno rispetto all'edificio reattore. Questo edificio di scarico del calore (denominato "The Dump Building") alloggiava dei tubi alettati e raffreddati da grandi ventilatori. Non era quindi previsto un sistema di produzione dell'energia elettrica, trattandosi di un reattore sperimentale concepito per testare tecnologie relative ai materiali per applicazioni in reattori ad elevatissime temperature.
Prima che venisse avviato lo studio dei reattori a gas ad elevate temperatura (e quindi prima degli anni 1960), il progetto della struttura interna dei reattori a grafite-gas prevedeva essenzialmente l'utilizzo di materiali che rilasciavano un considerevole ammontare di prodotti di fissione, tanto che dovevano essere previsti, all'interno del nocciolo, colonne di grafite a bassa permeabilità e sistemi adeguati per tenere sotto controllo i prodotti di fissione rilasciati dal combustibile. Con i reattori a gas ad alta temperatura prende il via un altro tipo di elemento di combustibile: questo veniva assemblato sotto forma di piccolissime sfere con un cuore di combustibile (coated particle fuel) e rivestite a cipolla da diversi strati di materiale protettivo, capaci di garantire nel contempo un efficiente controllo del rilascio dei prodotti di fissione e di raggiungere alti valori di burn-up senza necessità di prevedere complessi sistemi di contenimento e spurgo dei prodotti di fissione gassosi. Con questa nuova concezione di combustibile si riduceva drasticamente la contaminazione del gas refrigerante, rendendo meno costosi gli impianti di purificazione del fluido refrigerante.
Le caratteristiche principali che accomunano UHTREX ad altri reattori nucleari ad alta temperatura (General Atomic High Temperature Gas Cooled Reactor, OECD Project Dragon, i reattori a "pebble-bed" tedeschi, THTR, AVR , ecc.) possono essere riassunte nei punti seguenti:
(a) Alta temperatura di uscita del refrigerante (T>750 °C). Per UHTREX, come già detto, la temperatura massima del refrigerante all'uscita dal core era 1300°C.
(b) Assenza di materiale metallico nel nocciolo del reattore
(c) Utilizzo della grafite come materiale strutturale degli elementi di combustibile
(d) Utilizzo di particelle di combustibile incamiciate a multistrato
(e) Utilizzo di gas inerti come materiale refrigerante, in modo tale che la temperatura non venga limitata dalle interazioni chimiche del refrigerante con i materiali del nocciolo.
(f) Un'alta capacità termica complessiva del nocciolo del reattore in modo da garantire un soddisfacente assorbimento di energia durante fasi di transitorio.
(g) Il moderatore era incorporato con il materiale combustibile per formare l'elemento di combustibile , ossia la cellula base del nocciolo che veniva assemblata insieme alle altre nella formazione del core nucleare.
Quest'ultima caratteristica aveva due importanti implicazioni:
(1) La grafite doveva avere adeguate caratteristiche di resistenza e stabilità strutturale,
(2) La quantità di materiale da maneggiare nelle fasi di ricaricamento era più elevata, venendo rimosso anche il moderatore insieme al combustibile, con conseguenti maggiori precauzioni.
Vediamo ora quale combustibile veniva utilizzato nel reattore UHTREX:
Il reattore UHTREX usava uranio arricchito al 93% (si ricordi che la percentuale isotopica dell'U-235 nell'uranio naturale è solo dello 0.7%, quindi si tratta di materiale combustibile estremamente arricchito, con valori di arricchimento paragonabili a quelli usati nella produzione di ordigni nucleari) sotto forma di piccole sfere di ossido di Uranio UO2 rivestite con tre strati di carbone pirolitico, aventi un diametro di una centinaia di micron  (in sostanza la dimensione di un granello di sale da cucina). I diversi rivestimenti che compongono la particella di combustibile svolgono molteplici funzioni, fra cui:
(a) isolano il combustibile dal refrigerante, proteggendo in questo modo il combustibile da possibili deleterie reazioni chimiche:
(b) minimizzano il rilascio dei prodotti di fissione nell'elio refrigerante;
(c) contengono il combustibile e prevengono la sua diffusione ed espansione volumetrica ad alte temperature.
 Pellet di combustibile caratteristica dei reattori a gas ad alta temperatura
In definitiva, le particelle di combustibile così confezionate possono essere viste come elementi di combustibile in miniatura in cui gli strati di rivestimento agiscono come i recipienti in pressione per contenere i prodotti di fissione gassosi oltre a contenere lo stesso materiale combustibile che tende ad espandere al alte temperature. Grazie alle loro piccole dimensioni e alla forma sferica, queste particelle rivestite possono sopportare elevatissime pressioni
Nel reattore UHTREX, le pellets di combustibile venivano poi impiantate in una matrice di grafite, estrusa sotto forma di cilindri in cui erano previsti i fori per il passaggio del refrigerante. Il nocciolo era ottenuto per assemblaggio di questi cilindri di combustibile. Il reattore era dotato di un core rotante che permetteva il ricaricamento in continua del combustibile senza necessità di effettuare uno shutdown.
La potenza termica di progetto per il reattore UHTREX era di 3 MW con una densità media di 1.3 kW/litro. La temperatura media del combustibile in condizioni nominali di funzionamento del reattore fu circa 1400 °C, con un valore di picco di poco inferiore a 1600°C.
|
