I reattori avanzati rafforzano gli standard di sicurezza nucleare

Immagina un gigante d'acciaio sepolto in profondità nel cuore di una centrale nucleare, che sopporta una pressione e una radiazione inimmaginabili mentre protegge la ricerca dell'umanità sull'energia pulita. Questo è il recipiente a pressione del reattore (RPV), la pietra angolare della sicurezza delle centrali nucleari. Questo articolo approfondisce questo componente critico, esplorando la sua eccezionale ingegneria, la rigorosa selezione dei materiali e le tecnologie di sicurezza in evoluzione.

Il recipiente a pressione del reattore è un componente vitale delle centrali nucleari, che funge da robusta fortezza che racchiude il refrigerante del reattore, la schermatura del nocciolo e gli assemblaggi del combustibile. A differenza dei reattori RBMK di epoca sovietica, che collocavano ogni assemblaggio del combustibile in singoli tubi di 8 cm di diametro, la maggior parte delle moderne centrali nucleari si affida agli RPV per la sicurezza. Sebbene i reattori siano tipicamente classificati in base al tipo di refrigerante piuttosto che alla configurazione del recipiente, la presenza e il design del recipiente a pressione influiscono direttamente sulla sicurezza e sull'efficienza di un impianto.

Le classificazioni comuni dei reattori includono:

• Reattori ad acqua leggera (LWR): Il tipo più utilizzato, inclusi i reattori ad acqua pressurizzata (PWR) e i reattori ad acqua bollente (BWR).
• Reattori moderati a grafite: Esemplificati dal reattore RBMK di Chernobyl, con progetti nettamente diversi dalla maggior parte delle centrali nucleari civili in tutto il mondo.
• Reattori termici raffreddati a gas: Compresi i reattori avanzati raffreddati a gas (AGR), i reattori autofertilizzanti raffreddati a gas e i reattori raffreddati a gas ad alta temperatura. Il reattore Magnox del Regno Unito è un esempio classico.
• Reattori ad acqua pesante pressurizzata (PHWR): Utilizzo di acqua pesante (arricchita con deuterio) come moderatore o refrigerante. Il reattore CANDU del Canada è un importante PHWR.
• Reattori raffreddati a metallo liquido: Impiego di metalli fusi come sodio o leghe di piombo-bismuto per il raffreddamento.
• Reattori a sali fusi (MSR): Utilizzo di sali fusi a base di fluoruro come refrigeranti. Funzionando ad alte temperature e basse pressioni, gli MSR riducono lo stress sui recipienti del reattore.

Tra i principali tipi di reattori che utilizzano recipienti a pressione, i PWR affrontano una sfida distintiva: l'irradiazione neutronica (o fluenza neutronica) durante il funzionamento che infragilisce gradualmente i materiali del recipiente. Al contrario, i recipienti BWR—più grandi—forniscono una migliore schermatura neutronica. Sebbene ciò aumenti i costi di produzione, elimina la necessità di ricottura per prolungare la durata.

Per prolungare la durata dei recipienti PWR, i fornitori di servizi nucleari come Framatome (precedentemente Areva) e gli operatori stanno sviluppando tecnologie di ricottura. Questo processo complesso e di alto valore mira a ripristinare le proprietà dei materiali degradate dall'irradiazione prolungata.

Nonostante le variazioni di progettazione, tutti i recipienti a pressione PWR condividono caratteristiche chiave:

• Corpo del recipiente: Il componente più grande, che ospita gli assemblaggi del combustibile, il refrigerante e le strutture di supporto. Tipicamente cilindrico con un'apertura superiore per il caricamento del combustibile.
• Testa del recipiente: Fissata alla parte superiore, contenente le penetrazioni per gli azionamenti delle barre di controllo e le sonde del livello del refrigerante.
• Assemblaggi del combustibile: Schiere a griglia di barre contenenti miscele di uranio o uranio-plutonio.
• Schermatura del nocciolo: Una barriera cilindrica che protegge il recipiente dai neutroni veloci, che causano l'infragilimento.

I materiali RPV devono resistere ad alte temperature e pressioni riducendo al minimo la corrosione. I gusci dei recipienti utilizzano tipicamente acciaio ferritico a bassa lega rivestito con 3-10 mm di acciaio inossidabile austenitico (per le aree a contatto con il refrigerante). I progetti in evoluzione hanno incorporato leghe arricchite di nichel come SA-302 B (acciaio Mo-Mn) e gradi SA-533/SA-508 per una maggiore resistenza allo snervamento. Questi acciai ferritici Ni-Mo-Mn offrono un'elevata conducibilità termica e resistenza agli urti, ma la loro risposta alle radiazioni rimane critica.

Nel 2018, Rosatom ha sviluppato la tecnologia di ricottura termica per mitigare i danni da radiazioni, estendendo la durata del recipiente di 15-30 anni (dimostrato presso l'Unità 1 di Balakovo). Gli ambienti nucleari sottopongono i materiali a un incessante bombardamento di particelle, spostando gli atomi e creando difetti microstrutturali. Questi difetti—vuoti, dislocazioni o aggregati di soluti—si accumulano nel tempo, indurendo i materiali riducendo al contempo la duttilità. Le impurità di rame (>0,1% in peso) aggravano l'infragilimento, aumentando la domanda di acciai "più puliti".

Il creep—deformazione plastica sotto stress prolungato—si intensifica ad alte temperature a causa della migrazione più rapida dei difetti. Il creep assistito dalle radiazioni deriva dalle interazioni stress-microstruttura, mentre gli ioni idrogeno (dalla radiolisi del refrigerante) inducono la criccatura da corrosione sotto stress tramite tre meccanismi teorici: riduzione della coesione, pressione interna o formazione di bolle di metano.

Nuovi approcci mirano a stabilizzare gli atomi spostati utilizzando i bordi dei grani, i soluti sovradimensionati o le dispersioni di ossidi (ad esempio, ittria). Questi riducono la segregazione degli elementi, migliorando la duttilità e la resistenza alle cricche. Sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare le leghe resistenti alle radiazioni.

A partire dal 2020, i principali produttori di RPV includono:

• Cina: China First Heavy Industries, Erzhong, Harbin Electric, Shanghai Electric
• Francia: Framatome
• India: L&T Special Steels (con BARC/NPCIL)
• Giappone: Japan Steel Works, IHI Corporation
• Russia: OMZ-Izhora, ZiO-Podolsk, AEM-Atommash
• Corea del Sud: Doosan
• Regno Unito: Rolls-Royce (reattori navali)