Impianto per lo smaltimento passivo del calore all'interno di una struttura di contenimento di un reattore nucleare (EPO)
Tipologia
Fascicolo
Descrizione
Corrispondenza tra Ansaldo (ing. Cinotti, ing. Proto, dott. Beltrami, ing. Leone, avv. Salvadè, ing. Locatelli) e studio di consulenza Jacobacci, Casetta & Perani.
Specifiche del brevetto
Titolare: ENEL Spa (ceduto a ENEL da Finmeccanica Spa Azienda Ansaldo)
Inventori: Luciano Cinotti, Giuseppe Proto
Riassunto: Forma oggetto della presente invenzione un impianto per lo smaltimento del calore dall’ambiente interno della struttura di contenimento di un reattore nucleare, che comprende quanto segue:
un primo scambiatore esterno alla struttura di contenimento e immerso verticalmente in una piscina associata esternamente alla parete di sommità della struttura di contenimento;
un secondo scambiatore, posto nell’ambiente interno.
Il primo ed il secondo scambiatore sono collegati idraulicamente tra loro su circuito chiuso con tubazioni contenenti un fluido termovettore.
La piscina è provvista di una copertura che definisce un primo condotto in comunicazione con una presa d’aria esterna ed un secondo condotto in comunicazione con un camino.
Il collegamento dei due circuiti tra loro è impedito dall’acqua presente nella piscina quando essa si trova ad un livello predeterminato.
Definizione del campo della tecnica in cui si colloca l’invenzione: I reattori nucleari insieme al loro circuito di raffreddamento primario sono posti all’interno di una struttura di contenimento primario, fatta di acciaio e di calcestruzzo, che è usualmente costituito da diversi strati o pareti. Detta struttura di contenimento primario è a sua volta posta all’interno di un edificio le cui pareti laterali ed il cui tetto sono in comunicazione con l’atmosfera esterna.
Qualora si verifichi una condizione di emergenza, il calore generato dal reattore nucleare all’interno della struttura di contenimento primario deve essere dissipato all’esterno dell’edificio senza rilasciare all’esterno qualsiasi fluido contenuto nella struttura primaria.
Si osserva che, per raggiungere gli eventuali requisiti di sicurezza, il modo di dissipare il calore deve essere passivo, per esempio non deve fare affidamento su mezzi di controllo automatici o manuali, sull’uso di pompe o simili e deve essere attivato intrinsecamente da fenomeni fisici naturali, collegati a caratteristiche strutturali.
Questa invenzione riguarda un sistema per dissipare il calore generato all’interno dell’edificio di contenimento di un reattore nucleare, in particolare per dissipare qualsiasi calore generato per l’improvviso verificarsi di un malfunzionamento del dispositivo di raffreddamento.
Tecnica nota e limiti della tecnica nota: È noto un metodo di smaltimento del calore in cui è impiegato uno scambiatore di calore esterno in comunicazione termica con l’interno del circuito da raffreddare. Lo scambiatore di calore esterno rilascia nell’atmosfera il calore proveniente dall’interno. Lo scambiatore di calore utilizza un fluido vettore di calore in circolazione naturale per trasferire calore da dentro e, inoltre, è posto all’interno di un condotto aperto provvisto di un camino a tiraggio naturale, per cui è realizzata una dissipazione più efficiente aumentando la velocità del fluido d’aria nelle vicinanze dello scambiatore di calore.
L’approccio della tecnica nota, tuttavia, comporta l’uso di uno scambiatore di calore esterno avente ampie superfici finalizzate a trasferire il calore di decadimento, generato durante lo stadio iniziale dell’emergenza, all’aria circostante e, pertanto, il costo è elevato; inoltre, quando l’acqua è utilizzata per portare calore, devono essere installate delle griglie nella ciminiera per impedire all’acqua interna dello scambiatore di calore di congelarsi quando la temperatura è bassa. La presenza delle griglie sopraccitate è in conflitto con la necessità suddetta di operazione passiva.
Definizione del problema risolto dall’invenzione: Forma oggetto della presente invenzione un sistema per dissipare il calore, generato all’interno del contenimento di un reattore nucleare, qualora si verifichi un incidente.
Esposizione dell’idea inventiva: Forma oggetto della presente invenzione un impianto per lo smaltimento passivo del calore, che dovesse svilupparsi particolarmente in caso di incidente, all’interno della struttura di contenimento di un reattore nucleare; detta struttura di contenimento è costituita da un basamento, da pareti laterali e da almeno una parete di sommità ed è provvista di un camino la cui sommità è in comunicazione con l’ambiente esterno.
L’impianto comprende un primo scambiatore di calore, posto all’esterno della struttura di contenimento ed un secondo scambiatore di calore posto all’interno della struttura di contenimento del reattore.
Il primo ed il secondo scambiatore sono collegati idraulicamente tra loro su circuito chiuso con tubazioni contenenti un fluido termovettore ed attraversanti la struttura di contenimento.
L’impianto per lo smaltimento passivo del calore oggetto dell’invenzione ha le caratteristiche indicate nel seguito.
Include una piscina contenente acqua ad un livello predeterminato; la piscina è associata alla struttura di contenimento ed è posta in prossimità della sua parete di sommità.
Il primo scambiatore di calore è immerso nell’acqua della piscina e si estende verticalmente da una base adiacente al fondo della piscina ad una parte di sommità, suddividendo la piscina in due parti idraulicamente connesse tra loro.
La piscina è provvista di una copertura, che comprende almeno un setto divisore esteso tra la parete da base del camino e la parte di sommità del primo scambiatore; detta copertura definisce un primo ed un secondo condotto ciascuno sovrastante una rispettiva zona.
Uno dei condotti è in comunicazione con una presa d’aria esterna e l’altro è in comunicazione col camino suddetto.
Il collegamento dei condotti tra loro è impedito dall’acqua presente nella piscina quando l’acqua si trova ad un livello predeterminato
Il secondo scambiatore comprende un fascio di tubi alettati, interposti tra un collettore inferiore ed u collettore superiore, posti a quote differenti e connessi idraulicamente attraverso almeno un tubo liscio.
Il primo scambiatore comprende elementi a fascio tubiero, formati da tubi alettati in modo elicoidale.
Descrizione di almeno un esempio di realizzazione: L’impianto per lo smaltimento del calore oggetto della presente invenzione è associato all’edificio di contenimento di un reattore nucleare.
L’impianto per lo smaltimento del calore suddetto comprende una piscina colma d’acqua fino ad un livello predeterminato, sostenuta dalla superficie esterna della parete di sommità. La piscina ha uno sviluppo anulare sull’intera parete di sommità.
La piscina è interposta tra una pluralità di primi condotti con una presa d’aria dall’atmosfera esterna dell’edificio di contenimento e una pluralità di secondi condotti d’uscita, ciascuno terminante con un camino, il quale presenta una parete di base. I primi ed i secondi condotti sono definiti da una copertura che sovrasta la piscina. La coppia di condotti costituisce un insieme che si ripete lungo uno sviluppo anulare della piscina a distanze regolari.
La descrizione che segue è riferita ad una coppia di primi e di secondi condotti restando sottinteso che ogni componente citato, se non diversamente indicato, è presente per ogni coppia di condotti presenti nell’edificio di contenimento.
Un primo scambiatore di calore è costituito da una pluralità di elementi a fasci tubieri completamente immersi nella piscina. Ciascun elemento è disposto in modo da dividere la piscina geometricamente in due parti distinte; una parte rappresenta il termine del primo condotto, l’altra parte rappresenta l’inizio del condotto di uscita.
Un setto divisorio, che è parete di separazione tra i primi ed i secondi condotti ed è compreso nella copertura, si estende tra la parete di base del camino e la parte di sommità del primo scambiatore, in modo tale che la circolazione d’aria attraverso i condotti ed il camino è impedita dalla presenza dell’acqua della piscina quando essa è al massimo del livello predeterminato.
Il setto divisorio termina con una canaletta a forma di U e rivolta verso il basso, che accoglie la parte di sommità dello scambiatore ed interseca il livello predeterminato dell’acqua.
Gli elementi del primo scambiatore sono disposti trasversalmente ai condotti e sono costituiti da fasci tubieri piegati a U, collegati ad un collettore di mandata e ad un collettore di scarico, definiti all’interno di un recipiente cilindrico verticale, che li sostengono a sbalzo.
I collettori hanno una sezione d’ingresso e una sezione d’uscita; a dette sezioni sono collegati, rispettivamente, un condotto di mandata ed un condotto di scarico, che attraversano le strutture di contenimento in corrispondenza delle rispettive pareti di sommità.
Il secondo scambiatore è sospeso alla superficie interna della parete di sommità della struttura di contenimento; pertanto, esso è contenuto nell’ambiente interno della struttura di contenimento interna, ove è alloggiato il reattore nucleare.
I due scambiatori e i condotti definiscono un circuito chiuso, opportunamente svuotato di gas incondensabili e riempito di un fluido termovettore che, ad esempio, può essere costituito da acqua o da una miscela bifase di acqua e vapore.
Il fluido termovettore opera in circolazione naturale nel circuito chiuso non essendo presenti mezzi di circolazione forzata quali, ad esempio, pompe.
Il circuito chiuso determina quindi una comunicazione termica tra la piscina e l’ambiente interno della struttura di contenimento del reattore.
Il secondo scambiatore interno, in base ad una versione preferita dell’invenzione, è costituito da un fascio di tubi diritti e alettati, disposti su più schiere. Il fascio è disposto tra un collettore inferiore ed un collettore superiore, messi a quote differenti e rispettivamente connessi al condotto di scarico ed al condotto di mandata.
I collettori sono inoltre collegati idraulicamente tra di loro tramite un tubo ulteriore, liscio, diritto e di diametro maggiore rispetto ai tubi del fascio.
Il secondo scambiatore è posto all’interno di un canale verticale aperto, realizzato, ad esempio, in lamiere metalliche ed è sorretto dalla parete interna del tetto interno, che definisce una via di circolazione naturale per l’aria ed il vapore contenuti nell’ambiente interno.
In condizioni di attesa, ovvero in assenza di situazioni incidentali che comportino la generazione di calore all’interno del contenimento del reattore, la piscina è colma al massimo della sua capienza fino ad un livello tale da intersecare il setto divisorio; in questo modo, la circolazione naturale di aria attraverso la via definita dal primo e dal secondo condotto è impedita dal battente dell’acqua.
La temperatura dell’acqua della piscina è mantenuta intorno a valori simili a quelli della temperatura dell’ambiente interno della struttura di contenimento attraverso lo scambio termico assicurato dal circuito chiuso e dai due scambiatori.
Al verificarsi di una situazione incidentale l’aria interna alla struttura di contenimento del reattore subisce un forte riscaldamento; in particolare, se il reattore nucleare è del tipo ad acqua è molto probabile che si verifichi anche la liberazione di una grande quantità di vapore.
A questo punto, la differenza di temperatura esistente tra l’ambiente interno della struttura di contenimento dell’acqua della piscina innesca la circolazione del fluido termovettore all’interno del circuito; ne consegue il trasferimento di calore tra detto ambiente interno e l’acqua della piscina , la quale entra in ebollizione, mentre il vapore presente nell’ambiente interno condensa nello scambiatore; anche il fluido termovettore evapora parzialmente nel secondo scambiatore e condensa parzialmente nei fasci tubieri del primo scambiatore.
È importante quindi notare come i meccanismi di scambio termico coinvolti presentino tutti alti coefficienti di trasferimento del calore; questo fatto rende l’impianto di smaltimento in grado di smaltire una grande quantità di calore proprio nel momento in cui ciò è più necessario, ovvero negli istanti che seguono l’incidente.
L’ebollizione dell’acqua della piscina ne fa abbassare il livello al di sotto del setto divisorio e, quindi, è aperta la via di circolazione naturale dell’aria, definita dai due circuiti.
La circolazione naturale si innesca prevalentemente perché il camino si riempie di vapore d’acqua, che ha una densità inferiore a quella dell’aria; questo fatto provoca un tiraggio naturale rilevante che impone la circolazione dell’aria nei condotti.
L’aria circolante investe una porzione scoperta del primo scambiatore; detta porzione è rimasta scoperta a causa dell’abbassamento del livello della piscina, il quale definisce anche una porzione immersa del primo scambiatore nell’acqua della piscina.
Nella porzione scoperta del primo scambiatore il meccanismo di scambio termico esterno passa dall’ebollizione alla convezione forzata in aria secca.
Superata la porzione scoperta del primo scambiatore, l’aria circolante, secondo una versione preferita dell’impianto, è indotta a lambire il pelo libero dell’acqua della piscina per tutta la sua lunghezza da un prolungamento del setto divisorio, che contribuisce a definire il percorso del secondo condotto. Questo accorgimento permette di asportare con maggior efficienza il vapore che si genera nella piscina, causando il raffreddamento della piscina stessa al di sotto dei 100 ⁰C, aumentando ulteriormente l’efficienza del trasferimento complessivo di calore.
Con il progredire della situazione incidentale, in assenza di alcun intervento esterno finalizzato a rifornire di acqua la piscina, questa si svuota; in questo caso, lo smaltimento di calore è comunque garantito a tempo indeterminato dalla circolazione dell’aria nei condotti. Il tiraggio naturale in detti condotti è ora determinato dalla differenza di densità dell’aria contenuta nei due condotti ed è favorito dall’altezza del camino.
Il secondo scambiatore è strutturato per inviare vapore al primo scambiatore a fasci tubieri: infatti, all’interno dei tubi, l’acqua bolle ma non evapora completamente. Essendo il collettore superiore ad un livello sopraelevato rispetto al collettore inferiore, esso invia vapore attraverso il condotto di mandata mentre l’acqua rimanente torna, attraverso un tubo ulteriore, al collettore inferiore insieme all’acqua condensata del primo scambiatore. Questo accorgimento costruttivo rende l’acqua del secondo scambiatore più fredda. Il tubo ulteriore si comporta come un camino, benchè sia percorso dall’alto verso il basso, aumentando così il tiraggio naturale determinato dall’ebollizione nei tubi e quindi la velocità del fluido nei tubi, con un miglioramento del coefficiente di scambio termico all’interno del fascio tubiero, dove, a causa della pressione dell’acqua, l’ebollizione non può avvenire
Vantaggi:
1) Lo smaltimento è realizzato per un periodo di tempo indeterminato senza che siano necessari interventi esterni per ripristinare la quantità di acqua contenuta nella piscina.
2) È possibile smaltire una grande quantità di calore negli istanti seguenti al verificarsi della situazione incidentale senza che siano necessarie superfici di scambio grandi e costose.
3) La temperatura interna alla struttura di contenimento del reattore può essere ridotta progressivamente dopo il verificarsi della situazione incidentale, anche fino a valori al di sotto dei 100 ⁰C.
4) È prevenuta la formazione del ghiaccio sia all’interno del circuito chiuso sia nella piscina quando l’impianto è in condizioni di attesa.
5) L’impianto, a funzionamento totalmente passivo, si presta ad essere integrato con alcuni dispositivi a funzionamento attivo in grado di migliorare le sue prestazioni nel caso sia possibile utilizzarli.
Specifiche del brevetto
Titolare: ENEL Spa (ceduto a ENEL da Finmeccanica Spa Azienda Ansaldo)
Inventori: Luciano Cinotti, Giuseppe Proto
Riassunto: Forma oggetto della presente invenzione un impianto per lo smaltimento del calore dall’ambiente interno della struttura di contenimento di un reattore nucleare, che comprende quanto segue:
un primo scambiatore esterno alla struttura di contenimento e immerso verticalmente in una piscina associata esternamente alla parete di sommità della struttura di contenimento;
un secondo scambiatore, posto nell’ambiente interno.
Il primo ed il secondo scambiatore sono collegati idraulicamente tra loro su circuito chiuso con tubazioni contenenti un fluido termovettore.
La piscina è provvista di una copertura che definisce un primo condotto in comunicazione con una presa d’aria esterna ed un secondo condotto in comunicazione con un camino.
Il collegamento dei due circuiti tra loro è impedito dall’acqua presente nella piscina quando essa si trova ad un livello predeterminato.
Definizione del campo della tecnica in cui si colloca l’invenzione: I reattori nucleari insieme al loro circuito di raffreddamento primario sono posti all’interno di una struttura di contenimento primario, fatta di acciaio e di calcestruzzo, che è usualmente costituito da diversi strati o pareti. Detta struttura di contenimento primario è a sua volta posta all’interno di un edificio le cui pareti laterali ed il cui tetto sono in comunicazione con l’atmosfera esterna.
Qualora si verifichi una condizione di emergenza, il calore generato dal reattore nucleare all’interno della struttura di contenimento primario deve essere dissipato all’esterno dell’edificio senza rilasciare all’esterno qualsiasi fluido contenuto nella struttura primaria.
Si osserva che, per raggiungere gli eventuali requisiti di sicurezza, il modo di dissipare il calore deve essere passivo, per esempio non deve fare affidamento su mezzi di controllo automatici o manuali, sull’uso di pompe o simili e deve essere attivato intrinsecamente da fenomeni fisici naturali, collegati a caratteristiche strutturali.
Questa invenzione riguarda un sistema per dissipare il calore generato all’interno dell’edificio di contenimento di un reattore nucleare, in particolare per dissipare qualsiasi calore generato per l’improvviso verificarsi di un malfunzionamento del dispositivo di raffreddamento.
Tecnica nota e limiti della tecnica nota: È noto un metodo di smaltimento del calore in cui è impiegato uno scambiatore di calore esterno in comunicazione termica con l’interno del circuito da raffreddare. Lo scambiatore di calore esterno rilascia nell’atmosfera il calore proveniente dall’interno. Lo scambiatore di calore utilizza un fluido vettore di calore in circolazione naturale per trasferire calore da dentro e, inoltre, è posto all’interno di un condotto aperto provvisto di un camino a tiraggio naturale, per cui è realizzata una dissipazione più efficiente aumentando la velocità del fluido d’aria nelle vicinanze dello scambiatore di calore.
L’approccio della tecnica nota, tuttavia, comporta l’uso di uno scambiatore di calore esterno avente ampie superfici finalizzate a trasferire il calore di decadimento, generato durante lo stadio iniziale dell’emergenza, all’aria circostante e, pertanto, il costo è elevato; inoltre, quando l’acqua è utilizzata per portare calore, devono essere installate delle griglie nella ciminiera per impedire all’acqua interna dello scambiatore di calore di congelarsi quando la temperatura è bassa. La presenza delle griglie sopraccitate è in conflitto con la necessità suddetta di operazione passiva.
Definizione del problema risolto dall’invenzione: Forma oggetto della presente invenzione un sistema per dissipare il calore, generato all’interno del contenimento di un reattore nucleare, qualora si verifichi un incidente.
Esposizione dell’idea inventiva: Forma oggetto della presente invenzione un impianto per lo smaltimento passivo del calore, che dovesse svilupparsi particolarmente in caso di incidente, all’interno della struttura di contenimento di un reattore nucleare; detta struttura di contenimento è costituita da un basamento, da pareti laterali e da almeno una parete di sommità ed è provvista di un camino la cui sommità è in comunicazione con l’ambiente esterno.
L’impianto comprende un primo scambiatore di calore, posto all’esterno della struttura di contenimento ed un secondo scambiatore di calore posto all’interno della struttura di contenimento del reattore.
Il primo ed il secondo scambiatore sono collegati idraulicamente tra loro su circuito chiuso con tubazioni contenenti un fluido termovettore ed attraversanti la struttura di contenimento.
L’impianto per lo smaltimento passivo del calore oggetto dell’invenzione ha le caratteristiche indicate nel seguito.
Include una piscina contenente acqua ad un livello predeterminato; la piscina è associata alla struttura di contenimento ed è posta in prossimità della sua parete di sommità.
Il primo scambiatore di calore è immerso nell’acqua della piscina e si estende verticalmente da una base adiacente al fondo della piscina ad una parte di sommità, suddividendo la piscina in due parti idraulicamente connesse tra loro.
La piscina è provvista di una copertura, che comprende almeno un setto divisore esteso tra la parete da base del camino e la parte di sommità del primo scambiatore; detta copertura definisce un primo ed un secondo condotto ciascuno sovrastante una rispettiva zona.
Uno dei condotti è in comunicazione con una presa d’aria esterna e l’altro è in comunicazione col camino suddetto.
Il collegamento dei condotti tra loro è impedito dall’acqua presente nella piscina quando l’acqua si trova ad un livello predeterminato
Il secondo scambiatore comprende un fascio di tubi alettati, interposti tra un collettore inferiore ed u collettore superiore, posti a quote differenti e connessi idraulicamente attraverso almeno un tubo liscio.
Il primo scambiatore comprende elementi a fascio tubiero, formati da tubi alettati in modo elicoidale.
Descrizione di almeno un esempio di realizzazione: L’impianto per lo smaltimento del calore oggetto della presente invenzione è associato all’edificio di contenimento di un reattore nucleare.
L’impianto per lo smaltimento del calore suddetto comprende una piscina colma d’acqua fino ad un livello predeterminato, sostenuta dalla superficie esterna della parete di sommità. La piscina ha uno sviluppo anulare sull’intera parete di sommità.
La piscina è interposta tra una pluralità di primi condotti con una presa d’aria dall’atmosfera esterna dell’edificio di contenimento e una pluralità di secondi condotti d’uscita, ciascuno terminante con un camino, il quale presenta una parete di base. I primi ed i secondi condotti sono definiti da una copertura che sovrasta la piscina. La coppia di condotti costituisce un insieme che si ripete lungo uno sviluppo anulare della piscina a distanze regolari.
La descrizione che segue è riferita ad una coppia di primi e di secondi condotti restando sottinteso che ogni componente citato, se non diversamente indicato, è presente per ogni coppia di condotti presenti nell’edificio di contenimento.
Un primo scambiatore di calore è costituito da una pluralità di elementi a fasci tubieri completamente immersi nella piscina. Ciascun elemento è disposto in modo da dividere la piscina geometricamente in due parti distinte; una parte rappresenta il termine del primo condotto, l’altra parte rappresenta l’inizio del condotto di uscita.
Un setto divisorio, che è parete di separazione tra i primi ed i secondi condotti ed è compreso nella copertura, si estende tra la parete di base del camino e la parte di sommità del primo scambiatore, in modo tale che la circolazione d’aria attraverso i condotti ed il camino è impedita dalla presenza dell’acqua della piscina quando essa è al massimo del livello predeterminato.
Il setto divisorio termina con una canaletta a forma di U e rivolta verso il basso, che accoglie la parte di sommità dello scambiatore ed interseca il livello predeterminato dell’acqua.
Gli elementi del primo scambiatore sono disposti trasversalmente ai condotti e sono costituiti da fasci tubieri piegati a U, collegati ad un collettore di mandata e ad un collettore di scarico, definiti all’interno di un recipiente cilindrico verticale, che li sostengono a sbalzo.
I collettori hanno una sezione d’ingresso e una sezione d’uscita; a dette sezioni sono collegati, rispettivamente, un condotto di mandata ed un condotto di scarico, che attraversano le strutture di contenimento in corrispondenza delle rispettive pareti di sommità.
Il secondo scambiatore è sospeso alla superficie interna della parete di sommità della struttura di contenimento; pertanto, esso è contenuto nell’ambiente interno della struttura di contenimento interna, ove è alloggiato il reattore nucleare.
I due scambiatori e i condotti definiscono un circuito chiuso, opportunamente svuotato di gas incondensabili e riempito di un fluido termovettore che, ad esempio, può essere costituito da acqua o da una miscela bifase di acqua e vapore.
Il fluido termovettore opera in circolazione naturale nel circuito chiuso non essendo presenti mezzi di circolazione forzata quali, ad esempio, pompe.
Il circuito chiuso determina quindi una comunicazione termica tra la piscina e l’ambiente interno della struttura di contenimento del reattore.
Il secondo scambiatore interno, in base ad una versione preferita dell’invenzione, è costituito da un fascio di tubi diritti e alettati, disposti su più schiere. Il fascio è disposto tra un collettore inferiore ed un collettore superiore, messi a quote differenti e rispettivamente connessi al condotto di scarico ed al condotto di mandata.
I collettori sono inoltre collegati idraulicamente tra di loro tramite un tubo ulteriore, liscio, diritto e di diametro maggiore rispetto ai tubi del fascio.
Il secondo scambiatore è posto all’interno di un canale verticale aperto, realizzato, ad esempio, in lamiere metalliche ed è sorretto dalla parete interna del tetto interno, che definisce una via di circolazione naturale per l’aria ed il vapore contenuti nell’ambiente interno.
In condizioni di attesa, ovvero in assenza di situazioni incidentali che comportino la generazione di calore all’interno del contenimento del reattore, la piscina è colma al massimo della sua capienza fino ad un livello tale da intersecare il setto divisorio; in questo modo, la circolazione naturale di aria attraverso la via definita dal primo e dal secondo condotto è impedita dal battente dell’acqua.
La temperatura dell’acqua della piscina è mantenuta intorno a valori simili a quelli della temperatura dell’ambiente interno della struttura di contenimento attraverso lo scambio termico assicurato dal circuito chiuso e dai due scambiatori.
Al verificarsi di una situazione incidentale l’aria interna alla struttura di contenimento del reattore subisce un forte riscaldamento; in particolare, se il reattore nucleare è del tipo ad acqua è molto probabile che si verifichi anche la liberazione di una grande quantità di vapore.
A questo punto, la differenza di temperatura esistente tra l’ambiente interno della struttura di contenimento dell’acqua della piscina innesca la circolazione del fluido termovettore all’interno del circuito; ne consegue il trasferimento di calore tra detto ambiente interno e l’acqua della piscina , la quale entra in ebollizione, mentre il vapore presente nell’ambiente interno condensa nello scambiatore; anche il fluido termovettore evapora parzialmente nel secondo scambiatore e condensa parzialmente nei fasci tubieri del primo scambiatore.
È importante quindi notare come i meccanismi di scambio termico coinvolti presentino tutti alti coefficienti di trasferimento del calore; questo fatto rende l’impianto di smaltimento in grado di smaltire una grande quantità di calore proprio nel momento in cui ciò è più necessario, ovvero negli istanti che seguono l’incidente.
L’ebollizione dell’acqua della piscina ne fa abbassare il livello al di sotto del setto divisorio e, quindi, è aperta la via di circolazione naturale dell’aria, definita dai due circuiti.
La circolazione naturale si innesca prevalentemente perché il camino si riempie di vapore d’acqua, che ha una densità inferiore a quella dell’aria; questo fatto provoca un tiraggio naturale rilevante che impone la circolazione dell’aria nei condotti.
L’aria circolante investe una porzione scoperta del primo scambiatore; detta porzione è rimasta scoperta a causa dell’abbassamento del livello della piscina, il quale definisce anche una porzione immersa del primo scambiatore nell’acqua della piscina.
Nella porzione scoperta del primo scambiatore il meccanismo di scambio termico esterno passa dall’ebollizione alla convezione forzata in aria secca.
Superata la porzione scoperta del primo scambiatore, l’aria circolante, secondo una versione preferita dell’impianto, è indotta a lambire il pelo libero dell’acqua della piscina per tutta la sua lunghezza da un prolungamento del setto divisorio, che contribuisce a definire il percorso del secondo condotto. Questo accorgimento permette di asportare con maggior efficienza il vapore che si genera nella piscina, causando il raffreddamento della piscina stessa al di sotto dei 100 ⁰C, aumentando ulteriormente l’efficienza del trasferimento complessivo di calore.
Con il progredire della situazione incidentale, in assenza di alcun intervento esterno finalizzato a rifornire di acqua la piscina, questa si svuota; in questo caso, lo smaltimento di calore è comunque garantito a tempo indeterminato dalla circolazione dell’aria nei condotti. Il tiraggio naturale in detti condotti è ora determinato dalla differenza di densità dell’aria contenuta nei due condotti ed è favorito dall’altezza del camino.
Il secondo scambiatore è strutturato per inviare vapore al primo scambiatore a fasci tubieri: infatti, all’interno dei tubi, l’acqua bolle ma non evapora completamente. Essendo il collettore superiore ad un livello sopraelevato rispetto al collettore inferiore, esso invia vapore attraverso il condotto di mandata mentre l’acqua rimanente torna, attraverso un tubo ulteriore, al collettore inferiore insieme all’acqua condensata del primo scambiatore. Questo accorgimento costruttivo rende l’acqua del secondo scambiatore più fredda. Il tubo ulteriore si comporta come un camino, benchè sia percorso dall’alto verso il basso, aumentando così il tiraggio naturale determinato dall’ebollizione nei tubi e quindi la velocità del fluido nei tubi, con un miglioramento del coefficiente di scambio termico all’interno del fascio tubiero, dove, a causa della pressione dell’acqua, l’ebollizione non può avvenire
Vantaggi:
1) Lo smaltimento è realizzato per un periodo di tempo indeterminato senza che siano necessari interventi esterni per ripristinare la quantità di acqua contenuta nella piscina.
2) È possibile smaltire una grande quantità di calore negli istanti seguenti al verificarsi della situazione incidentale senza che siano necessarie superfici di scambio grandi e costose.
3) La temperatura interna alla struttura di contenimento del reattore può essere ridotta progressivamente dopo il verificarsi della situazione incidentale, anche fino a valori al di sotto dei 100 ⁰C.
4) È prevenuta la formazione del ghiaccio sia all’interno del circuito chiuso sia nella piscina quando l’impianto è in condizioni di attesa.
5) L’impianto, a funzionamento totalmente passivo, si presta ad essere integrato con alcuni dispositivi a funzionamento attivo in grado di migliorare le sue prestazioni nel caso sia possibile utilizzarli.
Data testuale
1994 febbraio 3 - 1996 settembre 9
Estremi cronologici
February 3, 1994 – September 9, 1996
Consistenza
cc. 142
Stato di conservazione
Ottimo
Soggetto produttore
Identificativo
BRA.000048
Collocazione
Deposito 420
Note
1) Era stato effettuato un primo deposito europeo (EPO) con la domanda n. EP94830056.1.
2) Per inserire al meglio alcune modifiche apportate alla domanda di brevetto europeo successivamente al suo deposito, era stata depositata una domanda internazionale corrispondente secondo la procedura internazionale PCT; detta procedura ha compreso anche il deposito di una domanda di brevetto europeo (EP0745259), depositata il 4 dicembre 1996, per la quale è stato rilasciato in brevetto europeo in data 22 luglio 1998.
3) La prima domanda di brevetto europeo (EP94830056.1), menzionata al precedente punto 1), era stata lasciata decadere alla scadenza del termine previsto per la richiesta d'esame sostanziale, che non era stata fatta.
4) Per il brevetto europeo EP0745259 rilasciato erano state avviate le fasi nazionali in Austria, Germania, Spagna, Repubblica Ceca e Repubblica Slovacca.
2) Per inserire al meglio alcune modifiche apportate alla domanda di brevetto europeo successivamente al suo deposito, era stata depositata una domanda internazionale corrispondente secondo la procedura internazionale PCT; detta procedura ha compreso anche il deposito di una domanda di brevetto europeo (EP0745259), depositata il 4 dicembre 1996, per la quale è stato rilasciato in brevetto europeo in data 22 luglio 1998.
3) La prima domanda di brevetto europeo (EP94830056.1), menzionata al precedente punto 1), era stata lasciata decadere alla scadenza del termine previsto per la richiesta d'esame sostanziale, che non era stata fatta.
4) Per il brevetto europeo EP0745259 rilasciato erano state avviate le fasi nazionali in Austria, Germania, Spagna, Repubblica Ceca e Repubblica Slovacca.
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