Il Circuito di Spallazione

Il circuito adibito all’ottimale rendimento della sorgente di spallazione (SL) è racchiuso da un proprio vessel situato a un lato del core sottocritico. In particolare solo due tubi oriz- zontali collegano il tubo centrale bersaglio con il mantello del circuito di spallazione vero e proprio, come mostrato in figura (2.6) . La soluzione senza finestra favorisce l’uso di protoni meno energetici su un bersaglio compatto, con elevata densità di potenza per lavorare in con- dizioni di alto flusso. La necessità di un acceleratore economico e compatto, come già detto prima, fa cadere la scelta su un ‘high power proton accelator (HPPA)’ del tipo 350 MeV, 5mA con una resa di neutroni per protone incidente di 6.0 n/p e con potenza di 1.75 MW; di questi ben l’81.7% viene depositato come calore nel bersaglio (1.43 MW). Anche se la fisica della spallazione richiederebbe energie superiori ad 1 GeV, sembra molto più realistico restare, anche nel contesto ormai prossimo di una successiva evoluzione del progetto, entro energie tra i 600 MeV ed i 1000 MeV (nel caso si passi ad energie di 600 MeV la resa di neutroni per protoni incidenti assume il valore di 15.6 n/p). L’energia del fascio deve esse- re scelta di compromesso tra il progetto neutronico del core e la produzione di neutroni: il numero di neutroni prodotti aumenta con l’energia del fascio, anche se non linearmente, ma un fascio più energetico richiede anche un bersaglio più grande, soprattutto radialmente, per essere assorbito. Per di più non va dimenticato che un fascio fortemente energetico, e dun- que una maggiore produzione di neutroni, comporta un forte infragilimento delle strutture a causa della formazione di idrogeno ed elio. Di contro vanno certamente prodotti abbastanza

neutroni primari (3 × 1017) per portare il core a criticità con Ke f f = 0.95. Ad oggi la scelta

del più adatto acceleratore è fortemente vincolata dal fattore stabilità che lo stesso riesce a garantire nella produzione del fascio di protoni realmente prodotto: l’affidabilità dell’ADS dipende fortemente dal numero di possibili ‘trips’ dell’acceleratore. Se l’interruzione del fascio, in particolare, è superiore al secondo l’inerzia termica del sistema non riesce a far fronte al repentino calo di potenza e di temperatura negli elementi interni del reattore che sottopone le strutture ai conseguenti stress termici. Un numero accettabile di interruzioni del

fascio di protoni per più di 1 s è di 5-10 l’anno; attualmente questo numero viene superato di un ordine di grandezza.

Per rimuovere tutto il calore depositato dal fascio di protoni sul bersaglio è stato pro- gettato un adeguato sistema di refrigerazione e condizionamento che si occupa, appunto, di refrigerare e mantenere sempre costante il livello di liquido su cui va ad insistere il fascio di protoni, e che mantiene il vuoto nel canale che collega il bersaglio all’ultimo stadio dell’acce- leratore. La necessità di avere il circuito decentrato rispetto al core è legato a diverse ragioni: prima di tutto per avere un flusso di neutroni elevato nel core sottocritico è necessario avere un bersaglio centrale compatto in cui c’è spazio solo per il LBE; inoltre adottando la soluzio- ne di bersaglio nudo è indispensabile posizionare le pompe per l’alimento dell’eutettico sotto il livello della superficie libera da mantenere sempre costante; per ultimo a causa dell’alto flusso neutronico sarebbero necessarie operazioni di manutenzione continue, impossibili in così poco spazio.

Costruendo in modo compatto e indipendente dal core tutto il circuito per la spallazione, vengono lasciate maggiori flessibilità: per esempio creando uno spazio nel diaframma, nella piastra superiore del core, e nel coperchio, per l’alloggiamento del vessel di sostegno del circuito di spallazione è possibile estrarre tutto il blocco dal vessel principale e procedere con le operazioni di ispezione e manutenzione.

Il Pb-Bi contenuto nel serbatoio di alimento cade per gravità dentro ad un tubo anulare che circonda il condotto in cui entra il fascio di protoni nel core. La portata è determinata della geometria del tubo e dalla differenza di altezza tra il serbatoio e la superficie libera del bersaglio. Per di più andrà prevista la presenza di una pompa a funzionamento magnetico per metalli liquidi in grado di aggiustare anche le minime oscillazioni del livello del pelo libero rispetto alla posizione ottimale del bersaglio misurata con un sistema ottico di rivelazione, ‘Light Detection And Ranging (LIDAR)’.

Uno scambiatore di calore, con il compito di rimuovere tutto il calore depositato dal fascio di protoni sul bersaglio, è posizionato nella parte inferiore del circuito di spallazione. Il fluido secondario è fornito dal Pb-Bi del circuito primario del reattore che scorre attraverso il diaframma a causa della differenza di pressione ed entra quindi nei condotti di ingresso allo scambiatore di calore del circuito di spallazione: uno scambiatore a tubi dritti, ad una

sola passata ed il flusso controcorrente. Già ad una prima stima della capacità di estrazione dello scambiatore è stato calcolato che un fascio di 121 tubi, lunghi 0.79 m, con 5/8 di pollici di diametro interno e 0.065 pollici di spessore possono rimuovere il calore generato nel circuito di spallazione con una portata di 523 kg/s del fluido secondario. In realtà la differenza di temperatura prevista per il LBE del circuito di spallazione è di 335°C− 240°C raggiungibile con una portata di 104 kg/s. Altri componenti del circuito di spallazione sono:

la pompa principale di circolazione, un sistema ausiliario per il controllo dell’O2 contenuto

nel refrigerante, tutta la strumentazione necessaria, il sistema per il mantenimento del vuoto, uno spesso schermo sulla parte superiore del vessel con pesi aggiunti per ovviare al problema del galleggiamento. Per evitare la contaminazione della beam line da parte dei gas rilasciati a seguito delle reazioni di spallazione nella zona della superficie libera del bersaglio tuto il circuito è mantenuto sotto condizione di vuoto.