Capitolo 5
Capitolo 5 Conclusioni
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Nel seguito vengono riassunte le principali conclusioni ottenute nel presente lavoro, con riferimento alle diverse fasi che lo hanno caratterizzato.
Problemi nell’applicazione della CFD nell’analisi di sicurezza dei reattori nucleari In questo fase del lavoro si è presa in considerazione una classificazione degli errori legati all’uso di un codice di CFD proposta recentemente in relazione alle analisi di sicurezza dei reattori nucleari. In particolare, si è notate che le simulazioni eseguite con codici di CFD coinvolgono solitamente errori numerici, di modellazione, di applicazione del codice, incertezze sui dati del problema ed errori nel software. Successivamente l’attenzione si è focalizzata su alcune linee guida di buona pratica nell’uso di codici di CFD; in particolare, si è evidenziato come esse rappresentino un solido punto di riferimento per il controllo degli errori e delle incertezze. Infine, ci si è occupati del problema della validazione dei codici di CFD per mezzo del confronto dei risultati numerici con quelli ottenuti sperimentalmente. In particolare sono state considerate alcune delle applicazioni nucleari maggiormente significative in tema di miscelamento di correnti a diversa temperatura o di un altro scalare trasportato, come nel caso del boro nel vessel dei reattori ad acqua in pressione. Dal confronto tra i risultati ottenuti dalle simulazioni e quelli sperimentali si è visto come la maggior parte delle caratteristiche dei problemi di miscelamento possano essere simulate con ragionevolmente accuratezza tramite l’uso di codici commerciali come Fluent o CFX. Comunque, alcuni dettagli del campo del flusso sono affetti da errori numerici, per cui i limiti dell’accuratezza numerica devono essere verificati separatamente per ciascuna applicazione. Sebbene gli strumenti di CFD rappresentino apparecchiature virtuali sui cui è possibile effettuare studi di supporto alla progettazione dei reattori nucleari, capaci di fornire dati molto più dettagliati di un qualunque apparato sperimentale, è necessario tenere conto della necessità verificare e convalidare i codici di CFD per mezzo del confronto dei risultati numerici delle simulazioni con quelli ottenuti sperimentalmente in apparecchiature in scala ridotta.
Il reattore IRIS
La descrizione del reattore IRIS ha permesso di evidenziare le caratteristiche innovative che hanno conferiscono a questo progetto un grado di sicurezza perfino superiore
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rispetto ai tipici reattori ad acqua in pressione. Il principale aspetto da evidenziare a questo riguardo è relativo al concetto di “safety by design”, che porta al tentativo di eliminare la possibilità che un incidente accada, piuttosto che doverne affrontare le conseguenze. Eliminando alcuni incidenti, i corrispondenti sistemi di sicurezza (passivi o attivi) possono anche rivelarsi non necessari.
Sebbene i reattori nucleari commerciali abbiano dimostrato di possedere notevoli caratteristiche di sicurezza, quelle ottenibili con il reattore IRIS non solo possono consentire un più spedito processo di autorizzazione, ma possono anche contribuire a migliorare il livello di accettazione pubblica dell’energia nucleare e ad ottimizzare gli aspetti economici, come conseguenza della riduzione dei costi d’infrastruttura.
La discussione del problema del miscelamento del boro nel vessel dei reattori ad acqua in pressione e, in particolare, del reattore IRIS, nel contesto degli incidenti di reattività ha mostrato quanto sia importante analizzare i fenomeni di miscelamento del boro per valutare il comportamento e le caratteristiche di sicurezza del reattore IRIS in un ipotetico incidente di reattività. La vera difficoltà dell'analisi fluidodinamica di questi fenomeni è rappresentata dalla limitata accuratezza con cui è possibile descrivere il miscelamento di un volume di refrigerante deborato con il refrigerante avente la concentrazione nominale di boro. Attualmente sono fondamentalmente due le strade che possono essere seguite per affrontare uno studio così complesso, ovvero quella dell’analisi di CFD e quella della sperimentazione su un’apparecchiatura in scala.
Studio del miscelamento del boro con il codice FLUENT
L’analisi effettuata in questo capitolo ha riguardato sia il reattore in piena scala che una possibile apparecchiatura sperimentale in scala 1:5, che si prevede venga realizzata a breve presso il DIMNP dell'Università di Pisa.
L'analisi, eseguita mediante il codice Fluent, è stata focalizzata sul comportamento fluidodinamico del downcomer e del lower plenum del reattore IRIS in due condizioni operative: quella nominale, in cui il reattore funziona alla massima potenza e quella incidentale, in cui si ipotizza la rottura di una linea di vapore, con la conseguente attivazione del sistema di emergenza d’iniezione del boro. In particolare, è stato condotto uno studio dettagliato sull'effetto di alcune caratteristiche geometriche locali, quali la presenza dello schermo neutronico, della piastra di supporto del core e della profondità di iniezione del boro, sulla velocità locale, sulle linee di corrente, sulla
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turbolenza e, quindi, sul miscelamento del boro. Nel caso del reattore in scala ridotta (1:5), sono stati considerati differenti valori di portata, dipendentemente dal parametro conservato nel processo di scala (numero di Reynolds o tempo di residenza).
Lo studio condotto ha consentito di individuare le regioni e le caratteristiche geometriche del reattore che devono essere accuratamente monitorate nell'apparecchiatura sperimentale. In particolare, le simulazioni hanno evidenziato come la considerazione di una geometria accurata, che tenga conto della presenza della piastra di supporto del nocciolo, dello schermo neutronico e dei piedini di appoggio, comporti evidenti differenze nelle distribuzioni di velocità, energia cinetica turbolenta e temperatura intorno alla regione d’ingresso nel nocciolo e a valle di essa.
Sviluppi futuri
Attualmente sono in corso, presso la Westinghouse, degli finalizzati all’ottimizzazione di alcune caratteristiche geometriche del downcomer e del lower plenum. Tali caratteristiche riguardano essenzialmente la forma e la posizione delle uscite dei generatori di vapore, la geometria degli schermi diagonale ed inferiore e la geometria delle apparecchiature di controllo. Il progetto dovrebbe essere realizzato in modo da conservare la simmetria del sistema e la geometria dovrebbe essere ottimizzata introducendo minime cause di ricircolazione ed irregolarità nel flusso. Deve essere inoltre valutata la possibilità di un maggiore controllo della distribuzione del flusso nel lower plenum: per ridurre gli effetti di ricircolazione negli angoli della regione al di sotto della piastra inferiore di supporto del nocciolo, può essere considerata l’applicazione di alcuni dispositivi, come ad esempio deflettori del flusso.
Si prevede, infine, che verrà realizzata in futuro, presso il DIMNP dell’Università di Pisa, un’apparecchiatura che riproduce il downcomer ad il lower plenum del reattore IRIS in scala 1:5. Questa tesi s’inquadra negli studi preparatori di questa attività, cercando di fornire un supporto alla progettazione di tale apparecchiatura. I risultati ottenuti in questo lavoro potranno in seguito essere confrontati con quelli ottenuti dagli esperimenti fatti sull’apparecchiatura, fornendo quindi un supporto anche al processo di validazione del codice di CFD adottato.
