Termoidraulica per i nuovi impianti nucleari

Il design del reattore nucleare è passato attraverso quattro generazioni. Rispetto alla seconda generazione (Gen II), la Gen III garantisce un livello di sicurezza più elevato. Tuttavia, i reattori nucleari di terza generazione non soddisfano le esigenze di uno sviluppo di energia nucleare a lungo termine.

Per alimentare un futuro nucleare sicuro e sostenibile, è stata proposta una quarta generazione di reattori, la quale include reattori a temperatura altamente elevata, reattori veloci raffreddati a gas e reattori supercritici raffreddati ad acqua. Un componente comune dei reattori Gen IV è costituito dalla termoidraulica.

Nonostante la differenza in relazione ai refrigeranti e alle strutture del canale di flusso, il progetto THINS (Thermal-hydraulics of innovative nuclear systems), finanziato dall’UE, ha identificato cinque questioni trasversali relative alla termoidraulica. Tale collaborazione, che copre 24 istituzioni, si è focalizzata su termoidraulica del nucleo, convezione mista e turbolenza monofase, flusso multifase e accoppiamento di codici.

L’obiettivo generale del progetto THINS riguarda lo sviluppo e la validazione di metodologie computazionali e sperimentali per lo studio di tali fenomeni termoidraulici. Gli sforzi sono stati svolti anche allo scopo di applicare i risultati scientifici a fini di condividere le conoscenze.

In particolare, i partner THINS hanno verificato strumenti di simulazione dei flussi relativi ai refrigeranti all’interno dei componenti del nucleo del reattore e hanno calcolato la caduta di pressione e il trasferimento di calore presenti nei fasci di tubi e nelle griglie distanziatrici. Utilizzando modelli di turbolenza, hanno inoltre modellizzato il flusso dei fasci di barre eutettiche piombo-bismuto.

I ricercatori del progetto hanno creato un database completo che contiene i risultati delle simulazioni numeriche dirette insieme ai dati sperimentali. Tale database è stato utilizzato per caratterizzare fenomeni di flusso come modelli di convezione, stratificazione termica e scambio termico fluido-struttura all’interno dei reattori.

Il trasferimento di calore e la miscelazione del flusso sono stati analizzati all’interno dei sistemi di raffreddamento del reattore monofase. I ricercatori THINS hanno sviluppato nuovi approcci di modellizzazione per descrivere con precisione gli effetti di galleggiamento e turbolenza non isotropa per una vasta gamma di numeri di Prandtl.

I modelli esistenti sono stati ulteriormente sviluppati e convalidati per lo studio dei flussi multifase nei sistemi con reattori innovativi. I fenomeni di flusso studiati riguardano i flussi a superficie libera nei reattori a piscina con metallo liquido e le interazioni tra acqua e metallo liquido pesante.

La squadra THINS ha sviluppato e validato nuove soluzioni di accoppiamento di codice per prevedere in modo affidabile fenomeni termoidraulici multi-scala transitori nei sistemi del reattore a temperatura elevata e altamente elevata. Nello specifico, hanno analizzato la polvere di grafite trasportata nel circuito refrigerante.

La formazione di giovani ingegneri e ricercatori nucleari ha completato le attività del progetto THINS. L’utilizzo dei risultati scientifici a scopo didattico si è dimostrato altamente efficace nel rafforzare le basi per il mantenimento e l’estensione del know-how relativo al settore.