Analisi termofluidodinamica dei reattori nucleari innovativi refrigerati a gas

L’attuale tasso di incremento della richiesta energetica in Italia e più in generale nel mondo è ormai abbastanza costante da alcuni anni. Il progresso umano è andato (almeno fino ad oggi) di pari passo col consumo energetico. Riguardo ai consumi energetici vanno evitati sprechi ed inefficienze, ma un sufficiente approvvigionamento energetico fa parte dei più elementari diritti umani. Se si considerano gli aspetti fondamentali legati alle possibili fonti energetiche (disponibilità, costi ed impatto ambientale), emerge che, nel prossimo futuro, l'Italia (come il resto del Mondo) non potrà fare a meno dell'energia nucleare.
Negli ultimi tempi sono divenuti oggetto di studio della comunità scientifica internazionale i reattori a gas a spettro veloce, i cosiddetti GCFR (Gas Cooled Fast Reactor). Questa tipologia di reattori, seppur ancora in una fase preliminare di sviluppo, rappresenta una prospettiva molto interessante perché essi combinano le positive caratteristiche comuni a tutti i reattori veloci con quelle dei reattori refrigerati con gas inerte.
D'altro canto lo studio termofluidodinamico di tali reattori presenta delle peculiarità (letto di particelle di piccole dimensione con impacchettamento stocastico, generazione interna di calore ed elevava densità di potenza) tali da rendere necessario un accurata ed innovativa analisi della tematica in oggetto. La complessa problematica dell'asportazione, con l'elio, dell'elevata densità di potenza, caratteristica dei reattori a spettro veloce, è stata, fino ad ora, poco studiata.
Da un’analisi accurata del problema è risultata la grande importanza del cosiddetto “fattore di impacchettamento” (ε) in quanto il gas fluisce fra la CP e gli effetti ottenuti vengono fortemente influenzati dalla reciproca posizione delle particelle stesse. Infatti confrontando i due casi estremi di impacchettamento, si nota la necessità di tenere conto della differenza rilevante che si individua negli “hot spot”, molto più elevati nella cella di tipo cubico a facce centrate rispetto alla cella cubica semplice.
Quale risultato della presente ricerca è emerso che il fattore di impacchettamento ha, in ogni caso (anche nelle più gravose condizioni incidentali), un’influenza sulle condizioni locali di temperatura nettamente superiore a quella dovuta alla variazione di tutti gli altri parametri (differenza di temperatura fra ingresso e uscita, caduta di pressione, livelli medi di temperatura e/o di pressione all’interno della cella, etc.).
In realtà la distribuzione delle microsfere sarà stocastica e sarà pertanto necessario, in sede di analisi di progetto, prendere in considerazione i valori più elevati degli “hot spot”, fino a che non sarà possibile determinare sperimentalmente il campo di variabilità del fattore ε.
Qualora, nel calcolo globale dell'intero nocciolo, sia necessario utilizzare un modello semplificato (ad esempio quello del “mezzo poroso”), si dovrà tenere conto del fatto che le differenze locali di temperatura (ed i conseguenti fattori di picco) dovranno essere corrette sulla base dei risultati ottenuti nella presente ricerca.
È emerso anche che, al fine di eseguire una corretta ed adeguatamente raffinata analisi termofluidodinamica dei reattori innovativi refrigerati a gas, sarà necessario caratterizzare opportunamente il termine di sorgente. Sarà quindi importante prevedere come ulteriore passo della presente ricerca una procedura di calcolo accoppiato neutronico-termofluidodinamico che, in modo iterativo, fornisca la potenza generata (output dei codici neutronici) come condizione al contorno per i calcoli termofluidodinamici, e la distribuzione di temperatura (output dei codici termofluidodinamici) come condizione al contorno dei calcoli neutronici. A tale scopo l’uso futuro del codice FEMLAB© (qualora vengano risolte le questioni ancora aperte) rimane sicuramente una prospettiva da approfondire con ulteriori studi e ricerche.
I risultati appaiono sicuramente interessanti e la ricerca sembra risultare meritevole di essere proseguita, principalmente in contesti internazionali.