Ricerca di Sistema Elettrico

Studio di fattibilità per lo sviluppo di un modello multi-fisica (neutronica, termoidraulica e termomeccanica) di dinamica spaziale di nocciolo: rapporto di analisi della codicistica esistente a supporto dello sviluppo di uno strumento di dinamica spaziale di nocciolo.

Il nucleare è probabilmente il campo dell’ingegneria più fortemente legato alla simulazione numerica dei processi, principalmente per via delle difficoltà nell’eseguire esperimenti a tutta scala per verifiche di sicurezza, e per la mancanza di leggi di scala che permettano semplicemente di derivare la rappresentatività degli esperimenti ai sistemi di riferimento. Il livello di prestazioni raggiunto nel corso degli anni dagli strumenti di supporto alla progettazione dei sistemi nucleari è tale, da aver rallentato – se non arrestato – per molto tempo lo sviluppo e l’innovazione delle procedure di calcolo utilizzate in tali strumenti, rimasti dunque fondamentalmente invariati negli ultimi venti anni. L’arresto nello sviluppo di tali strumenti è anche motivato dal pesante carico di procedure associate alla validazione e qualifica degli strumenti di progettazione dei sistemi nucleari a fronte delle autorità di licensing. Solo di recente, la crescita esponenziale della capacità di calcolo ha stimolato un cambiamento radicale nel settore della codicistica nucleare, tanto in termini di livello di complicazione e dettaglio fisico del problema, quanto di livello di accuratezza dei risultati. Queste nuove possibilità aprono finalmente la strada ad ampi margini di ottimizzazione, con evidenti ricadute in termini di risparmio e guadagno. L’intera comunità scientifica internazionale è così impegnata in un nuovo largo investimento di risorse dedicate allo sviluppo di metodi e strumenti per una nuova generazione di codici. L’entusiasmo generato dalla disponibilità di risorse di calcolo ha portato anche alla concezione di strumenti multi-fisica, capaci di affrontare simultaneamente le molteplici fenomenologie proprie del funzionamento di un reattore nucleare, in particolare di natura neutronica, termoidraulica e termomeccanica, con un incredibile livello di dettaglio geometrico e materiale esteso all’intero sistema, e non più a sue sotto-porzioni. Ciononostante, il lungo periodo di stagnazione del settore ha determinato un progressivo venir meno di quella comunità scientifica specializzata e qualificata nello sviluppo di strumenti di calcolo adeguati. I progetti in fase di sviluppo sono così relativamente pochi, caratterizzati dal coinvolgimento di un ampio numero di soggetti. Tra i principali programmi internazionali di ricerca in questo campo si citano:

  • i progetti europei (supportati dai Programmi Quadro EURATOM) NURESIM e NURISP;
  • l’istituzione del Consortium for Advanced Simulation of LWR’s (CASL) negli Stati Uniti.

Sulla scia del diffuso entusiasmo, ed in previsione di un rilancio del programma nucleare nazionale, ENEA – avvalendosi del supporto delle Università specializzate nel settore nucleare – he deciso di dotarsi di uno strumento per la simulazione della dinamica di reattori ad acqua leggera, che dunque integri modelli di neutronica, termoidraulica e termomeccanica di nocciolo.

La valutazione della sicurezza degli impianti nucleari dipende infatti strettamente dalla possibilità di determinare le distribuzioni temporale e spaziale dei campi di temperatura e di flusso del refrigerante – cui corrispondono le temperature delle diverse componenti del sistema, dunque la sua integrità strutturale – con particolare riguardo al nocciolo del reattore. L’accoppiamento di modelli di neutronica, termoidraulica e termomeccanica tridimensionali può consentire un significativo miglioramento nell’accuratezza con cui simulare fenomeni quali:

  • gli eventi dovuti a diluizione locale del boro in reattori ad acqua pressurizzata, evento identificato come potenziale iniziatore di un incidente di reattività anche in condizioni di shutdown del reattore quando tutte le barre di controllo siano inserite;
  • i transitori di raffreddamento di reattori con un coefficiente di reattività del moderatore fortemente negativo, cui possa far seguito una condizione di re-criticità;
  • le instabilità dei reattori ad acqua bollente in condizioni d’impianto al di là delle condizioni operative e della soglia di stabilità.

Per questo motivo, pur essendo stato modificato il quadro di riferimento nazionale, l’opportunità per l’ENEA di dotarsi di un simile strumento di analisi è ancora ritenuta strategica, in vista di un possibile ruolo dell’Agenzia in qualità di advisor per questioni di natura tecnicoscientifica della costituenda Agenzia di Sicurezza Nucleare. Il presente lavoro punta pertanto a valutare la fattibilità di un codice multi-fisica per l’analisi dinamica spaziale del nocciolo di un reattore ad acqua leggera, stanti lo stato dell’arte della codicistica a livello internazionale e le capacità nazionali disponibili allo sviluppo dello stesso.

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