Una centrale nucleare innovativa: il Pebble Bed Modular Reactor

Il PBMR, acronimo di Pebble Bed Modular Reactor (Reattore Modulare a Letto di Sfere), è un tipo di reattore nucleare ad alta temperatura (HTR) di generazione III+, la più avanzata tra quelle attualmente in uso (la IV generazione è in fase progettuale e non ancora attuabile).

Questo tipo di reattore al momento non è utilizzato a scopi di produzione di energia elettrica e termica poiché è tuttora in fase di ricerca e di sperimentazione; si prevede che il primo impianto pilota sarà costruito in Sud Africa, anche se la data non è stata fissata.

L’impianto di riferimento consiste in un modulo di produzione di energia elettrica da 165 MW (MWe) e di energia termica da 400 MW. È composto di un nocciolo in cui avviene la reazione di fissione nucleare a catena, ossia il bombardamento con neutroni di un nucleo ad elevato numero atomico con formazione di 2 o tre nuclei di numero atomico medio, neutroni ed energia; il calore prodotto dalla reazione è trasferito a un fluido, detto “refrigerante” che è utilizzato per muovere una turbina collegata a un generatore di elettricità.

L’impianto è costituito da un reattore verticale a pressione: le pareti del reattore sono interamente rivestite di grafite che funge da riflettore dei neutroni verso il nocciolo durante la reazione.

All’interno del reattore si trova un cilindro metallico di 3 metri di diametro contenente sfere di grafite del diametro di 6 centimetri circa, ciascuna delle quali è composta di sfere più piccole (0,5 millimetri) di ossido di uranio arricchito, il combustibile responsabile della reazione di fissione; ciascuna di queste piccole sfere è rivestita da uno strato di carbonio poroso, uno di carburo di silicio e due di grafite pirolitica, la quale agisce da moderatore dei neutroni (è necessario rallentare i neutroni per aumentare il numero di fissioni). Il nocciolo del reattore contiene approssimativamente 360.000 sfere di grafite, ciascuna contenente 11.000 microsfere di uranio per un totale di circa 4 miliardi di microsfere di combustibile.

Il fluido refrigerante è l’elio, che entra nel reattore dall’alto ad una temperatura di 250 °C ed esce dal basso a 750 °C) attraverso un circuito chiuso; l’elio riscaldato dal calore prodotto dalla reazione può essere fatto espandere in una turbina a gas (con produzione diretta di energia elettrica) o essere utilizzato per riscaldare acqua con conseguente generazione di vapor d’acqua a 530 °C ed espansione in una turbina a vapore per la produzione di energia elettrica; il vapore prodotto può essere usato anche come fonte di calore a scopo civile o industriale.

Le sfere di combustibile, mosse dal movimento dell’elio che le attraversa, sono costantemente spinte verso il basso. Ciascuna sfera esce dal nocciolo ed è reinserita dall’alto circa 10 volte; a ogni ciclo è valutata la sua resistenza meccanica e il suo livello di reattività nucleare. Quando una sfera non rispetta i canoni richiesti, è scartata, messa in un contenitore per combustibile esaurito e sostituita con una sfera nuova.

Ciascuna sfera trascorre circa 100 giorni nel nocciolo e il riciclo giornaliero di sfere è di circa 3.000 unità; di queste, 350 sono scartate, in quanto esaurite, e sostituite con sfere nuove. La velocità di movimento di ogni singola sfera è di 8 centimetri al giorno, variabile col diametro del contenitore cilindrico.

Grazie al sistema di riciclo continuo delle sfere di grafite, il reattore può non essere mai fermato.

Un modulo PBMR da 165 MWe produce annualmente 32 tonnellate di sfere di grafite esaurite (circa 1,5 m3) di cui solo 1 tonnellata è uranio (0,05 m3).

Il reattore prevede due principali sistemi di controllo che intervengono in caso di emergenza, garantendo condizioni di sicurezza per 72 ore:

• barre di controllo: in caso di emergenza 6 barre lunghe 6 metri ciascuna entrano nel nocciolo per 3 metri e questo è sufficiente per azzerare la reazione fino a 20 ore dall’inserimento;

• pellet di grafite borata: cadono passivamente in seguito ad una perdita di potenza, grazie a cui si aprono le valvole che permettono la caduta. Dopo le prime 20 ore, questo sistema diventa fondamentale per il mantenimento delle condizioni sub-critiche. È presente, inoltre, un sistema passivo di dispersione del calore in seguito a surriscaldamento.

Le caratteristiche tecniche dell’impianto rendono questa tecnologia ulteriormente sicura:

• in caso d’incidente, qualora ogni tipo di raffreddamento fallisse, le sfere tratterrebbero tutti i prodotti della reazione nucleare, senza alcuna dispersione al di fuori del nocciolo;

• l’elio è chimicamente inerte e ininfluente sull’attività dei neutroni, per questo motivo è bassissima la probabilità di contaminazione, inoltre è in circuito chiuso; nonostante ciò sono previsti filtri a carboni attivi in caso di fuoriuscita dell’elio.

• il PBMR è progettato per resistere a terremoti fino a un’accelerazione del terreno di 0,3 g, quasi il massimo della Peak Ground Acceleration, o ad impatti molto violenti, come ad esempio quello con un Boeing 767 o un aereo militare.

Bibliografia

Arjun Makhijani (2011) - The Pebble Bed Modular Reactor - Science for Democratic Action

vol. 9 no. 4

International Atomic Energy Agency (update 2011) - Status report 70 - Pebble Bed Modular

Reactor (PBMR)

World Nuclear Association (update 2014) - Small Nuclear Power Reactors

Sitografia

www.euronuclear.org

www.pbmr.com