Prove ad effetti integrali e separati per reattori avanzati

Jan 14, 2024

Secondo l’International Energy Outlook 2017 dell’Energy Information Administration (EIA), si prevede che il consumo globale di energia aumenterà del 28% tra il 2020 e il 2040 (EIA, 2017). Le centrali nucleari attualmente generano l’11% dell’elettricità mondiale. Si prevede che l’energia nucleare sarà la seconda fonte energetica in più rapida crescita al mondo e aumenterà in media dell’1,5% annuo tra il 2020 e il 2035. Negli Stati Uniti, l’energia nucleare rappresenta attualmente circa il 20% di tutta la produzione di elettricità e oltre. più del 50% dell’elettricità pulita totale della nazione.

L’energia nucleare è stata identificata come una risorsa vitale per raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette in tutta l’economia entro il 2050. La maggior parte dell’energia nucleare mondiale è generata da centrali nucleari di seconda e terza generazione. Anche se una quota significativa delle centrali nucleari esistenti verrà dismessa entro il 2030, la crescente domanda di elettricità senza emissioni di carbonio da tutto il mondo stimolerà lo sviluppo dell’energia nucleare. Per raggiungere sicurezza, affidabilità, sostenibilità, competitività economica e resistenza alla proliferazione per il futuro dell’energia nucleare, è necessario migliorare le tecnologie nello sviluppo dell’energia nucleare. I reattori avanzati offrono il potenziale per trasformare il settore dell’energia nucleare, fornendo elettricità sicura, affidabile e priva di emissioni di carbonio che affronta la pletora di sfide derivanti dalla decarbonizzazione delle reti elettriche in tutto il mondo. Negli ultimi dieci anni gli Stati Uniti hanno investito sforzi significativi nello sviluppo di nuove tecnologie per reattori avanzati.

Lo sviluppo di reattori avanzati richiede la comprensione di sistemi integrati e complessi che presentano nuovi fenomeni in condizioni normali, transitorie, anormali e di incidente (Zweibaum et al., 2015). L'analisi fenomenologica e i comportamenti termoidraulici di un reattore avanzato costituiscono la base per la sua progettazione e valutazione della sicurezza (Mascari et al., 2015).

L'esecuzione di esperimenti significativi su vasta scala è costosa, richiede molto tempo o addirittura impossibile entro il tempo e il budget disponibili. Test sperimentali ridotti, ad esempio test a effetti separati (SET) e test a effetti integrali (IET), con adeguate considerazioni di scala, sono fattibili per sviluppare un database sperimentale per caratterizzare i possibili comportamenti termoidraulici del prototipo. I codici termoidraulici a livello di sistema possono quindi essere convalidati rispetto al database e utilizzati per la progettazione del sistema del reattore e l'analisi della sicurezza.

Da un lato, i SET vengono condotti per fornire dati sperimentali per sviluppare e validare modelli fisici e/o correlazioni empiriche per caratterizzare singoli fenomeni locali o fenomeni combinati in condizioni prototipiche o simulate. Poiché ciascuno di questi modelli e correlazioni potrebbe non sempre adattarsi al prototipo, molti modelli fisici e correlazioni empiriche con applicabilità limitata in un piccolo intervallo di condizioni vengono implementati nei codici di sistema utilizzati per identificare le risposte termoidrauliche simulando vari tipi di incidenti e transitori anomali dei reattori di interesse.

Le strutture SET sono in genere altamente strumentate per ridurre al minimo le distorsioni di scala. D'altro canto, gli IET vengono condotti per indagare i comportamenti, i fenomeni e i processi dell'intero sistema, le interazioni di due o più componenti e i fenomeni locali tipici delle funzioni mirate della progettazione complessiva del sistema (USNRC, 1998). . Le strutture IET possono fornire tutte le risposte dinamiche e simili termoidrauliche che possono verificarsi attraverso incidenti postulati e/o transitori anomali in un reattore di riferimento.

I dati ottenuti dagli esperimenti IET vengono utilizzati per convalidare i codici di sistema e comprendere i fenomeni degli incidenti invece di essere direttamente applicabili alle condizioni su scala reale di un reattore di riferimento. Il numero di strumentazione e sensori in una struttura IET è inferiore a quello di una struttura SET. La distorsione del ridimensionamento è inevitabile per gli IET e può essere all’origine di incertezze nell’analisi della sicurezza. È quindi importante ridurre al minimo o eliminare la distorsione di scala, in particolare la distorsione di scala temporale, poiché il controllo temporale non è praticabile (Bestion, 2017).