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Reattore CANDU

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Il reattore CANDU è un reattore ad acqua pesante pressurizzata ( PHWR ) progettato alla fine degli anni '50 e '60 da una partnership tra Atomic Energy of Canada Limited (AECL) e la Hydro-Electric Power Commission dell'Ontario (nota come Ontario Power Generation ), come oltre a vari partecipanti del settore privato. L'acronimo "CANDU" è un marchio di Atomic Energy of Canada Limited , dall'espressione "CANada Deuterium Uranium", riferito al suo moderatore di neutroni di ossido di deuterio ( acqua pesante ) e al suo utilizzo dell'uranio naturale come combustibile. Tutti gli attuali reattori di potenza in Canada sono del tipo CANDU e il Canada commercializza questo prodotto all'estero.

Caratteristiche del design

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Schema di un reattore CANDU.

I reattori CANDU hanno alcune caratteristiche di design uniche che danno loro vantaggi rispetto ad altri progetti di reattori:

  • CANDU utilizza ossido di uranio naturale non arricchito (0,7% U-235) come combustibile; di conseguenza, ha bisogno di un moderatore di neutroni più efficiente rispetto alla maggior parte degli altri reattori, in questo caso acqua pesante (D 2 O), ossido di deuterio. Ciò significa che può funzionare senza la necessità di costosi impianti di arricchimento dell'uranio. La maggior parte dei paesi meno sviluppati lo trova attraente perché non possono permettersi strutture di arricchimento e non possono garantire l'accesso all'uranio arricchito. Il Trattato di non proliferazione nucleare , che attua un regime di salvaguardia sotto gli auspici dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica , regola l'accesso ai materiali nucleari come l'uranio arricchito.
  • Il moderatore è un grande serbatoio, detto calandria , attraversato da diverse centinaia di tubi in pressione orizzontali, che costituiscono i canali per il combustibile, raffreddato da un flusso di acqua pesante ad alta pressione nel circuito di raffreddamento primario, che raggiunge i 290 °C. L'alta pressione all'interno del serbatoio impedisce l'ebollizione dell'acqua pesante. Nel reattore ad acqua pressurizzata, il refrigerante primario genera una corrente nel circuito secondario che muove le turbine. Il design del tubo a pressione consente di rifornire continuamente il reattore senza spegnerlo, poiché i canali del carburante sono controllati individualmente.
  • Il CANDU è progettato in modo da non richiedere grandi recipienti a pressione, poiché quelli comunemente usati nei reattori ad acqua leggera sono estremamente costosi e richiedono l'industria pesante che manca in molti paesi. All'epoca nemmeno il Canada lo aveva e progettò il reattore in modo che non ne avesse bisogno. Invece, il reattore pressurizza solo piccoli tubi che contengono il combustibile. Questi tubi sono costruiti con una lega di zirconio ( Zircaloy ) , che è relativamente trasparente ai neutroni.
  • Un gruppo di combustibile CANDU è costituito da un fascio di 37 barre di combustibile lunghe mezzo metro (palline di ceramica in tubi di zircaloy) più una struttura di supporto, con 12 fasci che corrono da un capo all'altro in un canale del combustibile. Le barre di controllo penetrano nella calandria verticalmente e un sistema di spegnimento secondario consiste nell'iniettare una soluzione di nitrato di gadolinio nel moderatore. Il moderatore dell'acqua pesante che circola attraverso il corpo della calandria produce anche del calore di scarto.
  • Poiché l'assieme moderatore del reattore è mantenuto a temperatura e pressione relativamente basse, l'apparecchiatura per controllare e azionare il nocciolo è molto meno complessa. Ha solo a che fare con un'elevata radiazione e un alto flusso di neutroni . In particolare, le barre di comando e le apparecchiature di emergenza sono più semplici e affidabili rispetto ad altre tipologie di reattori.
  • Il reattore ha il tempo di spegnimento più basso di qualsiasi tipo conosciuto. Ciò è in parte dovuto in gran parte al fatto che il reattore funziona a basse temperature e pressioni. È anche dovuto all'esclusivo sistema di gestione del carburante. I tubi a pressione contenenti le loro barre possono essere aperti individualmente e le barre di combustibile possono essere sostituite senza spegnere il reattore.
  • Un altro vantaggio è che il carburante utilizzato è il più efficiente tra quelli conosciuti. Ciò è dovuto all'uso di acqua pesante come tampone. L'efficienza è maggiore anche grazie al meccanismo che consente il rifornimento mentre è ancora in funzione, potendo posizionare i gruppi di combustibile nelle parti più convenienti del nocciolo del reattore, in base alle loro variazioni di reattività. La maggior parte degli altri progetti di reattori devono inserire veleni degradabili per ridurre l'elevata reattività che si verifica alla carica iniziale di nuovo combustibile. Questo non è necessario in un CANDU.
  • Un altro vantaggio del sistema di gestione del carburante è che i reattori possono funzionare come autofertilizzanti a bassa temperatura. CANDU funziona in modo molto efficiente grazie alla sua buona economia di neutroni. Possono generare carburante dal torio naturale , quando l'uranio non è disponibile. CANDU è anche in grado di funzionare per "bruciare" materiale precedentemente utilizzato nelle armi nucleari ( ciclo del combustibile MOX ), rendendolo meno reattivo, inutile per le armi. Allo stesso tempo, trasforma materiale per armi relativamente facile da maneggiare in rifiuti altamente radioattivi. Il test del ciclo del carburante ha incluso anche il ciclo del carburante "DUPIC", acronimo di "uso diretto del carburante PWR esaurito in CANDU", in cui il carburante esaurito da un reattore PWR è confezionato in un fascio di carburante CANDU con solo ritrattamento fisico (taglio in pezzi ), ma nessun ritrattamento chimico. Nei casi in cui i progetti BWR richiedono la reattività associata al carburante arricchito, il ciclo del carburante DUPIC è possibile in un CANDU a causa dell'economia di neutroni offerta dalla bassa reattività dell'uranio naturale e del carburante arricchito esaurito.
  • Dopo l'omologazione del classico design CANDU, è stato sviluppato un reattore sperimentale che utilizzava l' olio come refrigerante primario. L'olio è passato attraverso uno scambiatore di calore per riscaldare il vapore. Questo reattore ha funzionato con successo per molti anni e potrebbe essere meno costoso, più affidabile e persino più sicuro del classico reattore CANDU perché l'olio circolava a pressioni molto più basse del vapore ed era meno corrosivo. Questo era l'ormai chiuso Whiteshell Reactor 1 o WR-1 . Gentilly-1 era anche una versione sperimentale di CANDU che utilizzava acqua bollente ma non ha avuto successo.
  • I CANDU hanno un piccolo coefficiente di reattività del vuoto positivo che è gestito da sistemi di controllo veloci. Questa caratteristica ha complicato la sua licenza negli Stati Uniti, motivo per cui il Canada non è ancora in grado di vendere una macchina CANDU ai suoi vicini.

Cronologia

Il primo reattore di tipo CANDU è stato il Nuclear Power Demonstrator (NPD), a Rolphton, Ontario, come progetto di prova, ed è stato progettato per produrre solo 22 MWe di potenza, un valore di potenza molto basso per un reattore di produzione. commerciale. Questo reattore ha generato la prima elettricità generata dal nucleare in Canada, operando con successo dal 1962 al 1987. [1] , [2]

Il secondo CANDU era il reattore Douglas Point , una versione più potente con una potenza nominale di quasi 200 MWe e situata vicino a Kincardine , Ontario. Con alcune polemiche, il progetto Douglas Point è stato avviato nel 1959 , ancor prima che l'NPD, il prototipo CANDU, fosse in fase di sviluppo. Douglas Point è entrato in servizio nel 1968 e ha operato fino al 1984 . Unico tra gli impianti CANDU, Douglas Point incorporava una finestra schermata dalle radiazioni (riempita di olio) che consentiva la visione dell'estremità orientale del reattore, anche mentre il reattore era in funzione. Il tipo Douglas Point è stato esportato in India e Pakistan ed è la base per i prodotti nazionali indiani "derivati ​​dal CANDU". Douglas Point inizialmente doveva essere un impianto a due unità, ma il secondo è stato cancellato a causa del successo delle unità più grandi da 515 MWe della Pickering Nuclear Generating Station . [3] , [4]

I successi con l'NPD hanno portato alla decisione di costruire il primo impianto multi-unità a Pickering, Ontario. Pickering A è composto dalle unità da 1 a 4, entrate in servizio nel 1971 . Pickering B è costituito dalle unità da 5 a 8, che sono diventate operative nel 1983 , fornendo una capacità di impianto di 4.120 MWe. L'impianto è situato molto vicino alla città di Toronto , al fine di ridurre i costi di trasporto. L'ubicazione dell'impianto è stata una preoccupazione per gli attivisti, che temono che rappresenti un rischio per Toronto se si verificassero un incidente e un rilascio radioattivo.

Pickering A è andato in licenziamento volontario nel 1997 , come parte del piano di aggiornamento idronucleare dell'Ontario. Da allora le unità 1 e 4 sono tornate in funzione, anche se non senza notevoli controversie in merito a significativi sforamenti di budget, in particolare dell'unità 4. (La riattivazione dell'unità 1 è stata sostanzialmente eseguita nei tempi e nei limiti del budget, tenendo conto dei ritardi del progetto di avvio imposti dall'Ontario governo provinciale).

Nel 2005 Ontario Power Generation annunciò che, contrariamente alle aspettative, non sarebbe avvenuta la riattivazione delle unità 2 e 3 di Pickering A. La ragione di questo cambiamento di programma era di natura economica: le condizioni materiali di queste unità erano molto peggiori di quelle che era esistito nelle unità 1 e 4, in particolare lo stato dei generatori di vapore, per i quali i costi di riattivazione sarebbero stati molto più elevati, e questo ha determinato che il ritorno in funzione delle unità 2 e 3 era uno spreco. Un progetto per la disattivazione di queste unità è attualmente (2006) nelle prime fasi di pianificazione.

Reattori CANDU in funzione

Ci sono attualmente (2005) 29 reattori CANDU in funzione nel mondo, più 11 "derivati ​​​​CANDU" in India (questi reattori sono stati sviluppati dal progetto CANDU dopo che l'India ha fatto esplodere una bomba nucleare e il Canada ha interrotto gli affari nucleari con lei). I paesi in cui si trovano i reattori sono:

  • Canada - 16 (+2 in costruzione +6 in dismissione)
  • Corea del Sud - 4
  • Cinese - 2
  • India - 2
  • Argentina - 1 ( centrale nucleare di Embalse )
  • Romania - 2 (Cernavoda-2 reat. in funzione e 2 in costruzione)
  • Pakistan - 1

Problemi economici e politici

Uno svantaggio economico del design del reattore CANDU è il costo iniziale, una tantum dell'acqua pesante, sebbene questa penalizzazione del costo di capitale elevato sia normalmente compensata da costi di rifornimento inferiori rispetto ad altri modelli, poiché non richiede uranio arricchito . I reattori CANDU richiedono il grado più puro di acqua pesante (maggiore del 99,75% di purezza). Tonnellate di questo costoso materiale sono necessarie per riempire la calandria CANDU e il sistema di trasporto del calore. L'acqua pesante di elevata purezza è costosa perché l'acqua pesante è quasi indistinguibile chimicamente dall'acqua normale e si trova in concentrazioni estremamente basse nell'acqua naturale (circa una parte su 7.000). Il reattore di nuova generazione, l'avanzato reattore CANDU, chiamato anche "ACR", mitiga questo inconveniente avendo un regolatore di dimensioni più ridotte e non utilizzando acqua pesante nel sistema di trasporto del calore (usa acqua leggera come refrigerante).

Un problema politico con il reattore CANDU è l'affermazione che la sua capacità di fare rifornimento senza spegnersi rende anche più facile la produzione di plutonio "per armi" ; cioè plutonio con un'alta concentrazione di Pu-239 e basse concentrazioni di altri isotopi Pu. Tutti i tipi di reattori commerciali producono plutonio come sottoprodotto naturale della fissione dell'uranio (una parte di questo plutonio subisce quindi la fissione stessa e contribuisce in modo significativo alla potenza totale del reattore). Il plutonio rimasto dallo scarico del combustibile del reattore è tipicamente di "grado reattore" (in abbondanza relativa inferiore in Pu-239), il che lo rende meno attraente come materiale bellico. L'affermazione, quindi, è che il rifornimento al volo possibile nei reattori CANDU consente di scaricare il combustibile dopo brevi periodi di irraggiamento, dove il combustibile esaurito conterrebbe livelli elevati di PU-239 rispetto al combustibile esaurito. , o in quello normale nel CANDU. Tuttavia, la capacità di produrre plutonio con tempi di irradiazione brevi non è esclusiva del tipo CANDU. Come per tutti i reattori energetici, l'uso improprio di queste strutture non solo sarebbe antieconomico in termini di produzione di energia, ma sarebbe anche facilmente rilevabile con le salvaguardie internazionali consolidate. Di maggiore importanza, quindi, è l'esigenza che tutti i tipi di reattori siano salvaguardati a un livello comparabile e accettabile, come ritenuto dalla comunità internazionale.

In particolare, il Canada ha firmato il Trattato di non proliferazione nucleare , che richiede agli stati di accettare di non produrre armi nucleari per acquistare modelli CANDU (che sono in uso o in costruzione in Cina , Corea del Sud , Argentina , India , Pakistan e Romania ) . Tutti i reattori CANDU sono soggetti alle salvaguardie dell'AIEA che assicurano che soddisfino gli standard globali di non proliferazione dell'agenzia delle Nazioni Unite. L'accettazione delle salvaguardie globali dell'AIEA presso una struttura CANDU rende molto difficile lo scarico clandestino di carburante a bassa combustione adatto alla produzione bellica. Non sono noti casi di combustibile esaurito CANDU deviato per un programma di armi.

C'è un malinteso comune sul fatto che il plutonio per l'operazione Laughing Buddha dai test nucleari indiani sia stato prodotto con un modello CANDU; infatti, il plutonio è stato prodotto dal reattore CIRUS non protetto che si basa sul design NRX , un diverso modello di reattore canadese. L'India ha alcuni reattori non protetti basati sul modello del reattore ad acqua pressurizzata pesante , utilizzato per generare energia e da cui parte del combustibile esaurito della centrale atomica di Madras (MAPS) è stato ritrattato in plutonio alla fine degli anni '80. Questi reattori potrebbero in linea di principio essere utilizzati per produzione di plutonio, l'India ha sviluppato e costruito autonomamente il “pool type reactor” ( Dhruva ) che è una versione ingrandita del tipo CIRUS progettata per la produzione di plutonio. Si ritiene che questo reattore abbia prodotto il plutonio per i recenti test nucleari dell'Operazione Shakti in India .

Misure che indicano preoccupazioni

Le efficienti installazioni CANDU sono molto attente nel controllare la perdita di acqua pesante dalla calandria e separano anche il trizio dal regolatore per la vendita nel mercato medico secondario. Alcune grandi strutture CANDU utilizzano l'energia in eccesso per far funzionare i loro piccoli impianti di separazione del deuterio, per aggiornare le scorte di acqua pesante e ridurre i costi.

La grande massa termica della caloria fredda funge da sostanziale meccanismo di sicurezza. Se un gruppo di combustibile dovesse surriscaldarsi e fondersi, verrebbe raffreddato da un processo di modifica della geometria del reattore. Inoltre, a causa dell'uso dell'uranio naturale come combustibile, il reattore non sarebbe in grado di sostenere una reazione a catena se si verificasse una qualsiasi alterazione significativa della geometria del canale originale.

Come accennato in precedenza, bruciandolo come carburante, CANDU può effettivamente convertire le scorte di armi in plutonio in seguito inadatto all'uso bellico. Atomic Energy of Canada ha presentato una proposta in tal senso al Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che è attualmente (2005) in discussione da parte di agenzie governative e organizzazioni non governative.


Vedi anche

Collegamenti esterni

(in inglese):

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