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I reattori nucleari di III generazione avanzata: AP1000 - Enrico Mainardi -

Il reattore AP1000 (Advanced Passive Reactor 1000MWe, reattore passivo avanzato), progettato dall’azienda americana Westinghouse anche con la partecipazione dell’italiana Ansaldo Nucleare, è del tipo ad acqua leggera in pressione (PWR - Pressurized Water Reactor).

La progettazione dell’impianto si avvale di una tecnologia ben provata basata su oltre 50 anni di esperienza operativa: circa il 50 per cento dei 440 reattori nel mondo si basano sulla tecnologia Westinghouse.

Le avanzate caratteristiche di sicurezza passive e le rilevanti semplificazioni impiantistiche permettono miglioramenti significativi in termini di sicurezza, affidabilità, protezione dell'investimento e costi di impianto.

L’AP1000 ha una potenza di 1154 MWe ed è stato sviluppato per essere competitivo dal punto di vista economico, mantenendo la stessa configurazione impiantistica e occupando i medesimi spazi dell’AP600 (600 MWe).

Tra i principali aspetti migliorativi dei progetti AP1000 e AP600 troviamo:

  • sistemi di sicurezza passiva;
  • aspetti per la mitigazione degli incidenti severi;
  • ridotte dimensioni dei componenti;
  • aspetti progettuali innovativi;
  • costruzione modulare;
  • tempi di costruzione ridotti.

Nel settembre 2004 l’ente di controllo americano NRC (Nuclear Regulatory Commission) ha concesso l’approvazione finale del progetto (FDA - Final Design Approval) alla Westinghouse per l’AP1000.

L’AP1000 è il primo, e ad oggi unico, impianto di Generazione III+, a ricevere tale CERTIFICAZIONE. L’AP600, invece, è stato certificato nel dicembre 1999.

Oltre a soddisfare i requisiti statunitensi per il rilascio della licenza, l'AP1000 soddisfa i requisiti stabiliti dalle società elettriche statunitensi (URD - Utilities Requirements Document) ed europee (EUR - European Utilities Requirements), confermando di poter essere commercializzato anche in Europa.

L’AP1000 è stato scelto come impianto di riferimento da sette compagnie elettriche negli Stati Uniti che hanno presentato ad NRC richieste per le Licenze Combinate (COL - Combined License) per la costruzione e l’esercizio di 14 unità AP1000.

Quanto discusso per il mercato statunitense è significativo poichè la CERTIFICAZIONE è pienamente valida anche per la costruzione nei paesi che adottano il sistema di licenza di impianto basato sul paese di origine e che, quindi, riconoscono la validità assegnata all’AP1000 da NRC.

Per quanto riguarda la commercializzazione internazionale, nel luglio 2007, Westinghouse ha firmato un contratto con l’Ente Statale per la Tecnologia dell’Energia Nucleare cinese (SNPTC - State Nuclear Power Technology Corporation) per fornire in Cina quattro impianti AP1000 nei siti di Sanmen (Zhejiang) e Haiyang (Shandong).

Attualmente sono iniziati i lavori per tre unità che entreranno in esercizio entro il 2015. Il contratto di fornitura si accompagna ad un Accordo di Trasferimento di Tecnologia che consentirà ad SNPTC di realizzare, per proprio conto, le altre future unità AP1000 previste dal programma nucleare cinese ad oggi stimate in 20 unità entro il 2020.

CARATTERISTICHE DI SICUREZZA NEL PROGETTO AP1000
L’AP1000, come il suo predecessore AP600, è caratterizzato dall’utilizzo di sistemi di sicurezza passivi che operano sfruttando forze e fenomeni naturali quali gravità, circolazione naturale, condensazione, convezione ed espansione di gas in pressione.

Tali sistemi non impiegano componenti attivi che richiedono sorgenti di energia (quali pompe, ventilatori e valvole attuate elettricamente o pneumaticamente) e sono in grado di funzionare senza l’ausilio di sistemi di supporto, quali l’alimentazione elettrica, i circuiti di raffreddamento dei componenti, i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento aria.

Il numero e la complessità delle azioni dell'operatore necessarie a controllare i sistemi di sicurezza sono ridotte al minimo; l’approccio adottato prevede di eliminare l’intervento dell’operatore piuttosto che automatizzarlo.

I sistemi di sicurezza dell’AP1000 sono stati ampiamente provati in impianti sperimentali quali lo SPES-2 (Piacenza, Italia), OSU (Oregon, US), ROSA-IV (Giappone), dando dimostrazione di ottime prestazioni ed affidabilità.

I risultati dell’Analisi Probabilistica del Rischio, (PRA – Probabilistic Risk Analysis) dell’AP1000, mostrano che la FREQUENZA di danneggiamento del nocciolo (CDF - Core Damage Frequency) è molto bassa, circa un centesimo del valore relativo agli impianti in esercizio ed un ventesimo del valore richiesto dalle utilities Statunitensi ed Europee per i reattori di nuova concezione. Anche la FREQUENZA di rilasci significativi (LRF - Large Release Frequency) prevista dal PRA è notevolmente inferiore rispetto a quella degli impianti attualmente in esercizio, rendendo tale evento - di fatto - incredibile.

CARATTERISTICHE DI COMPETITIVITÀ ECONOMICA NEL PROGETTO AP1000
L’AP1000 è stato progettato per raggiungere una sostanziale riduzione del costo del kWh, rendendolo economicamente competitivo rispetto agli impianti a COMBUSTIBILE FOSSILE.

L’uso estensivo della semplificazione e modularizzazione è stato uno dei principali obiettivi nella progettazione dell’impianto AP1000, permettendo una riduzione significativa del costo del finanziamento durante la fase di costruzione, del costo del lavoro altamente specializzato in sito e dei costi di esercizio e manutenzione, nonché la riduzione dei tempi di costruzione.

L'uso di sistemi passivi fa sì che l’impianto AP1000 risulti assai più semplice e con un minor numero di componenti rispetto agli impianti ad acqua pressurizzata attualmente in esercizio.

Rispetto ad un reattore convenzionale equivalente per potenza, l’AP1000 utilizza il 50% in meno di valvole, l’83% in meno di tubazioni (in classe di sicurezza), l’87% in meno di cavi, il 36% in meno di pompe e il 56% in meno di volumi di edifici antisismici.

Con l’adozione di sistemi passivi per l’implementazione delle funzioni di sicurezza non si sono ridotti i margini di sicurezza che, anzi, sono significativamente aumentati rispetto agli impianti attualmente in esercizio.

Grazie alla modularizzazione è possibile completare in parallelo attività di costruzione tradizionalmente eseguite in sequenza. I moduli, costruiti in stabilimenti fuori sito, possono essere assemblati in sito riducendo il tempo di costruzione dell’impianto e la quantità di lavoro specialistico svolto sul sito, molto più costosa di quella svolta nelle fabbriche.

Inoltre le saldature e le altre lavorazioni eseguite in fabbrica garantiscono una migliore qualità del lavoro, una maggiore flessibilità nella pianificazione e riducono la quantità di macchinari speciali sul sito.

Le caratteristiche di progetto avanzate dell’AP1000 garantiscono costi di produzione anche minori rispetto agli impianti in esercizio, richiedendo meno addetti per esercizio e manutenzione per le seguenti ragioni:

  • minor numero di apparecchiature rilevanti per la sicurezza su cui è necessario fare manutenzione e test di funzionamento periodici;
  • componenti passivi che non richiedono manutenzione;
  • caratteristiche che garantiscono una veloce rimozione della testa del VESSEL per il ricambio del combustibile;
  • minor quantità di rifiuti prodotti durante l’esercizio;
  • minore possibilità di ESPOSIZIONE alle radiazioni;
  • sala controllo caratterizzata dalla più moderna interfaccia uomo-macchina che richiede un solo operatore ed un supervisore durante le normali operazioni.

Il sistema di strumentazione e controllo digitale consente, grazie all’architettura a quattro canali, il test di un canale durante il normale funzionamento d’impianto e semplifica pertanto la determinazione di eventuali guasti e la loro riparazione.

L’impianto di controllo automatizza alcune operazioni quali il raffreddamento dell’impianto, operazione tipicamente gravosa per l’operatore, grazie anche ad un sistema di by-pass della turbina migliorato.

La Sala Controllo è progettata secondo le più moderne tecnologie di interfaccia uomo-macchina (MMI -  Man-Machine Interface): ciò semplifica notevolmente le funzioni dell’operatore e migliora l’operabilità complessiva dell’impianto.

La standardizzazione dei componenti permette la riduzione delle scorte dei ricambi in magazzino, riduce i tempi di manutenzione e semplifica la formazione del personale, migliorando la qualità degli interventi di manutenzione.

Secondo uno studio indipendente svolto dall’Institute of Nuclear Power Operators (INPO), un impianto passivo come AP1000 richiede circa un terzo in meno del personale per esercizio e manutenzione rispetto ad un impianto nucleare a sicurezza attiva.

COMPONENTI DELL’IMPIANTO AP1000
L’AP1000 e l’AP600, pur presentando caratteristiche innovative, sono dei reattori evolutivi per cui non forniscono grossi rischi tecnologici; si basano, infatti, sulla tradizionale tecnologia adottata nei reattori di tipo PWR presentando le stesse funzioni e la medesima disposizione dei sistemi.

Vengono utilizzati componenti base analoghi a quelli adottati nei PWR tanto nell’isola nucleare quanto nella parte convenzionale.

Il nocciolo del reattore è composto da 157 elementi di combustibile ed è progettato per operare con una bassa concentrazione di boro nel refrigerante.

E’ previsto un coefficiente di utilizzazione del 93% con un ciclo del combustibile di 18 mesi. Nell’ambito degli studi per il mercato Europeo è stata dimostrata la possibilità di operare anche con un ciclo di 24 mesi e con un nocciolo caricato con un combustibile costituito, fino al 50%, da Ossidi Misti (MOX).

Il controllo della reattività è demandato a 53 BARRE DI CONTROLLO ad alto assorbimento (Black Rods) insieme ad altre a basso assorbimento (Gray Rods) per consentire l’adeguamento della potenza alle variazioni giornaliere di carico richieste dalla rete, senza dover apportare variazioni alla concentrazione del boro disciolto nel refrigerante.

L’impiego di barre grigie, abbinato ad una strategia di controllo del carico automatizzato, assicura semplificazioni d’impianto grazie all'eliminazione delle apparecchiature di trattamento del boro e garantisce una minore produzione di effluenti liquidi radioattivi.