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Il contributo Italiano allo Sviluppo dei Reattori A Sicurezza Passiva - Roberto Adinolfi -

L’AP1000 e’ un impianto nucleare ad acqua leggera in pressione della potenza di circa 1 100 MWe derivato per  scale up dal modello AP600, sviluppato e licenziato nel corso degli anni ’90. Entrambi questi reattori sono ampiamente innovativi nella loro concezione (cosiddetti  reattori di terza generazione),  caratterizzata dall’estensivo uso di  sistemi di sicurezza passivi, che per svolgere la loro funzione non richiedono fonti esterne di energia né necessitano di complessi sistemi di supporto (alimentazioni elettriche, sistemi di raffreddamento ecc.).     L’uso dei sistemi passivi dà luogo ad un misurabile e significativo miglioramento nella sicurezza dell’impianto, nella sua affidabilità, nella semplificazione dell’esercizio, e quindi in termini di costi di capitale ed esercizio.

L’AP1000, con l’AP600,  e’ l’unico reattore di terza generazione ad avere ricevuto, grazie all’FDA della  NRC,  un riesame completo ed una esplicita approvazione definitiva da una Autorità di Sicurezza (il processo di licensing in vigore negli USA prevede infatti che nelle fasi successive si valutino solo le caratteristiche del sito e le interazioni fra il progetto approvato e tali caratteristiche, senza riaprire l’esame delle caratteristiche peculiari dell’impianto).

L‘approvazione costituisce un riconoscimento importante per l’impianto nucleare progettato da Westinghouse con l’ampia collaborazione della Divisione Nucleare di  ANSALDO Energia e garantisce un vantaggio rilevante per la sua commercializzazione, in un momento in cui l’energia nucleare sembra essere nuovamente una scelta di interesse per il futuro energetico dei paesi industrializzati e ancor più dei paesi emergenti.
Non a caso, l’ FDA e’ arrivato poche settimane prima della richiesta di offerta del Governo Cinese per la costruzione dei primi quattro impianti nucleari a tecnologia avanzata. A questa offerta Ansaldo Energia partecipa con un ruolo di primo piano fra i partners della Westinghouse. 

In realtà, il rapporto di partnership fra Westinghouse ed Ansaldo per la progettazione e realizzazione di impianti Nucleari di nuova generazione risale già alla fine degli anni ’80.

In quegli anni, l’ Industria Nucleare americana, messa in crisi dal ristagno degli ordinativi, iniziò un processo di profonda ristrutturazione e di rilancio tecnologico. 
Le società elettriche, riunite nell’ Energy Power Research Institute (EPRI), lanciarono il progetto  sfociato nella redazione del “Utilities Requirements Document “(URD), con l’obiettivo di definire i requisiti di base e le linee guida per la progettazione per gli impianti nucleari di nuova generazione, che avrebbero dovuto vedere la luce nella seconda meta’ degli anni ‘90. 
Il documento diede un nuovo impulso alla progettazione di impianti innovativi, in grado di rispondere alle esigenze delle Utilities in termini di costi nonchè di sicurezza dell’investimento.  Tali impianti, quali l’AP600 progettato da Westinghouse o il Simplified BWR progettato da General Electric, erano caratterizzati da  taglie ridotte, sia perché sul mercato USA si andavano affermando tendenze contrarie al gigantismo delle unità nucleari (percepito come ostacolo alla decisione di investire, piuttosto che come beneficio per effetto di scala), sia perché il ricorso ai meccanismi di sicurezza passiva suggeriva di ridurre i requisiti funzionali (portate di iniezione, potenze da smaltire in circolazione naturale, ecc.) .

Negli stessi anni, in Italia, a seguito del referendum del 1987, venivano fermate le centrali nucleari Italiane fino ad allora in operazione e veniva interrotta la costruzione delgli impianti di Montalto di Castro, completo al 70%, e di Trino Vercellese, ordinato a gennaio del precedente anno. 

La chiusura degli impianti non avrebbe dovuto però rappresentare, secondo le indicazioni politiche dell’epoca (cfr. Piano Energetico Nazionale del 1988), un completo abbandono del nucleare.  Al contrario, la costituzione di  un “Presidio Tecnologico” avrebbe dovuto assicurare il mantenimento delle competenze dell’ industria nucleare italiana  e  dell’ Ente di Controllo preposto.  In aggiunta, tale Presidio Tecnologico avrebbe dovuto consentire la valutazione e lo sviluppo dei progetti caratterizzati da tecnologie innovative e che sembravano più promettenti per una eventuale riconsiderazione del nucleare in Italia. 

All’ inizio del 1990 venne pertanto siglato un accordo fra ANSALDO, ENEA, ENEL da una parte e Westinghouse dall’ altra per lo sviluppo dell’impianto AP600 di cui era appena stata completata la progettazione concettuale.

Durante la prima fase di progettazione, avente per obiettivo la presentazione del Rapporto di Sicurezza (Safety Analysis Report) ad NRC e quindi l’ottenimento della “Design Certification”, ANSALDO partecipo’ alla progettazione di dettaglio dei sistemi e dei componenti più innovativi e critici dell’ impianto quali in particolare il sistema di iniezione d’ emergenza (PXS) ed il sistema di rimozione del calore residuo  tramite  scambiatore passivo (PRHR). 

Collateralmente alla progettazione,  furono sviluppate approfondite attività di verifica di sicurezza, con un importante coinvolgimento  ANSALDO, incaricata di redigere intere parti del Capitolo 15 “Safety Analysis” del Rapporto di Sicurezza.  
Un ulteriore contributo al licensing dell’ impianto AP600 da parte del sistema Italia è costituito dale attività sperimentali effettuate presso l’impianto SPES-2 della SIET- Piacenza  , che consentirono la validazione sperimentale dei meccanismi di depressurizzazione ed iniezione di emergenza a seguito di una rottura del circuito primario di raffreddamento  (Loss of Coolant Accident).    
ANSALDO ed ENEA realizzarono inoltre l’impianto sperimentale VAPORE, per la valutazione dei carichi dinamici associati allo scarico di vapore nella  piscina  IRWST (In-Containment Refuelling Water Storage Tank), operazione essenziale per garantire la depressurizzazione del circuito primario, e quindi la sua refrigerabilità in circolazione naturale, in qualsiasi condizione anomala diversa dalla rottura.

La progettazione di dettaglio dell’impianto AP600, il cosiddetto  First-Of-A–Kind-Engineering (FOAKE), si sovrappose  alle attivita’ per il licensing a partire dal 1994.
La partecipazione Ansaldo, anche in questa fase, e’ stata estremamente significativa sia in termini quantitativi che qualitativi.  Ansaldo ha infatti sviluppato buona parte del layout engineering dell’isola nucleare,  in particolare del contenitore.  La progettazione delle tubazioni dei sistemi di sicurezza secondo le metodologie della meccanica della frattura (criterio del Leak Before Break), delle opere civili dell’isola nucleare e di alcuni componenti innovativi dell’impianto (e.g., Passive Residual Heat Removal Heat Exchanger, Steam Generator Plenum) hanno imposto ANSALDO come partner di riferimento Westinghouse per lo sviluppo degli impianti a tecnologia passiva, anche al di fuori dei programmi USA..

Così negli anni seguenti Ansaldo e Westinghouse hanno dato vita ad un programma denominato European Passive Plant, inizialmente sponsorizzato da otto utilities europee, quali Enel, Edf, Swiss Nuclear, Tractebel, le utilities spagnole,finlandesi e svedesi.  L’impianto di riferimento, EP1000, era ancora un impianto passivo, ma con tre circuiti primari (invece dei due presenti nell’AP600) per circa 1,000 Mwe di potenza generata.  I criteri di progetto dell’EP1000 derivavano direttamente dall’AP600 ma includevano, in aggiunta, i neonati criteri Europei per gli impianti ad acqua leggera (EUR). 
Anche per questo progetto, Ansaldo e’ stata responsabile della progettazione delle strutture civili e del layout dell’isola nucleare, di alcuni componenti principali (e.g., Steam Generators, Core Make Up Tanks) , dei sistemi di rimozione del calore (e.g., Component Cooling System, Service Water) e dei sistemi di ventilazione (HVAC). L’EP 1000 è stato valutato con successo dall’organizzazione delle Utilities europee e dichiarato pienamente rispondente agli EUR.

Gli eccellenti risultati raggiunti con l’AP600 (e con l’EP1000) in termini di efficacia dei nuovi meccanismi di sicurezza passiva,  associati alle sempre più competitive condizioni del mercato energetico americano, che richiedevano un costo del kW/h prodotto di circa 3centesimi di $,  spinsero infine la Westinghouse, nel 1999, ad avviare lo sviluppo dell’AP1000, un impianto da 1000 MW con due soli circuiti primari (a differenza dell’EP1000), che utilizza appieno la base progettuale dell’AP600, ridimensionando opportunamente i singoli componenti: si sfrutta così appieno l’effetto di scala, senza peraltro rinunciare ai vantaggi tecnici ed economici dei sistemi passivi (da notare che la taglia di 1000 MW viene oggi comunemente accettata dalle società elettriche americane come una taglia affordable per nuovi investimenti anche non nucleari).

In particolare, l’ AP1000 è stato progettato per ottenere la massima potenza elettrica, all’ interno delle strutture precedentemente definite per l’AP600.  Così l’AP1000 utilizza diversi componenti direttamente derivati dall’ AP600.  Un esempio è costituito dal reactor VESSEL che differisce da quello dell’ AP600  solo per un aumento limitato di lunghezza, necessario ad ospitare il nuovo combustibile la cui parte attiva è 14 ft invece dei 12 ft precedenti.
L’AP1000 è caratterizzato da un nocciolo ad alta densità di potenza (5,7 kW/ft), costituito da 157 elementi di combustibile.  A fronte di una potenza termica di 3415 MWt, la potenza elettrica è di 1115 MWe.  I due circuiti di raffreddamento sono caratterizzati da una gamba calda, da due gambe fredde e due pompe primarie ciascuno.  Le pompe primarie sono di tipo canned, ossia contenute interamente, motore e girante, all’interno della barriera di pressione, e sono integrate con il plenum del generatore di vapore per consentire la semplificazione del circuito primario.  I generatori di vapore, chiamati 125, sono caratterizzati da una superficie di scambio di 125,000 ft2 .   
La parte più innovativa dell’ impianto è tuttavia quella relativa ai sistemi di sicurezza passivi.  Come si vede dalla Figura, l’insieme del sistema di iniezione di sicurezza e refrigerazione del nocciolo è semplicemente costituito da alcuni serbatoi d’acqua borata (nessuna pompa). A seguito di un transitorio incidentale, il circuito primario si depressurizza (se necessario tramite l’apertura delle valvole di depressurizzazione) e l’acqua borata entra nel VESSEL per gravità , assicurando la refrigerazione del combustibile nel breve termine.   Nel lungo termine, la refrigerazione è assicurata dalla condensazione del vapore sulle pareti del contenitore metallico e ancora dalla ricircolarione, per gravità, attraverso la sump.


Sistema di Iniezione e Raffreddamento del Nocciolo (PXS)



Sistema di Contenimento Passivo

L’integrazione di sistemi di sicurezza passivi con sistemi attivi non classificati, è caratteristica dell’ AP1000 e garantisce la difesa in profondità delle barriere al rilascio dei prodotti di fissione radioattivi.  Inoltre, comporta una semplificazione notevole dei sistemi di sicurezza e soprattutto dei sistemi ausiliari necessari al loro funzionamento (e.g., eliminazione dei sistemi di refrigerazione dei componenti, dei diesel d’emergenza). 

Le piccole modifiche effettuate ai sistemi di sicurezza passivi, rispetto alla configurazione dell’AP600,  hanno consentito di ottenere una maggiore potenza senza sacrificare i margini di sicurezza o la FREQUENZA di fallimento del combustibile che, come dimostrato dai risultati del Probabilistic Safety Assessment (PRA), vedi figura, sono molto più bassi (i.e., 2.4 x 10-7 eventi/anno) di quelli relativi agli impianti in esercizio e dei limiti imposti dell’NRC.


FREQUENZA di Danneggiamento del Nocciolo

La fase di licensing dell’AP1000 conclusasi con l’FDA nel Settembre dell’anno scorso, ha visto ANSALDO ancora una volta  rivestire un ruolo di primo piano,  dallo sviluppo dei codici di analisi di transitori incidentali e di buona parte delle analisi di sicurezza alla definizione delle condizioni base di progetto (Design Transients) e al ridimensionamento dei componenti principali.

Se il futuro dell’AP1000 si gioca, nell’immediato, con l’ offerta Cinese (che si concludera’ entro la fine dell’anno), e’ altrettanto vero che questa tecnologia sembra avere prospettive estremamente positive anche in altri mercati, a cominciare dagli stessi USA. 
Oggi, infatti, l’AP1000 è preso a modello per approntare le istanze di Combined Construction and Operation  Licenses, nell’ambito di un programma sponsorizzato da sette delle maggiori società elettriche americane, riunite in un consorzio chiamato  NuStart, che hanno presentato richiesta per l’autorizzazione di nuovi siti nucleari. L’iniziativa si inquadra  nel contesto del “Nuclear Power 2010 Program” , lanciato dal Department of Energy per arrivare alla costruzione di un nuovo impianto nucleare negli Stati Uniti per il 2010. 

Gli accordi in essere assicurano all’ANSALDO un ruolo di partner Westinghouse sia come progettista/fornitore sia come codeveloper in vari mercati. L’AP1000 rappresenta quindi un importante asset  per la nostra azienda per continuare, anche nei prossimi anni, ad essere un attore nel mercato dell’impiantistica nucleare, nel quale, pur fra mille difficoltà, siamo stati presenti con successo anche negli anni del disimpegno italiano, assicurando un contributo al mantenimento e allo sviluppo delle competenze industriali e tecnologiche nel settore,  e che potrebbero forse rivelarsi utili, in un futuro, anche al nostro Paese.