Gli impianti nucleari sono tra i più complessi e critici impianti industriali mai costruiti. Il loro funzionamento sicuro si basa su innumerevoli sistemi interconnessi, ma nessuno è più fondamentale dell'infrastruttura di alimentazione elettrica. L'elettricità è la linfa vitale di un impianto nucleare: alimenta i sistemi di controllo dei reattori, le pompe di raffreddamento, i sistemi di raffreddamento del nucleo di emergenza, le valvole di isolamento del contenimento, la strumentazione di monitoraggio e tutte le apparecchiature connesse alla sicurezza.

Classificazione di sicurezza delle forniture di energia

Nelle centrali nucleari, i sistemi di energia elettrica sono classificati in base al loro significato di sicurezza. Il sistema di classificazione primaria utilizzato negli Stati Uniti e in molti altri paesi si basa sulle normative IEEE 308 e NRC. Le forniture di energia e i loro componenti associati sono designati come Classe 1E se sono essenziali per la chiusura sicura, il raffreddamento di emergenza, o il contenimento di materiale radioattivo.

Sistemi di Classe 1E

I sistemi di alimentazione della classe 1E includono i generatori di emergenza, le batterie di stazione, gli alimentatori ininterrotti (UPS) e i loro pannelli di distribuzione che alimentano carichi legati alla sicurezza.

Sistemi non sicuri e bilanciati

I sistemi di alimentazione non sicuri servono i normali carichi di impianti, come l'illuminazione, la ventilazione (ad eccezione di HVAC, le torri di raffreddamento e le pompe di acqua circolanti.

Potere primario: fonti offsite e onsite

La fonte primaria di energia per l’esercizio di un impianto nucleare è la rete di trasmissione offsite. In genere, due o più circuiti indipendenti offsite sono collegati al cantiere di interruttori dell’impianto, ciascuno in grado di fornire il carico completo della stazione. Questi circuiti sono indirizzati su diversi diritti di strada per ridurre la probabilità di perdita simultanea da un evento meteo comune o da un disturbo della rete.

Nonostante queste misure, la potenza offsite può essere persa a causa di guasti di linea, tempeste, instabilità della griglia, o spargimento di carico intenzionale. In rari casi, come l'incidente di Fukushima Daiichi del 2011, un terremoto grave e tsunami hanno distrutto più circuiti offsite contemporaneamente.

Sistemi di alimentazione di emergenza

Gli impianti nucleari impiegano un approccio stratificato alla potenza di emergenza, a partire da generatori diesel ad alta velocità e si estendono attraverso batterie e UPS per gestire la transizione. La filosofia progettuale è che nessun singolo fallimento, nessuna perdita concomitante di energia offsite, dovrebbe impedire alla pianta di raggiungere e mantenere la chiusura sicura.

Generatori diesel di emergenza

Ogni unità nucleare ha tipicamente tra due e quattro generatori diesel di emergenza (EDGs), ciascuno dimensionato per fornire tutti i carichi legati alla sicurezza (ad esempio, pompe di raffreddamento del nucleo di emergenza, spray di contenimento, acqua di raffreddamento essenziale e ventilazione della sala di controllo).

Alcune piante avanzate incorporano anche generatori di turbine a gas o unità a doppio combustibile (gas naturale/diesel) come alternative diverse. La diversità riduce il rischio di guasti a doppio movimento — ad esempio, se un problema di qualità del combustibile colpisce diesel, la turbina potrebbe ancora funzionare.

Batterie di stazione

Le batterie di sicurezza sono state progettate per la sicurezza di un dispositivo di controllo di sicurezza, e durante il tempo necessario per i generatori diesel per avviare e sincronizzare (di solito 10-30 secondi), i carichi elettrici sono trasportati da batterie di stazione. Queste batterie forniscono anche carichi critici che richiedono l'alimentazione DC, come relè protettivi, rotture di rottura del circuito, e controllori di sistema di sicurezza.

Forniture di alimentazione ininterrotte (UPS)

Per carichi sensibili ai transienti di tensione, deviazioni di frequenza o interruzioni di corrente anche momentanee, come sistemi di controllo digitale, sistemi di protezione dei reattori e strumentazione di visualizzazione di sicurezza, i sistemi di stazione UPS colmano il divario tra la potenza della batteria e la potenza del generatore.

Principi di progettazione per l'affidabilità senza pari

Oltre alla selezione dell'hardware, la filosofia progettuale per l'approvvigionamento di energia negli impianti nucleari è disciplinata da diversi principi fondamentali:

  • Redundancy:[ Le funzioni essenziali hanno almeno due canali indipendenti (spesso più).Per l'alimentazione, questo significa generatori diesel separati, batterie e UPS per ogni treno di sicurezza.
  • Diversità:[] Se possibile, diverse tecnologie vengono utilizzate per il backup (ad esempio, generatori diesel vs idroturbine in alcune piante, o batteria vs. flywheel UPS). Diversità protegge contro errori causali comuni come difetti di progettazione in un modello di generatore o contaminazione di un lotto di carburante.
  • Separazione fisica:[] I componenti ridondanti sono collocati in edifici distinti, zone di fuoco e categorie sismiche. I cavi sono percorsi separati per evitare incendi, inondazioni o danni missilistici che portano fuori entrambi i treni.
  • Qualificazione:[] L'apparecchiatura di potenza di classe 1E deve essere compatibile con l'ambiente e la sismica per IEE 344 e IEEE 323. Ciò significa che sono testati o analizzati per funzionare durante e dopo eventi di base di progettazione, come un terremoto di arresto sicuro (SSE) con correnti di guasto e esposizione alle radiazioni.
  • Difendere in profondità:[] Diversi strati di protezione: (1) alimentazione offsite, (2) EDG, (3) fonti alternative di corrente alternata (ad esempio, turbine a gas, diesel di backup in alcuni disegni), (4) batterie di stazione, (5) generatori portatili e batterie memorizzate in loco per eventi estremi oltre la base di progettazione.

Standard regolamentari e industriali

Gli investimenti per la produzione di energia elettrica sono stati effettuati da un sistema di controllo di sicurezza IEEE Standard (G12) 17, che prevede un sistema di alimentazione elettrica in loco con sufficiente indipendenza, capacità e affidabilità.

Le risorse esterne che forniscono ulteriore profondità includono:
] NRC 10 CFR 50.63: Station Blackout Requirement[[
] IAEA SSG-34: Progettazione dei sistemi elettrici per le centrali nucleari
] [FIEFIEFIEFIEFIEFIE][7]

Test, manutenzione e miglioramento continuo

Un sistema di alimentazione è affidabile solo come ultima prova. Gli impianti nucleari effettuano un ampio programma di sorveglianza per convalidare che ogni componente di backup si esibirà quando viene chiamato.

  • Test di partenza mensili con accettazione automatica del carico (di solito 30 minuti di corsa).
  • Funzionamento annuale a pieno carico, 24 ore di resistenza.
  • Periodicamente testare in condizioni di blackout simulate (perdita di entrambi i siti e EDG, a seconda delle batterie).
  • Test di qualità del petrolio combustibile e verifica del livello del serbatoio.

Le batterie di stazione sono soggette a misurazioni trimestrali specifiche della gravità, a test annuali di scarico a una tensione specifica (mentre ancora in fase di fornitura di carichi vitali), e a controlli periodici delle capacità. I sistemi UPS hanno test di carico e test automatici di trasferimento.

Inoltre, l'esperienza operativa da impianti in tutto il mondo è condivisa attraverso gruppi industriali come INPO e WANO. Le lezioni da eventi, come il fuoco Browns Ferry che ha danneggiato i vassoi di cavi, o la stazione di Fukushima blackout, sono incorporati in requisiti aggiornati per la separazione fisica, la protezione contro gli eventi esterni gravi, e l'aggiunta di apparecchiature di emergenza portatili (ad esempio, pompe diesel-driven e generatori portatili memorizzati a terra più alta).

Lezioni Imparare dall'esperienza operativa

L'incidente di Fukushima Daiichi nel 2011 è stato un momento di spargimento dell'energia nucleare. La perdita di energia offsite dovuta al terremoto, seguita dallo tsunami che ha inondato e disabilitato gli EDGs e le batterie in loco, ha portato a una stazione prolungata blackout che ha portato a furti di nucleo. In risposta, i regolatori in tutto il mondo hanno mandato ulteriori strategie diverse e flessibili (ad esempio, FLEX nel generatore di U.S.) che includono in modo permanente

Nel 1975, un incendio a Browns Ferry ha eliminato i cavi di alimentazione legati alla sicurezza per sistemi multipli, dimostrando la vulnerabilità dei vassoi di cavi condivisi, che hanno portato a severi requisiti di separazione dei fuochi. Nel 1986, un fallimento di un generatore diesel presso lo stabilimento Davis-Besse a causa di un regolatore di tensione difettoso ha evidenziato la necessità di una completa qualificazione dei componenti e test regolari.

Tecnologie emergenti e tendenze future

L'industria nucleare si evolve con i reattori avanzati dell'acqua leggera e i piccoli reattori modulari (SMR), il design dell'alimentazione elettrica è in costante aumento. I SMR spesso incorporano caratteristiche di sicurezza passiva che riducono la dipendenza dai sistemi di alimentazione attiva, ad esempio, il raffreddamento della circolazione naturale elimina la necessità di grandi pompe di emergenza.

C'è anche un crescente interesse per le fonti energetiche alternative per il backup, come le celle a combustibile idrogeno che possono fornire il backup a lunga durata senza logistica dei combustibili fossili, o microgriglie che possono isolare l'impianto da una griglia disagiata. Alcuni siti stanno esplorando i sistemi a batteria ibridi (lithium-ion per alta potenza, piombo-acido per l'energia) per migliorare il ciclismo e la durata della vita.

Conclusioni

Dal massiccio generatore diesel di emergenza che può alimentare una piccola città all’UPS di precisione che mantiene i sistemi di protezione digitale pulita durante un difetto, ogni elemento è progettato, testato e regolato per garantire che l’elettricità scorre alle apparecchiature di sicurezza quando è necessario più. L’impegno dell’industria nucleare per la difesa in profondità, la ridondanza, la diversità e l’apprendimento continuo dall’esperienza operativa assicura che i sistemi di alimentazione elettrica contribuiscano a una minaccia globale positiva

Per ulteriori informazioni, consultare le seguenti fonti autorevoli:[
]] NRC Guida regolatrice per sistemi di potenza
Programma di energia nucleare EPRI – Sistemi elettrici]]