Introduzione alla funzione di controllo PWR Rod

I reattori ad acqua pressurizzata (PWR) costituiscono la maggior parte dei reattori a energia nucleare commerciali mondiali, che operano sotto pressione elevata per mantenere l’acqua refrigerante in uno stato liquido, mentre il trasferimento del calore dal nucleo ai sistemi a vapore secondari.

Il ruolo critico dei materiali della canna di controllo nella sicurezza nucleare

Le barre di controllo forniscono i mezzi principali di controllo della reattività in un PWR, sia nel normale funzionamento che durante l’arresto. La capacità del materiale di assorbire i neutroni senza eccessiva gonfiore o degradazione sotto irradiazione prolungata determina la capacità del reattore di mantenere i coefficienti di reattività negativi necessari e di rispondere rapidamente agli eventi transitori.

Oltre al controllo immediato della reattività, i materiali della barra di controllo contribuiscono anche alla sicurezza intrinseca del reattore fornendo un coefficiente di temperatura negativo. Se la temperatura di raffreddamento aumenta, le barre devono continuare ad inserire efficacemente senza intasamento. Le interazioni tra il rivestimento dell'asta, il materiale di assorbimento, e la chimica circostante refrigerante (in particolare in un ambiente di acqua pressurizzata con idrossido di litio e acido borico) introducono ulteriori complessità .

Materiali e loro limitazioni operative della canna di controllo corrente

Ammortizzatori a base di boro

Il carburo di boro (B4C) è l’assorbente di neutroni più utilizzato nelle barre di controllo PWR, spesso impiegato sotto forma di pellets incapsulati in acciaio inossidabile o rivestimento di Inconel. Il boro naturale contiene circa il 20% 10B, che ha un alto tasso di ustionamento termico, che porta ad alta pressione di gas

Hafnium e altre alternative

I reattori di afnio offrono un assorbitore bruciato con una buona resistenza meccanica e corrosione, ma l'alta densità e la disponibilità limitata del hafnium lo rendono costoso. Inoltre, la sezione di cattura di neutroni di hafnium è intermedia, richiedendo volumi di asta più grandi rispetto al carburo di boro.

Indicazioni di ricerca in materiali avanzati per canne di controllo

Concetti di ammortizzatore composito

La miscelazione del carburo di boro con altri materiali refrattari come il diboride di titanio (TiB2) o il carburo di silicio (SiC) può ridurre il gonfiore distribuendo il gas di elio più uniformemente e fornendo una matrice più forte.

Ceramiche e Carburi Avanzati

La ricerca di un elevato grado di resistenza al vapore (HfC) e di zirconio (ZrC) sono in corso di indagine per i loro elevati punti di fusione e per l’eccellente durezza strutturale.

Materiali Nanostrutturati e Multi-Phase

La riduzione delle dimensioni dei cereali alla nanoscala (oltre 100 nm) può aumentare notevolmente il numero di confini del grano, che agiscono come lavandini per difetti di punto e bolle di elio.

Integrazione ammortizzante con barre di controllo

I reattori di controllo devono essere più flessibili, ma devono essere utilizzati per la gestione di barre di controllo che contengono ossido di erbio (Er2O3) o ossido di gadolinium, come le barre di arresto e come assorbitori di durata che gradualmente indeboliscono il ciclo, consentendo un funzionamento più flessibile del reattore.

Vantaggi dei materiali avanzati per la sicurezza e l'economia della Rod di controllo

La sicurezza è migliorata perché le aste mantengono la loro integrità meccanica e la capacità di inserimento per periodi più lunghi, riducendo la probabilità di barre bloccate o di arresto incompleto. Il gonfiore ridotto si traduce in meno eventi di contatto di assemblaggio di carburante, che possono causare l'inarcamento e localizzati punti caldi.

Da una prospettiva di scarto, molti dei nuovi materiali possono essere progettati per avere una produzione di isotopi più bassa di lunga durata, semplificando lo smaltimento finale. Ad esempio, hafnium-178 e hafnium-180 hanno semilive relativamente brevi (secondi a giorni) dopo la cattura di neutroni, in modo che i bastoni spesi non siano i principali contributori alla tossicità di scarto di alto livello.

Sfide per la Commercializzazione e il percorso avanti

Test di qualificazione e irradiazione dei materiali

Il programma di ricerca, che prevede la realizzazione di un programma di ricerca e di sviluppo tecnologico, è stato elaborato in modo da consentire ai ricercatori di fornire informazioni e informazioni sulle attività di ricerca e di sviluppo.

Produzione Scale-Up e riduzione dei costi

Molti materiali promettenti, come la ceramica di metallo duro nano-strutturato B4C e hafnium, sono attualmente costosi da produrre perché richiedono precursori ad alta purezza, attrezzature di sinterizzazione specializzate e controllo preciso del processo.

Integrazione con concetti di carburante tollerante incidente

La spinta per il combustibile tollerante agli incidenti (ATF) dopo l'incidente di Fukushima Daiichi ha accelerato la ricerca sui materiali di rivestimento e di controllo della barra che possono sopportare temperature estreme e ossidazione a vapore.

Problemi di normazione e standardizzazione

I nuovi materiali di controllo non sono ancora stati utilizzati in modo unificato. L’organismo normativo di ciascun paese può avere requisiti diversi per l’irradiazione, i parametri di prova e i criteri di fallimento. Questa frammentazione può ritardare l’adozione, poiché i produttori devono adattare i loro pacchetti di dati per più mercati.

Il Outlook per le barre di controllo PWR di prossima generazione

Il portafoglio di ricerca collettiva, composto da materiali avanzati, materiali nanostrutturati e assorbitori bruciatori integrati, permette di ottenere un controllo di lunga durata dei materiali di controllo PWR di prossima generazione, con una notevole resistenza ai raggi di oggi, e di migliorare in modo più ampio i modelli di materiali di controllo a lungo termine (2025-2030), i piccoli miglioramenti delle microstrutture a pellet e i rivestimenti a rivestimento in ceramica a medio termine sono probabilmente distribuiti in commercio, offrendo guadagni incrementali negli sviluppi a vita e sicurezza.

Sottolineando tutti questi progressi è una comprensione più profonda dei meccanismi di danno radiazioni a scala atomica, aiutato da modellazione atomistica e microscopia elettroni a trasmissione in situ. Come strumenti computazionali migliorare, permetterà ai ricercatori di schermi virtualmente migliaia di potenziali composti assorbenti, riducendo drasticamente il ciclo di prova e-error. Gli incentivi economici e di sicurezza rimangono convincenti: un miglioramento dell'1% delle vie di capacità solo per un milione di guadagno in PWRWR.

Riferimenti e lettura:[] ] Associazione Mondiale Nucleare – Rod di Controllo, []] NRC – Piano di revisione standard per LWR Fuel[, American Nuclear Society – Standard for Nuclear Fuel Safety[.F7]