ITMI20081495A1 - Gruppo di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare - Google Patents

Gruppo di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare

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ITMI20081495A1
ITMI20081495A1 IT001495A ITMI20081495A ITMI20081495A1 IT MI20081495 A1 ITMI20081495 A1 IT MI20081495A1 IT 001495 A IT001495 A IT 001495A IT MI20081495 A ITMI20081495 A IT MI20081495A IT MI20081495 A1 ITMI20081495 A1 IT MI20081495A1
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“Gruppo di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare”
La presente invenzione è relativa a un gruppo di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare a piscina, provvisto di un dispositivo di sicurezza passiva per limitare, in caso di rottura accidentale di un tubo del gruppo di scambio termico, la fuoriuscita di fluido dal tubo.
Il gruppo di scambio termico trova una sua preferita applicazione in un reattore nucleare, in particolare un reattore nucleare a piscina raffreddato con fluido primario a bassa pressione, applicazione a cui ci si riferirà nel seguito a puro titolo esemplificativo.
Un reattore nucleare con conformazione cosiddetta a piscina, operante con fluido primario di raffreddamento a bassa pressione (non pressurizzato), include normalmente un involucro principale al cui interno sono alloggiati un nocciolo immerso nel fluido primario e uno o più scambiatori di calore principali per sottrarre calore al fluido primario tramite un fluido secondario.
Gli scambiatori di calore più diffusi sono scambiatori a fascio tubiero, formati cioè da una pluralità di tubi di scambio termico, in cui circola un fluido ad alta pressione, per esempio acqua/vapore.
Questi scambiatori presentano il problema di una violenta e consistente fuoriuscita del fluido in pressione, in caso di rottura accidentale di un tubo e in particolare per le cosiddette rotture a ghigliottina (vale a dire in cui il tubo si spezza in due tronconi e il fluido fuoriesce da entrambi i tronconi).
Il problema è particolarmente importante nel settore dei reattori nucleari, in quanto la fuoriuscita del fluido secondario può portare a grosse e improvvise variazioni di pressione all’interno dell’involucro del reattore.
Una possibile soluzione è rappresentata dall’uso di valvole.
Per esempio, è possibile utilizzare le stesse valvole di isolamento che sono comunemente presenti sui collettori di ingresso e uscita dello scambiatore per consentire gli interventi di manutenzione. L’azionamento (manuale o automatico) di queste valvole in caso di rottura dei tubi permette di isolare lo scambiatore, limitando così la fuoriuscita massima di fluido al volume immagazzinato nello scambiatore stesso.
Per ridurre ulteriormente la quantità di fluido che può fuoriuscire in caso di rottura possono essere utilizzate anche valvole da installare su ciascun tubo dello scambiatore; in questo caso, la chiusura della valvola montata sul tubo rotto consente di limitare la quantità totale di fluido scaricata a quella immagazzinata nel solo tubo interessato alla rottura.
Questo tipo di soluzioni presenta però l’inconveniente di richiedere un sistema di azionamento che comandi l’attivazione delle valvole, e che può risultare non pienamente affidabile.
Sistemi di azionamento automatici, infatti, possono essere soggetti a malfunzionamenti, mentre un intervento affidato ad un operatore è soggetto a errori umani o può risultare non tempestivo.
È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un gruppo di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare (per esempio del tipo a piscina), che sia privo degli inconvenienti qui evidenziati della tecnica nota; in particolare, è uno scopo del trovato quello di fornire un gruppo di scambio termico che, in caso di rottura di un tubo del gruppo di scambio termico, consenta di limitare la portata di fluido scaricata dal tubo rotto affidandosi unicamente a un dispositivo di sicurezza passiva, dal funzionamento semplice, efficace e affidabile in quanto in grado di intervenire per svolgere la funzione richiesta unicamente sulla base di leggi fisiche, in conseguenza della propria particolare conformazione.
La presente invenzione è dunque relativa a un gruppo di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare (per esempio un reattore del tipo a piscina), come definito in termini essenziali nell’annessa rivendicazione 1 e, nei suoi caratteri addizionali, nelle rivendicazioni dipendenti.
L’invenzione è inoltre relativa a un reattore nucleare, in particolare un reattore nucleare a piscina raffreddato con fluido primario a bassa pressione, come definito nell’annessa rivendicazione 10.
In sostanza, l’invenzione consiste nel dotare ciascun tubo dello scambiatore di calore del gruppo di scambio termico con un ugello di Venturi opportunamente dimensionato, disposto a monte dello scambiatore di calore, e con un ulteriore elemento passivo di sicurezza, per esempio un ulteriore ugello di Venturi ma anche un elemento di diverso tipo, opportunamente dimensionato e disposto invece a valle dello scambiatore di calore.
Il termine “elemento passivo di sicurezza” indica un elemento che svolge la propria funzione unicamente sulla base di leggi fisiche e senza richiedere una attivazione da parte di un ulteriore sistema di azionamento (automatico o manuale).
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alla figura annessa, che è una vista schematica semplificata e fuori scala di un reattore nucleare, in particolare un reattore nucleare del tipo a piscina raffreddato con fluido primario a bassa pressione, equipaggiato con un gruppo di scambio termico in accordo al trovato.
Nella figura annessa è rappresentato, solo schematicamente e solo negli elementi essenziali (che sono rappresentati non in scala), un reattore 1 nucleare del tipo a piscina raffreddato con fluido primario a bassa pressione, per esempio metallo liquido.
Il reattore 1 comprende un involucro 2 principale, non pressurizzato, chiuso superiormente da un tetto 3 e contenente un fluido primario F1 a bassa pressione per il raffreddamento di un nocciolo 4, alloggiato nell’involucro 2 e immerso nel fluido primario F1; e almeno un gruppo 5 di scambio termico per sottrarre calore al fluido primario F1 e trasferirlo all’esterno del reattore 1 tramite un fluido secondario F2 circolante in un circuito 6.
All’interno dell’involucro 2 sono poi alloggiati altri componenti funzionali (noti e non illustrati) del reattore 1, quali per esempio strutture di convogliamento del fluido primario F1, pompe di circolazione del fluido primario F1, strutture di supporto del nocciolo 4 e del gruppo 5 di scambio termico, scambiatori della potenza residua, macchine di movimentazione del combustibile, sistemi di controllo del nocciolo 4, eccetera.
Il fluido primario F1 è per esempio un metallo liquido (ad esempio piombo), mentre il fluido secondario F2 è per esempio acqua in pressione che, a seguito di scambio termico con il fluido primario, vaporizza.
Un gas di copertura riempie lo spazio compreso tra un pelo libero del fluido primario F1 e il tetto 3.
Il gruppo 5 comprende uno scambiatore di calore 10 immerso almeno parzialmente nel fluido primario F1 e avente una pluralità di tubi 12 pressurizzati (uno solo dei quali è illustrato, per semplicità, nella figura annessa) in cui circola il fluido secondario F2 ad alta pressione; qui e nel seguito, come del resto comunemente inteso dal tecnico esperto del settore, i termini “alta pressione” e “bassa pressione” riferiti al fluido primario F1 e rispettivamente al fluido secondario F2 indicano che la pressione del fluido primario F1 nell’involucro 2 del reattore 1 è inferiore, e in particolare significativamente inferiore, alla pressione del fluido secondario F2 nel circuito 6 e specificamente nei tubi 12 dello scambiatore di calore 10.
Lo scambiatore di calore 10 è per esempio uno scambiatore a fascio tubiero, comprendente un fascio di tubi 12 che possono essere variamente disposti e conformati.
Nell’esempio non limitativo illustrato, i tubi 12 sono sostanzialmente conformati a U, ma resta inteso che i tubi 12 possono avere forme diverse.
Ciascun tubo 12 comprende almeno una porzione 13 di scambio termico immersa nel fluido primario F1 che lambisce esternamente i tubi 12. I tubi 12 sono connessi a rispettivi condotti di ingresso 14 e condotti di uscita 15 disposti rispettivamente a monte e a valle dello scambiatore di calore 10 al di fuori del fluido primario F1.
Il gruppo 5 di scambio termico comprende inoltre un dispositivo 20 di sicurezza passiva per limitare la fuoriuscita di fluido secondario F2 in caso di rottura di un tubo 12.
Il dispositivo 20 include una pluralità di coppie di ugelli di Venturi 21, 22 collegate a rispettivi tubi 12 e definenti rispettivi elementi passivi di sicurezza; ciascun tubo 12 è collegato a una coppia di ugelli di Venturi 21, 22 collocati rispettivamente a monte e a valle dello scambiatore di calore 10, al di fuori del fluido primario F1.
In particolare, gli ugelli di Venturi 21, 22 sono collocati all’esterno dell’involucro 2, per esempio disposti all’interno dei condotti di ingresso 14 e dei condotti di uscita 15.
Ciascun ugello di Venturi 21, 22 ha preferibilmente sezione trasversale sostanzialmente circolare e comprende, nel senso di circolazione del fluido secondario F2 nel circuito 6 (ovvero in ciascun tubo 12), una porzione convergente 23, una gola o strozzatura 24, e una porzione divergente 25.
Nella porzione convergente 23, avente un opportuno angolo di convergenza αc, la sezione di passaggio fluidodinamico a disposizione del fluido secondario F2 si riduce dalla sezione piena del tubo 12 a un valore minimo in corrispondenza della gola 24; nella porzione divergente 25, avente un opportuno angolo di divergenza αd, la sezione di passaggio fluidodinamico aumenta poi lentamente dal valore minimo fino alla sezione piena del tubo 12.
Ciascun ugello di Venturi 21, 22 ha una sezione di ingresso e una sezione di uscita sostanzialmente uguali e pari alla sezione piena del tratto di tubo in cui è inserito.
Gli ugelli di Venturi 21, 22 sono dimensionati in modo tale da:
- limitare la portata critica di fluido secondario F2 in caso di rottura di un tubo 12;
- ottenere una prefissata perdita di carico in condizioni di normale funzionamento del gruppo 5 di scambio termico e del reattore 1.
Vantaggiosamente, l’angolo di convergenza αcdella porzione convergente 23 è maggiore dell’angolo di divergenza αddella porzione divergente 25, e la porzione divergente 25 è più lunga della porzione convergente 23.
A titolo esemplificativo, l’angolo di convergenza αcè compreso tra circa 20° e circa 50° e preferibilmente tra circa 30° e circa 40°; l’angolo di divergenza αdè compreso tra circa 5° e circa 20° e preferibilmente tra circa 7° e circa 12°.
Gli ugelli di Venturi 21, 22 collegati a ciascun tubo 12 e disposti rispettivamente a monte e a valle dello scambiatore di calore 10 non sono necessariamente uguali, ma possono essere (e anzi generalmente sono) diversi uno dall’altro; gli ugelli di Venturi 22 possono per esempio avere, rispetto agli ugelli di Venturi 21, diversa area della sezione di gola (sezione trasversale in corrispondenza della gola 24), diverso angolo di convergenza αc, diverso angolo di divergenza αd, diversa lunghezza della porzione convergente 23 e/o della porzione divergente 25, eccetera.
In particolare, gli ugelli di Venturi 21, 22 sono diversi in applicazioni dove il fluido secondario F2 circolante nei tubi 12 ha caratteristiche significativamente differenti quando attraversa gli ugelli di Venturi 21 e gli ugelli di Venturi 22, come accade appunto nell’esempio qui descritto con fluido secondario F2 costituito da acqua in pressione, che vaporizza nello scambiatore di calore 10; gli ugelli di Venturi 21 sono quindi attraversati da acqua, mentre gli ugelli di Venturi 22 sono attraversati da vapore. In generale, in queste situazioni gli ugelli di Venturi 22 avranno un’area della sezione di gola maggiore degli ugelli di Venturi 21.
In normali condizioni di funzionamento del reattore 1 e quindi del gruppo 5 di scambio termico, il fluido secondario F2 (acqua in pressione) circolante in ciascun tubo 12 entra nell’ugello di Venturi 21 disposto a monte dello scambiatore di calore 10 e accelera lungo la porzione convergente 23 (per effetto della riduzione della sezione di passaggio fluidodinamico). Il fluido secondario F2 raggiunge una velocità massima nella gola 24 e poi decelera nella porzione divergente 25 (per effetto dell’aumento della sezione di passaggio fluidodinamico) fino a tornare alla velocità nominale di circolazione nel tubo 12.
Il fluido secondario F2 attraversa quindi la porzione 13 di scambio termico del tubo 12 nello scambiatore di calore 10 e sottrae calore, vaporizzando, al fluido primario F1 che circola esternamente al tubo 12; il fluido secondario F2 esce quindi dallo scambiatore di calore 10 e percorre il condotto di uscita 15 attraversando l’ugello di Venturi 22.
La rottura, per esempio una rottura a ghigliottina, di un tubo 12 (rappresentata schematicamente nel dettaglio ingrandito della figura) potrebbe causare una consistente fuoriuscita di fluido secondario F2 ad alta pressione che si immetterebbe nel fluido primario F1 a bassa pressione, con conseguente pressurizzazione dell’involucro 2 e grossa ondata di spostamento del fluido primario F1.
Considerato che lo scambiatore di calore 10 funziona ad alta pressione mentre il fluido primario F1 nell’involucro 2 è a bassa pressione, la fuoriuscita sarebbe anche caratterizzata da condizioni di flusso critiche; in queste condizioni, si raggiunge la velocità sonica in corrispondenza della gola 24 e la portata critica dipende solamente da entalpia e pressione del fluido secondario F2 a monte della gola 24 e dall’area della sezione della gola 24.
La presenza degli ugelli di Venturi 21, 22 in ciascun tubo 12 ha l’effetto di ridurre la portata critica di fluido secondario F2 scaricata (acqua/vapore o solo vapore, a seconda della posizione in cui avviene la rottura), limitando così sia la pressurizzazione dell’involucro 2 sia l’eccessivo moto di spostamento del fluido primario F1. Si evitano così danni e/o condizioni di funzionamento non desiderate all’interno del reattore 1.
Pertanto, il dimensionamento degli ugelli di Venturi 21, 22 permette di limitare la portata di fluido secondario F2 scaricata in caso di rottura di un tubo 12 a un valore tale da potere essere tollerato senza conseguenze negative.
Un opportuno dimensionamento degli ugelli di Venturi 21, 22 consente anche di limitare le perdite di carico del fluido secondario F2 attraverso gli ugelli di Venturi 21, 22 in normali condizioni di esercizio.
L’effetto di limitare la fuoriuscita di fluido secondario F2 in caso di rottura di un tubo 12 si ottiene solamente grazie a principi fisici e all’impiego di ugelli di Venturi 21, 22 opportunamente collocati e dimensionati, senza quindi necessità di sistemi di azionamento che possano dare luogo a malfunzionamenti e/o interventi non tempestivi.
L’adozione degli ugelli di Venturi 21, 22 non richiede inoltre alcun incremento nelle dimensioni dello scambiatore di calore 10, né pone particolari problemi costruttivi né significativi incrementi di costi.
Secondo una variante non illustrata, gli ugelli di Venturi 22 collocati a valle dello scambiatore di calore 10 sono sostituiti da altrettanti elementi passivi di sicurezza di tipo differente, sempre collegati a rispettivi tubi 12 e sempre in grado, tramite opportuno disegno e dimensionamento, di svolgere una funzione equivalente a quella sopra descritta dei tubi di Venturi 22.
In questa variante, quindi, il dispositivo 20 include una pluralità di primi elementi 21 passivi di sicurezza, costituiti da ugelli di Venturi, collegati a rispettivi tubi 12 e collocati a monte dello scambiatore di calore 10 al di fuori del fluido primario F1, per esempio nei condotti di ingresso 14; e una pluralità di secondi elementi 22 passivi di sicurezza collegati a rispettivi tubi 12 e collocati a valle dello scambiatore di calore 10 al di fuori del fluido primario F1, per esempio nei condotti di uscita 15.
Resta infine inteso che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito dell’invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo (5) di scambio termico, in particolare per sottrarre calore a un fluido primario di raffreddamento di un reattore nucleare, comprendente uno scambiatore di calore (10) immerso almeno parzialmente in un fluido primario (F1) a bassa pressione e avente una pluralità di tubi (12) pressurizzati in cui circola un fluido secondario (F2) ad alta pressione per sottrarre calore al fluido primario; e un dispositivo (20) di sicurezza passiva per limitare la fuoriuscita di fluido secondario (F2) in caso di rottura di un tubo (12); il gruppo essendo caratterizzato dal fatto che il dispositivo (20) include una pluralità di coppie di elementi (21, 22) passivi di sicurezza collegate a rispettivi tubi (12), ciascun tubo (12) essendo collegato a un primo elemento (21) passivo di sicurezza e a un secondo elemento (22) passivo di sicurezza collocati rispettivamente a monte e a valle dello scambiatore di calore (10) al di fuori del fluido primario (F1); i primi elementi (21) passivi di sicurezza essendo costituiti da rispettivi primi ugelli di Venturi.
  2. 2. Gruppo di scambio termico secondo la rivendicazione 1, in cui i secondi elementi (22) passivi di sicurezza sono costituiti da rispettivi secondi ugelli di Venturi.
  3. 3. Gruppo di scambio termico secondo la rivendicazione 2, in cui i secondi ugelli di Venturi (22) sono dimensionati diversamente dai primi ugelli di Venturi (21).
  4. 4. Gruppo di scambio termico secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun tubo (12) è connesso a un condotto di ingresso (14) e a un condotto di uscita (15) disposti rispettivamente a monte e a valle dello scambiatore di calore (10) al di fuori del fluido primario (F1), e alloggianti internamente rispettivi elementi (21, 22) passivi di sicurezza.
  5. 5. Gruppo di scambio termico secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il fluido primario (F1) è contenuto in un involucro (2) e gli ugelli di Venturi (21, 22) sono collocati al di fuori dell’involucro (2).
  6. 6. Gruppo di scambio termico secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun ugello di Venturi (21, 22) comprende, nel senso di circolazione del fluido secondario (F2), una porzione convergente (23), una gola o strozzatura (24), e una porzione divergente (25).
  7. 7. Gruppo di scambio termico secondo la rivendicazione 6, in cui la porzione divergente (25) è più lunga della porzione convergente (23).
  8. 8. Gruppo di scambio termico secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun tubo (12) è conformato sostanzialmente a U.
  9. 9. Gruppo di scambio termico secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il fluido secondario (F2) è acqua in pressione che, a seguito di scambio termico con il fluido primario (F1), vaporizza.
  10. 10. Reattore (1) nucleare, in particolare reattore nucleare a piscina raffreddato con fluido primario a bassa pressione, comprendente un involucro (2) principale contenente un fluido primario (F1) a bassa pressione, un nocciolo (4) alloggiato nell’involucro (2) e almeno un gruppo (5) di scambio termico per sottrarre calore al fluido primario tramite un fluido secondario (F2) circolante in uno scambiatore di calore (10) immerso nel fluido primario; il reattore essendo caratterizzato dal fatto che il gruppo (5) di scambio termico è un gruppo di scambio termico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
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