ITMI20131778A1 - Sistema e metodo di scambio termico con regolazione passiva della quantita' di calore asportata - Google Patents

Sistema e metodo di scambio termico con regolazione passiva della quantita' di calore asportata

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ITMI20131778A1
ITMI20131778A1 IT001778A ITMI20131778A ITMI20131778A1 IT MI20131778 A1 ITMI20131778 A1 IT MI20131778A1 IT 001778 A IT001778 A IT 001778A IT MI20131778 A ITMI20131778 A IT MI20131778A IT MI20131778 A1 ITMI20131778 A1 IT MI20131778A1
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IT
Italy
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heat exchanger
auxiliary heat
fluid
tank
secondary fluid
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IT001778A
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Alessandro Alemberti
Marco Gregorini
Donato Lioce
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Ansaldo Nucleare Spa
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Description

DESCRIZIONE
“SISTEMA E METODO DI SCAMBIO TERMICO CON REGOLAZIONE PASSIVA DELLA QUANTITA' DI CALORE ASPORTATA”
La presente invenzione è relativa ad un sistema e un metodo di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata.
L’invenzione è particolarmente indicata per la rimozione di calore dal fluido primario di un reattore nucleare e specificatamente per la rimozione del calore di decadimento del reattore nucleare, applicazione a cui si farà principalmente riferimento, in via meramente esemplificativa, nel seguito; ma l’invenzione trova applicazione in altri settori, laddove sia necessario o opportuno regolare la quantità di calore smaltita da un generico sistema di scambio termico.
Come noto, diversi sistemi di scambio termico che rimuovono calore da sorgenti calde richiedono accorgimenti di sicurezza, aventi in generale la funzione di rimuovere calore dal sistema per evitare un eccessivo surriscaldamento della sorgente calda ovvero del fluido primario che rimuove calore da essa.
Le esigenze di sicurezza sono particolarmente importanti nel settore dei reattori nucleari.
I reattori nucleari sono pertanto dotati di sistemi di rimozione del calore di decadimento che permettono la rimozione del calore residuo dopo lo spegnimento del reattore.
Sono noti sia sistemi attivi, per il cui funzionamento è necessaria una fonte di energia o un intervento manuale di un operatore, sia sistemi passivi, che operano sfruttando solamente principi fisici (ad esempio, gravità) e non necessitano di fonti di energia per il loro funzionamento.
Rispetto ai sistemi attivi, i sistemi passivi costituiscono un sicuro miglioramento del livello di sicurezza; tuttavia, una volta innescato, un sistema passivo procede nella rimozione del calore in modo controllato dalle sole leggi fisiche e dal dimensionamento del sistema stesso. Poiché la potenza di decadimento si riduce nel tempo ed il sistema di rimozione del calore di decadimento è correttamente dimensionato sulla quantità di calore da rimuovere negli istanti iniziali dopo lo spegnimento del reattore, si produce un progressivo raffreddamento del fluido refrigerante primario limitato solamente dalle temperature di pozzo freddo utilizzate dal sistema stesso.
Questa situazione porta, nel caso di reattori raffreddati con fluido refrigerante primario alto-fondente (ad esempio metalli liquidi, sali fusi, eccetera) alla possibilità di congelamento del fluido primario all’interno dello scambiatore dedicato alla rimozione del calore di decadimento, con una conseguente perdita di funzionalità del sistema stesso.
Per esempio, un sistema di sicurezza passivo per la rimozione del calore di decadimento da un reattore nucleare è descritto in EP1078376-A1 e mostrato, in forma schematica e semplificata, in figura 1.
Con riferimento alla figura 1, un sistema 1 noto per la rimozione di calore da una sorgente calda (non illustrata) comprende: uno scambiatore di calore principale 11 a fascio tubiero, dove lato mantello scorre un fluido primario 2 che asporta calore dalla sorgente calda (nella fattispecie, dal nocciolo del reattore) e lato tubi scorre un fluido secondario 4 che per effetto dello scambio di calore cambia fase vaporizzando; e uno scambiatore di calore ausiliario 12, collocato ad una quota superiore rispetto allo scambiatore di calore principale 11 e che richiama il vapore prodotto nei tubi dello scambiatore di calore principale 11 e lo condensa per rimandarlo nello scambiatore di calore principale 11, generando in tal modo la forza motrice necessaria affinché il processo si autosostenga. La condensazione all’interno dei tubi dello scambiatore di calore ausiliario 12 è garantita da un fluido terziario 13 freddo (aria o acqua).
Nel caso in cui la vaporizzazione del fluido primario non pregiudichi la sicurezza del reattore, il fluido secondario di cui sopra può coincidere con il fluido primario senza la necessità dello scambiatore di calore principale, in quanto è la potenza termica ceduta dal nocciolo stesso a vaporizzare il fluido primario (in altri termini, è lo stesso fluido primario prelevato dal reattore che viene inviato allo scambiatore ausiliario, dove viene raffreddato dal fluido terziario).
Lo scambiatore di calore ausiliario 12 è posizionato verticalmente e comprende: un collettore 17 superiore, avente un ingresso 16 su cui si immette una linea 14 di mandata vapore proveniente dallo scambiatore di calore primario 11; un fascio di tubi 22, in cui lato tubi condensa il fluido secondario 4 e lato mantello scorre il fluido terziario 13; e un collettore 20 inferiore, in cui si raccoglie il fluido secondario 4 condensato e da cui il fluido secondario 4 ritorna nello scambiatore di calore principale 11, tramite una linea 18 di ritorno condensato. Come evidenziato in precedenza, questo tipo di sistemi non consente di regolare la quantità di calore asportata.
La portata di fluido secondario (e quindi la potenza termica asportata dal fluido primario tramite il fluido secondario) è infatti funzione della capacità condensante dello scambiatore ausiliario e non della potenza da asportare dal fluido primario: in linea di principio si può assumere, semplificando, che una volta definita la superficie di condensazione è fissata la potenza asportata dal fluido primario.
Di conseguenza, in caso la potenza termica asportata dal sistema condensante (scambiatore ausiliario) sia superiore alla potenza termica da asportare dal fluido primario (per esempio, la potenza generata nel nocciolo del reattore), viene a determinarsi un progressivo abbassamento della temperatura media del fluido primario. Questo può costituire un problema nei casi in cui sia necessario controllare il rateo di discesa della temperatura del fluido primario e nei casi in cui il fluido primario può raggiungere il punto di solidificazione precludendo la funzionalità e/o diminuendo la sicurezza del reattore.
È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un sistema e un metodo di scambio termico che siano privi degli inconvenienti evidenziati della tecnica nota. In particolare, è uno scopo dell’invenzione quello di fornire un sistema e un metodo di scambio termico che, in modo particolarmente semplice e pienamente efficace ed affidabile, permettano una regolazione passiva della quantità di calore asportata.
È un ulteriore scopo dell’invenzione quello di fornire un sistema e un metodo di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata che si prestino specificatamente all’impiego in un reattore nucleare, in particolare per la rimozione del calore di decadimento del reattore nucleare.
La presente invenzione è dunque relativa ad un sistema e un metodo di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata come definiti in termini essenziali nelle annesse rivendicazioni 1 e, rispettivamente, 12, nonché, per i caratteri addizionali preferiti, nelle rivendicazioni dipendenti.
Il sistema e il metodo dell’invenzione consentono di limitare, in maniera semplice e al contempo efficace e affidabile, l’asportazione di calore da parte del sistema di scambio termico (precisamente, del circuito evaporante/condensante) dal fluido primario (costituito, per esempio, da fluido refrigerante primario di un reattore nucleare). In sostanza, il sistema e il metodo dell’invenzione permettono la regolazione passiva della quantità di calore asportata da una sorgente calda.
In questo modo, è possibile prevenire il raffreddamento non controllato del fluido primario e la sua conseguente solidificazione, in caso l’invenzione sia applicata a sistemi di scambio termico operanti con fluidi primari ad alto punto di solidificazione, quali ad esempio: piombo, piombo-bismuto, sodio, sali fusi.
In caso l’invenzione sia invece applicata a sistemi di scambio termico in cui la solidificazione del fluido primario non costituisca un problema o sia fisicamente impossibile (ad esempio: reattori nucleari raffreddati ad acqua), l’invenzione permette comunque di controllare la velocità di variazione della temperatura del fluido primario.
In accordo all’invenzione, si usa un gas incondensabile, contenuto in un serbatoio in grado di iniettare passivamente il detto gas incondensabile al collettore inferiore o superiore dello scambiatore di calore ausiliario (punto freddo) col fine di regolare il potere condensante dello scambiatore di calore ausiliario e, quindi, di limitare la potenza termica asportata dal fluido primario tramite il fluido secondario.
Infatti, nel caso in cui lo scambiatore di calore ausiliario asporti una potenza maggiore di quella generata dalla sorgente calda, la pressione all’interno dello scambiatore di calore ausiliario tende a diminuire richiamando gas incondensabile all’interno dello scambiatore di calore ausiliario e quindi all’interno dei tubi dello scambiatore di calore ausiliario, diminuendone in tal modo la potenza condensante; infatti, la condensazione risulta tanto meno efficiente tanto è maggiore la quantità di gas incondensabile contenuta nei tubi in cui avviene lo scambio termico.
Viceversa, in caso di maggior necessità di potenza condensante dello scambiatore di calore ausiliario con presenza di gas incondensabili all’interno dei tubi, la pressione nello scambiatore ausiliario tende ad aumentare e quindi il gas incondensabile confluisce all’interno del serbatoio di gas incondensabile attraverso la linea che collega detto serbatoio al collettore inferiore (o al collettore superiore) dello scambiatore di calore ausiliario.
Il sistema, grazie all’utilizzo di gas incondensabili come regolazione della capacità condensante dello scambiatore di calore ausiliario, è in grado di raggiungere una condizione di equilibrio tra potenza generata dalla sorgente calda (ad esempio, il nocciolo del reattore) e la potenza termica asportata dallo scambiatore di calore ausiliario, evitando un eccessivo abbassamento della temperatura del fluido primario. Inoltre, le variazioni di temperatura del fluido primario (prima del raggiungimento della condizione di equilibrio) risultano meno rapide in quanto attenuate dalla presenza di gas incondensabile.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:
– la figura 1 è una vista schematica di un sistema di scambio termico, in particolare per la rimozione del calore di decadimento di un reattore nucleare, secondo una soluzione nota;
– la figura 2 è una vista schematica di un sistema di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata in accordo all’invenzione;
– le figure 3, 4 e 5 sono rispettive viste schematiche del sistema di scambio termico dell’invenzione applicato a rispettive configurazioni di reattori nucleari di tipologia nota.
Nella figura 2 è indicato nel suo assieme con 1 un sistema di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata; il sistema 1 è utilizzato per rimuovere calore da un fluido primario 2 caldo, il quale a sua volta asporta calore da una sorgente calda (non illustrata).
Per esempio, ma non necessariamente, il fluido primario 2 è costituito dal fluido refrigerante primario di un reattore nucleare e la sorgente calda è costituita dal nocciolo del reattore nucleare.
Il sistema 1 comprende: un circuito 3 evaporantecondensante, in cui circola un fluido secondario 4 condensabile con il quale si sottrae calore dalla sorgente calda tramite il fluido primario 2; e un dispositivo 5 di regolazione passivo per regolare la quantità di calore asportata dal fluido primario tramite il circuito 3 evaporante-condensante.
Nell’esempio non limitativo illustrato in figura 2, il circuito 3 evaporante-condensante comprende: uno scambiatore di calore principale 11 che rimuove calore dalla sorgente calda tramite il fluido primario 2 e lo trasferisce al fluido secondario 4 circolante nello scambiatore di calore principale 11; uno scambiatore di calore ausiliario 12, collocato a una quota superiore (cioè più in alto) rispetto allo scambiatore di calore principale 11 e in cui circola il fluido secondario 4 per essere raffreddato da un fluido terziario 13 che rimuove calore dal fluido secondario 4; una linea 14 di mandata vapore, che collega un’uscita 15 dello scambiatore di calore principale 11 con un ingresso 16 dello scambiatore di calore ausiliario 12 e precisamente con un collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 per portare fluido secondario 4 in fase vapore dallo scambiatore di calore principale 11 allo scambiatore di calore ausiliario 12; una linea 18 di ritorno condensato, che collega un’uscita 19 dello scambiatore di calore ausiliario 12 e precisamente di un collettore 20 inferiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 con un ingresso 21 dello scambiatore di calore principale 11 per portare fluido secondario 4 condensato dallo scambiatore di calore ausiliario 12 allo scambiatore di calore principale 11.
Lo scambiatore di calore principale 11 è per esempio uno scambiatore a fascio tubiero in cui il fluido primario 2 circola lato mantello e il fluido secondario 4 circola lato tubi.
Lo scambiatore di calore ausiliario 12 può avere diverse configurazioni; per esempio, lo scambiatore di calore ausiliario 12 comprende una pluralità di tubi 22 (per esempio un fascio tubiero) che collegano il collettore 17 superiore al collettore 20 inferiore; all’interno dei tubi 22 circola il fluido secondario 4 (per esempio, acqua, olio, in generale qualsiasi fluido vaporizzante-condensante nelle condizioni di progetto), mentre il fluido terziario 13 (ad esempio, aria, acqua o altro) lambisce esternamente i tubi 22 per rimuovere calore dal fluido secondario 4.
Il dispositivo 5 di regolazione comprende un serbatoio 25 di gas incondensabile, contenente una quantità prestabilita di gas incondensabile (un gas incondensabile o una miscela di gas incondensabili), e una linea 26 di iniezione gas che collega il serbatoio 25 con il collettore 20 inferiore o con il collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 ed è conformata in modo da iniettare passivamente il gas incondensabile contenuto nel serbatoio 25 nel collettore 20 inferiore o nel collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 (costituente il punto freddo del sistema 1), al fine di regolare il potere condensante dello scambiatore di calore ausiliario 12 e, quindi, di limitare la potenza termica asportata dal fluido primario 2 tramite il fluido secondario 4.
Nell’esempio di figura 2, la linea 26 di iniezione gas è priva di valvole di isolamento; opzionalmente, invece, la linea 26 di iniezione gas è provvista di una valvola di isolamento, atta a iniziare l’iniezione passiva del gas incondensabile nello scambiatore di calore ausiliario 12. Resta inteso che possono essere usate più valvole di isolamento, diversamente collocate (come sarà descritto e illustrato nei successivi esempi di attuazione).
Se, in uso, lo scambiatore di calore ausiliario 12 asporta una potenza maggiore di quella generata dalla sorgente calda, la pressione all’interno dello scambiatore di calore ausiliario 12 tende a diminuire richiamando gas incondensabile dal serbatoio 25 all’interno del collettore 20 inferiore o del collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 e quindi all’interno dei tubi 22 dello scambiatore di calore ausiliario 12, diminuendone in tal modo la potenza condensante; infatti, la condensazione risulta tanto meno efficiente tanto è maggiore la quantità di gas incondensabile contenuta nei tubi 22 in cui avviene lo scambio termico.
Viceversa, in caso di maggior necessità di potenza condensante dello scambiatore di calore ausiliario 12 con presenza di gas incondensabile all’interno dei tubi 22, la pressione nello scambiatore di calore ausiliario 12 tende ad aumentare e quindi il gas incondensabile confluisce all’interno del serbatoio 25 attraverso la linea 26 di iniezione gas collegata al collettore 20 inferiore o al collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12.
Il sistema 1, grazie all’utilizzo del gas incondensabile come mezzo di regolazione della capacità condensante dello scambiatore di calore ausiliario 12, è in grado di raggiungere una condizione di equilibrio tra la potenza generata dalla sorgente calda (ad esempio, il nocciolo del reattore nucleare) e la potenza termica asportata dallo scambiatore di calore ausiliario 12, evitando un eccessivo abbassamento della temperatura del fluido primario 2 che rimuove calore dalla sorgente calda. Inoltre, le variazioni di temperatura del fluido primario 2 (prima del raggiungimento della condizione di equilibrio) risultano meno rapide in quanto attenuate dalla presenza di gas incondensabile.
Il collegamento del serbatoio 25 contenente il gas incondensabile al circuito 3 evaporante-condensante avviene mediante la linea 26 di iniezione gas, la quale ha diametro e configurazione tali da impedire l’ingresso e/o la permanenza di fluido secondario 4, sia in forma di vapore sia condensato, nel serbatoio 25 e garantire invece il passaggio del gas incondensabile dal serbatoio 25 verso il circuito 3. A tale scopo, la linea 26 e il serbatoio 25 sono opportunamente mantenuti a bassa temperatura e collocati in posizione più elevata (cioè al di sopra) del punto di connessione con il collettore inferiore 20 o il collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12. Inoltre, la linea 26 non presenta alcun tratto a pendenza negativa nella direzione dallo scambiatore di calore ausiliario 12 al serbatoio 25; la quota di ogni punto della linea 26 diminuisce lungo la linea 26 nella direzione dal serbatoio 25 allo scambiatore di calore ausiliario 12. In altre parole, la quota di ogni punto della linea 26 è sempre crescente nella direzione dallo scambiatore di calore ausiliario 12 al serbatoio 25.
Il serbatoio 25 del gas incondensabile opera ad una pressione di progetto nel periodo antecedente la messa in funzione del sistema 1 e mantiene la pressione praticamente costante anche in condizioni di funzionamento del sistema 1. In tale configurazione, la temperatura minima del fluido primario 2 nel caso lo scambiatore di calore ausiliario 12 sia chiamato a operare è conseguenza dalla volumetria del serbatoio e dalla pressione del gas incondensabile in essa contenuto.
In figura 3 è mostrata l’applicazione del sistema 1 in accordo all’invenzione a un reattore 30A nucleare, in particolare un reattore a piscina raffreddato a metallo liquido e precisamente a un reattore nucleare veloce raffreddato a piombo-bismuto del tipo denominato “MYRRHA” progettato da SCK-CEN, del quale sono rappresentati solo i componenti connessi all’uso del sistema 1.
Il fluido primario 2 del sistema 1 è costituito in questa applicazione dal fluido refrigerante primario del reattore 30A (eutettico piombo-bismuto) che rimuove calore dal nocciolo (non illustrato) del reattore 30A.
Il sistema 1 comprende, come descritto in precedenza, un circuito 3 evaporante-condensante e un dispositivo 5 di regolazione della quantità di calore asportata dal fluido primario tramite il circuito 3 evaporante-condensante.
Il circuito 3 comprende, come sopra descritto, uno scambiatore di calore principale 11, uno scambiatore di calore ausiliario 12, una linea 14 di mandata vapore e una linea 18 di ritorno condensato.
Lo scambiatore di calore principale 11 è alloggiato nel reattore 30A e immerso nel fluido primario 2, lo scambiatore di calore ausiliario 12 è collocato fuori dal reattore 30A e ad una quota maggiore dello scambiatore di calore principale 11.
Il sistema 1 e in particolare anche lo scambiatore di calore ausiliario 12 servono alla rimozione della potenza termica generata dal nocciolo del reattore 30A anche durante il normale funzionamento del reattore 30A.
Il fluido secondario 4 è per esempio acqua (configurazione del reattore “MYRRHA”), ma resta inteso che in altre applicazioni (altre configurazioni di reattore) si può utilizzare acqua, olio o in generale qualsiasi fluido vaporizzante/condensante alla pressione di progetto.
Lo scambiatore di calore ausiliario 12 è raffreddato ad aria, opzionalmente con ausilio di una soffiante 31.
In questa forma di attuazione, il circuito 3 comprende inoltre un serbatoio di raccolta 32, il quale è inserito lungo la linea 14 di mandata vapore e lungo la linea 18 di ritorno condensato tra lo scambiatore di calore principale 11 e lo scambiatore di calore ausiliario 12.
In particolare, la linea 14 di mandata vapore ha un primo tratto 33, che collega l’uscita 15 dello scambiatore di calore principale 11 con un ingresso vapore 34 del serbatoio di raccolta 32, e un secondo tratto 35, che collega una uscita vapore 36 del serbatoio di raccolta 32 con l’ingresso 16 del collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12. La linea 18 di ritorno condensato ha un primo tratto 37, che collega l’uscita 19 del collettore 20 inferiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 con un ingresso condensato 38 del serbatoio di raccolta 32, e un secondo tratto 39 che collega una uscita condensato 40 del serbatoio di raccolta 32 con l’ingresso 21 dello scambiatore di calore principale 11.
Il fluido secondario 4 in fase vapore (vaporizzato nello scambiatore di calore principale 11) passa dallo scambiatore di calore principale 11 allo scambiatore di calore ausiliario 12 transitando per il serbatoio di raccolta 32.
Il fluido secondario 4 condensato, dopo essere stato condensato nello scambiatore di calore ausiliario 12, torna nello scambiatore di calore principale 11 transitando a sua volta per il serbatoio di raccolta 32.
Nel serbatoio di raccolta 32 si raccoglie quindi sia fluido secondario 4 in fase vapore, sia fluido secondario 4 condensato.
Durante il normale funzionamento del reattore 30A, il serbatoio 25 contenente gas incondensabile (mantenuto ad una opportuna pressione tramite idonei mezzi di regolazione della pressione) è isolato dal circuito 3 tramite una valvola 42 di isolamento gas, collocata lungo la linea 26 di iniezione gas.
In caso sia necessario, la valvola 42 viene aperta mettendo in comunicazione il serbatoio 25 con il resto del sistema 1 e precisamente con il circuito 3. Da questo momento in avanti, il sistema 1 regola passivamente la potenza asportata per condensazione dallo scambiatore di calore ausiliario 12 allineandola alla potenza termica di decadimento secondo il principio di funzionamento descritto in precedenza.
La figura 4 mostra schematicamente l’applicazione del sistema 1 dell’invenzione a un reattore 30B nucleare secondo il progetto “ALFRED” (reattore nucleare veloce raffreddato a piombo).
Lo scambiatore di calore principale 11 è alloggiato nel reattore 30B e sottrae calore al fluido primario 2 in cui è immerso (e che è costituito dal fluido refrigerante primario del reattore 30B) tramite il fluido secondario 4 (per esempio, acqua) circolante nel sistema 1; lo scambiatore di calore ausiliario 12 è collocato fuori dal reattore 30B e ad una quota maggiore dello scambiatore di calore principale 11.
Lo scambiatore di calore ausiliario 12 è collocato in una vasca 41 contenente un refrigerante liquido (per esempio, acqua) che costituisce il fluido terziario 13; lo scambiatore di calore ausiliario 12 è immerso nel fluido terziario 13.
Il circuito 3 è provvisto di una coppia di valvole 43, 44 di isolamento dello scambiatore di calore ausiliario 12, collocate rispettivamente sulla linea 14 di mandata vapore, a monte dell’ingresso 16 del collettore 17, e sulla linea 18 di ritorno condensato, a valle dell’uscita 19 del collettore 20 inferiore.
In questo caso, la linea 14 di mandata vapore (che invia vapore allo scambiatore di calore ausiliario 12, in particolare all’ingresso 16 del collettore 17 superiore dello scambiatore di calore ausiliario 12), si diparte da una linea principale di mandata vapore 45, già predisposta per la configurazione del reattore 30B e che parte dall’uscita 15 dello scambiatore di calore principale 11 ed è dotata di una o più valvole di sicurezza 46 e di una valvola 47 di isolamento vapore.
Lo scambiatore di calore ausiliario 12 è isolato durante il funzionamento tramite le valvole 43, 44 di isolamento.
La linea 18 di ritorno condensato, che come già descritto collega l’uscita 19 del collettore 20 inferiore dello scambiatore di calore ausiliario 12 con l’ingresso 21 dello scambiatore di calore principale 11, si innesta, a valle della valvola 44 di isolamento, su una linea 48 di alimentazione acqua di alimento, che alimenta fluido secondario 4 (acqua) allo scambiatore di calore principale 11 ed è dotata di una valvola 49 di isolamento acqua di alimento.
Durante il normale funzionamento del reattore 30B, lo scambiatore di calore ausiliario 12, collegato al serbatoio 25 di gas incondensabile, è isolato dal resto del sistema 1 e precisamente dal circuito 3 poiché lo scambiatore di calore ausiliario 12 è usato per la rimozione della potenza termica di decadimento solo in condizioni incidentali e/o di emergenza, e non per rimuovere la potenza termica anche durante il normale funzionamento del reattore 30B.
In questa configurazione, durante la normale operazione del reattore 30B lo scambiatore di calore ausiliario 12 e il serbatoio 25 di gas incondensabile sono riempiti di gas incondensabile mantenuto ad opportuna pressione tramite idonei mezzi di regolazione della pressione che mantengono sostanzialmente costante la pressione del gas incondensabile nel periodo in cui il sistema non è chiamato ad operare.
In caso sia necessario, in risposta a un segnale prestabilito, la valvola 49 di isolamento acqua di alimento e la valvola 47 di isolamento vapore (aperte durante il normale funzionamento del reattore 30B) si chiudono e le valvole 43, 44 di isolamento dello scambiatore di calore ausiliario 12 si aprono (opportunamente, la completa apertura della valvola 44 è successiva nel tempo alla completa apertura della valvola 43, in modo da evitare di scaricare gas incondensabile nello scambiatore di calore principale 11). Da questo punto in poi il sistema 1 regola passivamente la potenza asportata per condensazione allo scambiatore di calore ausiliario 12 allineandola alla potenza termica di decadimento secondo il principio di funzionamento descritto precedentemente.
Nell’applicazione di figura 5, il sistema 1 dell’invenzione è impiegato su un reattore 30C nucleare ad acqua bollente.
In questa configurazione, lo scambiatore di calore principale 11 è costituito in sostanza dall’intero reattore 30C e il fluido primario 2 (acqua, costituente il fluido refrigerante primario del reattore 30C) che rimuove calore dal nocciolo è anche il fluido secondario 4 che circola nel circuito 3.
Il fluido primario 2 (coincidente con il fluido secondario 4) preleva calore dal nocciolo vaporizzando e transita nella linea 14 di mandata vapore fino allo scambiatore di calore ausiliario 12, per esempio collocato in una vasca 41 e immerso in acqua come descritto in precedenza.
Ceduto calore al fluido terziario 13, il fluido primario 2 condensa e ritorna attraverso la linea 18 di ritorno condensato allo scambiatore di calore principale 11, cioè al reattore 30C.
Durante il normale funzionamento del reattore 30C, lo scambiatore di calore ausiliario 12 è collegato con la linea 14 di mandata vapore, mentre è isolato rispetto alla linea 18 di ritorno condensato tramite una valvola 44 di isolamento; il serbatoio 25 di gas incondensabile è a sua volta isolato dal circuito 3 tramite la valvola 42 di isolamento gas.
In questa configurazione, lo scambiatore di calore ausiliario 12 è pieno di acqua fredda. In caso sia necessario, le valvole 42, 44 si aprono completamente e da questo punto in poi il sistema 1 regola passivamente la potenza asportata per condensazione allo scambiatore di calore ausiliario 12 allineandola alla potenza termica di decadimento secondo il principio di funzionamento descritto precedentemente.
Il sistema 1 dell’invenzione può essere impiegato ugualmente anche con altre configurazioni di reattori nucleari, per esempio con reattori ad acqua pressurizzata. In questo caso, lo scambiatore di calore ausiliario 12 può essere collegato direttamente al sistema primario o al sistema secondario del reattore, utilizzando come fascio tubiero per lo scambio con il fluido primario il fascio tubiero del generatore di vapore.
Il sistema in questo caso ha la stessa finalità descritta per il reattore ad acqua bollente, vale a dire limitare, senza l’ausilio di organi di regolazione, la velocità di variazione della temperatura.
Resta infine inteso che al sistema e al metodo qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti che non escono dall’ambito dell’invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (19)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata, in particolare per un reattore nucleare, comprendente un circuito (3) evaporante-condensante, in cui circola un fluido secondario (4) condensabile con il quale si sottrae calore da un fluido primario (2) tramite evaporazione e successiva condensazione del fluido secondario (4) rispettivamente in uno scambiatore di calore principale (11) e uno scambiatore di calore ausiliario (12); il sistema (1) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo (5) di regolazione passivo, configurato in modo da regolare passivamente la potenza termica asportata per condensazione dallo scambiatore di calore ausiliario (12) allineandola alla potenza termica asportata dal fluido primario (2) tramite iniezione/rimozione di gas incondensabile nel circuito (3) evaporante-condensante.
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo (5) di regolazione comprende un serbatoio (25) di gas incondensabile, contenente una quantità prestabilita di gas incondensabile, e una linea (26) di iniezione gas che collega il serbatoio (25) con il circuito (3) evaporante-condensante ed è conformata in modo da iniettare passivamente il gas incondensabile contenuto nel serbatoio (25) nel circuito (3) evaporante-condensante, così da regolare il potere condensante del circuito (3) evaporantecondensante e, quindi, da limitare la potenza termica asportata dal fluido primario (2) tramite il fluido secondario (4).
  3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui la linea (26) di iniezione gas collega il serbatoio (25) allo scambiatore di calore ausiliario (12).
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 2 o 3, comprendente una o più valvole (42; 43; 44) di isolamento, collocate sulla linea (26) di iniezione gas e/o su una linea di mandata vapore (14) e/o su una linea di uscita condensato (18) dello scambiatore di calore ausiliario (12).
  5. 5. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui la linea (26) di iniezione gas collega il serbatoio (25) a un collettore (17, 20) dello scambiatore di calore ausiliario (12), in particolare un collettore (20) inferiore o un collettore (17) superiore dello scambiatore di calore ausiliario (12).
  6. 6. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5, in cui la linea (26) di iniezione gas, che collega il serbatoio (25) contenente il gas incondensabile al circuito (3) evaporante-condensante, ha dimensioni e configurazione tali da impedire l’ingresso di fluido secondario (4), sia in forma di vapore sia condensato, nel serbatoio (25) e garantire invece il passaggio del gas incondensabile dal serbatoio (25) verso il circuito (3) evaporante-condensante e viceversa.
  7. 7. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui il serbatoio (25) è provvisto di mezzi di regolazione della pressione per mantenere sostanzialmente costante la pressione del gas incondensabile nel periodo in cui il sistema non è chiamato ad operare.
  8. 8. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo scambiatore di calore principale (11) rimuove calore da una sorgente calda tramite il fluido primario (2) e lo trasferisce al fluido secondario (4) circolante nello scambiatore di calore principale (11); e lo scambiatore di calore ausiliario (12) trasferisce calore dal fluido secondario (4), circolante nello scambiatore di calore ausiliario (12), a un fluido terziario (13).
  9. 9. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo scambiatore di calore ausiliario (12) è collocato a una quota superiore rispetto allo scambiatore di calore principale (11).
  10. 10. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito (3) evaporante-condensante comprende una linea (14) di mandata vapore, che collega un’uscita (15) dello scambiatore di calore principale (11) con un ingresso (16) dello scambiatore di calore ausiliario (12) per portare fluido secondario (4) in fase vapore dallo scambiatore di calore principale (11) allo scambiatore di calore ausiliario (12); e una linea (18) di ritorno condensato, che collega un’uscita (19) dello scambiatore di calore ausiliario (12) con un ingresso (21) dello scambiatore di calore principale (11) per portare fluido secondario (4) condensato dallo scambiatore di calore ausiliario (12) allo scambiatore di calore principale (11).
  11. 11. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo scambiatore di calore ausiliario (12) comprende una pluralità di tubi (22) che collegano un collettore (17) superiore a un collettore (20) inferiore e al cui interno circola il fluido secondario (4).
  12. 12. Metodo di scambio termico con regolazione passiva della quantità di calore asportata, comprendente le fasi di: circolare un fluido secondario (4) condensabile in un circuito (3) evaporante-condensante; sottrarre calore da un fluido primario (2) tramite evaporazione e successiva condensazione del fluido secondario (4) rispettivamente in uno scambiatore di calore principale (11) e uno scambiatore di calore ausiliario (12); il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di regolazione passiva della potenza termica asportata per condensazione dallo scambiatore di calore ausiliario (12), in cui gas incondensabile è richiamato nel circuito (3) evaporantecondensante in modo da allineare la potenza termica asportata per condensazione dallo scambiatore di calore ausiliario (12) alla potenza termica asportata dal fluido primario (2).
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, comprendente una fase di iniettare/asportare passivamente gas incondensabile da un serbatoio (25) nel circuito (3) evaporante-condensante, così da regolare il potere condensante del circuito (3) evaporante-condensante e, quindi, da limitare la potenza termica asportata dal fluido primario (2) tramite il fluido secondario (4).
  14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui il gas incondensabile è iniettato passivamente nello scambiatore di calore ausiliario (12).
  15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui il gas incondensabile è iniettato in un collettore (17, 20) dello scambiatore di calore ausiliario (12), in particolare un collettore (20) inferiore o un collettore (17) superiore dello scambiatore di calore ausiliario (12).
  16. 16. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 13 a 15, comprendente una fase di impedire l’ingresso e/o la permanenza di fluido secondario (4), sia in forma di vapore sia condensato, nel serbatoio (25) e garantire invece il passaggio del gas incondensabile dal serbatoio (25) verso il circuito (3) evaporante-condensante.
  17. 17. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 13 a 16, comprendente una fase di regolare la pressione del gas incondensabile per mantenere sostanzialmente costante la pressione del gas incondensabile durante le fasi in cui il sistema non è chiamato ad operare.
  18. 18. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 12 a 17, comprendente le fasi di: rimuovere calore da una sorgente calda tramite il fluido primario (2) e trasferire calore dal fluido primario (2) al fluido secondario (4) nello scambiatore di calore principale (11), per evaporare il fluido secondario (4); e trasferire calore dal fluido secondario (4), circolante nello scambiatore di calore ausiliario (12), a un fluido terziario (13) nello scambiatore di calore ausiliario (12), per condensare il fluido secondario (4).
  19. 19. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 12 a 18, in cui lo scambiatore di calore ausiliario (12) è collocato a una quota superiore rispetto allo scambiatore di calore principale (11).
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