ITTO961081A1 - Reattore nucleare a circolazione naturale migliorata del fluido di raffreddamento. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

di Brevetto per Invenzione Industriale,

La presente invenzione è relativa a un reattore nucleare a circolazione naturale migliorata del fluido di raffreddamento.

Sono note diverse tipologie costruttive di reattori nucleari per produzione di energia elettrica: in particolare, con riferimento alle modalità di circolazione del fluido refrigerante, si distinguono sostanzialmente reattori a circolazione forzata e reattori a circolazione naturale del fluido di raffreddamento.

Nei reattori noti a circolazione forzata, il fluido refrigerante, generalmente acqua, circola attraverso il cosiddetto nocciolo, nel quale avviene la reazione nucleare, ne asporta calore, transita attraverso circuiti esterni all'involucro del reattore (comunemente noto come “vessel”) e cede calore in opportuni scambiatori; dopo di che il fluido refrigerante è nuovamente inviato nel nocciolo, tramite pompe.

Sono pure noti reattori, detti “integrati”, privi di circuiti esterni, essendo gli scambiatori di calore disposti all'interno del vessel che contiene il nocciolo. Anche in questo tipo di reattori, comunque, sono previste pompe di circolazione per alimentare il fluido refrigerante al nocciolo e agli scambiatori, con prevalenza di qualche bar.

I reattori a circolazione forzata del fluido refrigerante soffrono però dell’inconveniente principale di richiedere complesse canalizzazioni all’interno del vessel, necessarie in particolare per convogliare il fluido verso le pompe all’uscita degli scambiatori e poi verso il nocciolo. Per contenere il complesso circuito di raffreddamento, è inoltre richiesto un reattore di grande diametro, a meno di ridurne le dimensioni facendo circolare il fluido di raffreddamento ad elevata velocità.

Sono noti anche reattori nucleari nei quali, allo scopo di evitare la suddetta complessità del circuito di raffreddamento, si fa ricorso unicamente alla circolazione naturale del fluido refrigerante.

Secondo una soluzione nota, con fluido refrigerante costituito da acqua, il nocciolo del reattore è posto nella parte inferiore di un vessel in pressione: l’acqua calda che esce dal nocciolo è convogliata verso la parte alta del reattore, tramite un condotto ascendente (detto “riser*) coassiale con l’involucro del reattore stesso e aperto nella parte superiore, al di sotto del pelo libero dell’acqua di raffreddamento. Entro tale condotto sono alloggiati i mezzi di controllo della reazione nucleare (ad esempio barre di controllo o fasci di protoni) e parte della strumentazione di nocciolo. Dall’alto dell’involucro, l’acqua scende verso l’ingresso del nocciolo transitando attraverso gli scambiatori di calore posti nella zona anulare compresa tra il condotto ascendente e la parete dell’involucro.

Un’altra soluzione nota prevede l’impiego, come fluido di raffreddamento, di un metallo liquido, ad esempio piombo, che riempie parzialmente un vessel la cui parte superiore è riempita con un gas inerte. Anche in questo caso la circolazione naturale del metallo liquido avviene per differenza di peso tra la colonna di fluido caldo posta sopra il nocciolo e la colonna di fluido freddo che si trova nella corona anulare esterna al nocciolo, definita dalla presenza, anche in questo caso, di un condotto cilindrico coassiale all’involucro del reattore. Il condotto cilindrico si interrompe, nella parte alta del reattore, al di sotto dello strato di gas inerte, per permettere la circolazione del metallo liquido.

Sono noti inoltre i problemi tecnologici specifici che devono essere risolti in un reattore nucleare a metallo liquido: innanzitutto, per evitare l’eccessivo riscaldamento delle pareti del vessel, queste devono essere mantenute ad una temperatura, relativamente bassa, prossima a quella del metallo in uscita dagli scambiatori di calore; inoltre, deve essere mantenuta una certa circolazione di metallo liquido sul fondo del reattore, per evitare la solidificazione del metallo liquido.

Strutture di separazione vengono perciò interposte, secondo soluzioni note, tra il metallo liquido caldo in ingresso agli scambiatori e le pareti dell’involucro del reattore.

Inoltre, sempre secondo soluzioni note, nel caso di circolazione forzata il fondo del reattore viene fatto lambire da metallo liquido a più alta pressione in ingresso al nocciolo, che viene poi fatto tracimare in prossimità della parete laterale dell’involucro del reattore, al di sopra del livello normale del bagno di metallo fuso, in modo da evitare il riscaldamento per fughe termiche del metallo liquido, stagnante in quella zona. Questa soluzione, tuttavia, può far insorgere altri inconvenienti, quali vibrazioni fluidoindotte.

D'altra parte, nel caso di reattore a circolazione naturale la soluzione sopra descritta non è attuabile.

Infine, in tutti i tipi di reattore a circolazione naturale descritti, la forza motrice disponibile per la circolazione del fluido refrigerante è al massimo di poche decine di migliaia di Pa, per cui la velocità del fluido è bassa e le sezioni di passaggio richieste sono elevate.

Da ciò segue che, nonostante negli impianti a circolazione naturale il disegno costruttivo delle strutture interne poste all’interno del vessel sia estremamente semplice, le dimensioni di quest’ultimo restano elevate, sia a causa delle grandi sezioni di passaggio richieste, sia del dislivello tra gli scambiatori di calore e il nocciolo, dislivello necessario a promuovere la circolazione naturale.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un reattore nucleare che sia privo degli inconvenienti sopra descritti dei reattori noti; è in particolare uno scopo dell’invenzione quello di realizzare un reattore nucleare a circolazione naturale del fluido di raffreddamento, in modo da ottenere un disegno costruttivo relativamente semplice del reattore stesso, nel quale, al contempo, si ottengano velocità di circolazione relativamente elevate del fluido di raffreddamento, in modo da presentare dimensioni ridotte del vessel e dei componenti interni.

Tale scopo è raggiunto dal trovato, in quanto esso è relativo a un reattore nucleare a circolazione naturale migliorata del fluido di raffreddamento, comprendente un involucro nella cui parte inferiore è alloggiato un nocciolo di reazione, almeno un primo scambiatore di calore e mezzi di circolazione idraulica di detto fluido di raffreddamento tra detto nocciolo e detto almeno uno scambiatore di calore; caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di circolazione ausiliaria per immettere in modo uniforme un primo flusso gassoso entro detto fluido di raffreddamento, detti mezzi di circolazione ausiliaria essendo atti ad introdurre detto primo flusso gassoso all’interno di detti mezzi di circolazione idraulica al di sopra di detto nocciolo ad una distanza prefissata dallo stesso, in modo da aumentare la velocità di circolazione di detto fluido di raffreddamento entro detti mezzi di circolazione idraulica.

In questo modo, pur conservando il semplice impianto costruttivo tipico dei reattori tradizionali a circolazione naturale del fluido di raffreddamento, il reattore secondo l’invenzione presenta una colonna “calda” ulteriormente alleggerita dal flusso gassoso e consente pertanto una superiore velocità di circolazione del fluido di raffreddamento e, quindi, di limitare le dimensioni di tutti i componenti interni e, in definitiva, del reattore stesso.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione seguente di alcuni suoi esempi non limitativi di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, nei quali:

- la figura 1 rappresenta, schematicamente e in sezione longitudinale, un reattore nucleare realizzato secondo il trovato, utilizzante acqua come fluido di raffreddamento;

- la figura 2 rappresenta una vista in sezione secondo il piano di traccia II-II di figura 1;

- la figura 3 rappresenta, schematicamente e in sezione longitudinale, una possibile variante al reattore secondo il trovato, utilizzante come fluido di raffreddamento un metallo liquido;

- ia figura 4 rappresenta, schematicamente e fuori scala, un particolare ingrandito del reattore di figura 3;

- la figura 5 rappresenta schematicamente una possibile variante al reattore di figura 1 ;

- la figura 6 rappresenta schematicamente una possibile variante ai reattore di figura 2.

Con riferimento alle figure 1 e 2, il reattore nucleare 1, del tipo a circolazione naturale del fluido refrigerante, comprende un involucro esterno 2, sostanzialmente cilindrico e comunemente noto come “vessel", contenente una quantità prefissata di un fluido di raffreddamento 3, nella fattispecie acqua, che raggiunge, all'interno dell'involucro 2, un livello prefissato o “pelo libero“ 4.

Il reattore 1 contiene inoltre una quantità prefissata di un gas inerte 5, contenuto in un polmone 6 dell'involucro 2 compreso tra il pelo libero 4 del fluido di raffreddamento 3 ed un coperchio 7 che chiude superiormente lo stesso involucro 2.

Nella parte inferiore dell'involucro 2 è alloggiato il cosiddetto nocciolo di reazione 8, sostanzialmente noto, delimitato esternamente da una virola di contenimento 9. Il nocciolo 8 è supportato da una griglia 10, nota, che convoglia il fluido di raffreddamento 3 entro il nocciolo 8 stesso. Alla parte superiore della virola 9 è collegato di pezzo un condotto cilindrico verticale 11, avente diametro sostanzialmente uguale a quello della virola 9, di cui costituisce in pratica un prolungamento. Il condotto verticale 11 è coassiale all'involucro 2 e termina con un proprio bordo anulare 12 al di sotto del livello 4 del fluido di raffreddamento 3, a una distanza prefissata da esso.

Un ulteriore elemento cilindrico 13 di diametro prefissato è disposto internamente al condotto 11, coassiale ad esso; l'elemento 13 è posto ad una distanza prefissata dal nocciolo 8 e si estende verticalmente al di sopra del livello 4 del fluido 3; nella fattispecie illustrata, l’elemento 13 è sostenuto dal coperchio 7, ma potrebbe anche essere ancorato alla parete interna del condotto 11. Un'estremità inferiore 14 dell’elemento cilindrico 13 è disposta al di sopra del nocciolo 8, ad una distanza d dai cielo del medesimo, mentre all'estremità opposta 15, al di sopra del livello 4 del fluido di raffreddamento 3, l’elemento 13 è provvisto di una pluralità di fori 16 ricavati passanti nella sua parete laterale, tramite i quali comunica con il polmone 6.

L’elemento interno 13 è rimovibile per consentire il ricambio del combustibile nel nocciolo 8 e può alloggiare i mezzi di controllo della reazione nucleare e parte della strumentazione di nocciolo, di tipo noto e non illustrati per semplicità.

Tra il condotto cilindrico 11 e la parete interna dell'involucro 2 è delimitato un primo condotto anulare 18 che, come sarà chiarito in seguito, in uso viene percorso dal fluido di raffreddamento 3 in senso discendente; analogamente, il condotto cilindrico 11 e l’elemento cilindrico 13, coassiali, definiscono un secondo condotto anulare 17, radialmente interno rispetto al precedente e destinato, in uso, ad essere percorso in senso ascendente dal fluido di raffreddamento 3. La sezione di passaggio fluidodinamico del condotto anulare esterno 18 è maggiore di quella del condotto anulare interno 17.

Il condotto anulare interno 17 e quello esterno 18 sono posti in comunicazione idraulica da un passaggio anulare 19, definito dalla distanza prefissata tra il bordo superiore 12 del condotto cilindrico 11 e il livello 4 del fluido di raffreddamento 3.

Al di sopra del livello 4 e, quindi, immerse nel volume di gas inerte 5, sono installate due soffianti 20, 21 , di tipo noto, sostenute dal coperchio 7 e azionate da rispettivi motori 22, 23 posti esternamente all'involucro 2. Ciascuna soffiante 20, 21 è collegata, tramite rispettivi condotti di rinvio 24, 25, a una pluralità di diffusori 28, due dei quali sono rappresentati in figura 1.

E chiaro che il numero di soffianti utilizzabili può variare in base ad esigenze specifiche, cosi come il numero e la distribuzione dei diffusori. Secondo una preferita forma di realizzazione, illustrata in particolare nella figura 2, le soffianti (in qualunque numero siano) alimentano una pluralità di diffusori 28 disposti ad anello all’interno del condotto anulare 17, in prossimità e al di sopra dell’estremità 14 dell'elemento cilindrico 13, ad una distanza D dal cielo del nocciolo 8 maggiore della distanza d.

I diffusori 28 sono provvisti di una serie di ugelli 29 di adduzione gas, opportunamente orientati: gli ugelli 29 potrebbero per esempio essere rivolti verso l’alto (come illustrato in figura 2), o immettere il flusso gassoso in orizzontale, o avere una prefissata angolazione, per esempio 45°. I condotti di rinvio 24, 25 si innescano con giunzioni a tenuta nei diffusori 28; poiché la tenuta è effettuata nella parte bassa dei condotti 24, 25, a un livello prossimo a quello degli ugelli di sfiato 29, ed essendo minima la pressione differenziale tra interno ed esterno degli stessi condotti 24, 25 al livello delle giunzioni, queste non necessitano di eccessiva precisione; inoltre, ogni eventuale perdita avviene entro il condotto di circolazione del fluido di raffreddamento, in cui va comunque inviato il gas stesso.

Il reattore 1 comprende inoltre almeno uno scambiatore di calore 30, noto, alloggiato nel condotto anulare esterno 18, la cui funzione è di sottrarre calore al fluido di raffreddamento 3 circolante entro il reattore 1.

In uso, le soffianti 20, 21 prelevano gas dal polmone 6 e lo comprimono in maniera da superare il battente statico del fluido refrigerante al livello corrispondente a quello degli ugelli 29: il gas, inviato attraverso i condotti 24, 25 ai diffusori 28, viene quindi uniformemente distribuito dagli ugelli 29 nella massa del fluido refrigerante, lungo tutto lo sviluppo anulare del condotto 17.

Il gas, più leggero del fluido di raffreddamento che incontra nel condotto 17, alleggerisce la colonna di fluido presente nello stesso condotto anulare 17, aumentandone la velocità di risalita.

AH'uscita del condotto 17, la velocità del fluido refrigerante si riduce a causa di un aumento di sezione determinato dalla distanza, opportunamente calcolata, tra il bordo anulare superiore 12 del condotto cilindrico 11 e il livello 4 del fluido di raffreddamento, che, come detto, definisce il passaggio anulare 19 attraverso il quale si realizza il collegamento fluidodinamico tra il condotto anulare interno 17, percorso dal fluido di raffreddamento e dal gas inerte in senso ascendente, e il condotto anulare esterno 18, percorso dal solo fluido di raffreddamento in senso discendente.

All’uscita del passaggio anulare 19, dato che la sezione di passaggio del condotto anulare esterno 18 è maggiore della sezione del condotto anulare interno 17, la velocità del fluido di raffreddamento si riduce e poi si inverte verso il basso. Per effetto di galleggiamento, il gas continua invece a salire, si separa dal liquido ed alimenta il gas 5 contenuto nel polmone 6, nella parte alta del reattore 1. La colonna di fluido discendente, priva di gas, è più pesante di quella ascendente per cui si determina un tiraggio che favorisce la circolazione naturale del fluido di raffreddamento stesso.

In definitiva, il gas che transita nel condotto anulare 17 dal basso verso l'alto favorisce la circolazione del fluido di raffreddamento all'interno del reattore 1 nel circuito che comprende il nocciolo 8, il condotto di risalita 17, lo scambiatore 30 e il condotto 18 di ritorno al nocciolo 8.

In questo modo, pur essendo sostanzialmente mantenuta la semplice configurazione impiantistica delle soluzioni in circolazione naturale, l'aggiunta di mezzi di circolazione atti ad aumentare la velocità del fluido primario consente una significativa riduzione delle dimensioni dell’involucro del reattore e dei componenti interni.

La funzione dell'elemento cilindrico interno 13 è quella di delimitare un condotto di dimensioni ottimali per la salita della miscela liquido refrigerante-gas.

Il condotto cilindrico 11, infatti, potrebbe avere una sezione molto elevata a cui corrisponderebbe una bassa velocità del fluido refrigerante e, a parità di gas iniettato nel condotto, la frazione di sezione occupata dal gas sarebbe troppo ridotta a causa della velocità di risalita relativa tra gas e fluido.

Infatti si ha:

dove:

Nell’applicazione in oggetto, in prima approssimazione, se si mantiene si può ritenere VR praticamente costante al variare di Vii, e quindi:

Quindi la sezione occupata dal gas rispetto a quella occupata dai liquido, a parità 'di portata di gas e liquido, aumenta all'aumentare della velocità del liquido con conseguente aumento del tiraggio.

All'aumentare di aumentano però le perdite di carico del fluido in transito nell'intercapedine, la cui sezione deve pertanto essere ottimizzata con l'inserimento dell’elemento interno 13.

Comunque, l’elemento interno 13 può anche mancare: secondo una possibile variante che non prevede appunto la presenza di tale elemento, il solo condotto 11, opportunamente dimensionato, delimita il condotto ascendente del fluido refrigerante 3.

La presente invenzione è particolarmente indicata per l'applicazione a reattori nucleari impieganti come fluido di raffreddamento un metallo liquido.

Con riferimento alle figure 3 e 4, nelle quali i dettagli simili o uguali a quelli già descritti sono indicati con i medesimi numeri, è indicato appunto nel suo complesso con 1a un reattore nucleare a metallo liquido, realizzato secondo il trovato.

Il reattore nucleare 1a comprende, come il reattore 1 ad acqua in pressione sopra descritto, un involucro 2, di configurazione sostanzialmente nota, nella cui parte inferiore è alloggiato un nocciolo 8. All’esterno dell’involucro 2 è previsto un secondo involucro 80 per il contenimento di eventuali fughe di fluido refrigerante 3 per rottura dell’involucro 2; tra l’involucro interno 2 e l’involucro esterno 80 è delimitata una intercapedine 81 di volume prefissato.

Nel reattore 1a è inoltre inserita una quantità prefissata di un fluido di raffreddamento 3, nella fattispecie un metallo liquido, ad esempio piombo, che raggiunge un livello (pelo libero) 4; il reattore 1a contiene inoltre un volume prefissato di un gas inerte 5, contenuto in un polmone 6 posto al di sopra del livello 4 del metallo liquido 3 ed al di sotto di un coperchio 7 che chiude superiormente l’involucro 2.

Anche il reattore 1a comprende inoltre un condotto cilindrico verticale 11 e un elemento cilindrico interno 13, la cui descrizione è del tutto simile a quella sopra riportata per il reattore 1 .

Come sopra descritto con riferimento al reattore 1 , il condotto cilindrico 11 e l’elemento cilindrico 13, coassiali, definiscono un condotto anulare interno 17, mentre la parete interna dell’involucro 2 e il condotto cilindrico 11 definiscono un condotto anulare esterno 18.

Il condotto anulare interno 17 e quello esterno 18 sono posti in comunicazione idraulica da un passaggio anulare 19, definito dalla distanza prefissata tra il bordo superiore 12 del condotto cilindrico 1 1 e il livello 4 del fluido di raffreddamento 3. Il collegamento idraulico tra i condotti anulari 17 e 18 è inoltre assicurato da una pluralità di fori 39 ricavati passanti nella parete laterale del condotto verticale 11 , posti a distanze verticali prefissate gli uni dagli altri: in caso di abbassamento accidentale del livello 4, per esempio a seguito di rottura dell’involucro interno 2 e conseguente versamento del fluido refrigerante 3 nell'intercapedine 81 , i fori 39 consentono il mantenimento della circolazione del fluido refrigerante 3 nel reattore 1a evitando il surriscaldamento del nocciolo 8; la disposizione dei fori 39 è calcolata sulla base del volume dell’intercapedine 81 , corrispondente alla massima quantità di fluido di raffreddamento 3 che può uscire dall'involucro interno 2.

Anche il reattore 1a è provvisto di due soffianti 20, 21 di tipo noto, immerse nel polmone 6 pieno di gas inerte 5: riguardo il numero e la distribuzione delle soffianti e dei relativi diffusori 28 valgono le considerazioni fatte a proposito del reattore 1. Il reattore 1a comprende inoltre almeno uno scambiatore di calore 30, noto, alloggiato nel condotto anulare 17.

II reattore 1a comprende inoltre, secondo una geometria costruttiva nota, un collettore superiore 40 (collettore “caldo"), che in uso convoglia metallo liquido caldo verso lo scambiatore 30, e un collettore inferiore 41 (collettore “freddo”), che in uso convoglia metallo liquido freddo, in uscita dallo scambiatore 30, verso il nocciolo 8; i due collettori 40, 41 sono separati da una struttura 42 di configurazione nota, provvista in particolare di una porzione superiore cilindrica 43 coassiale all’involucro 2.

Una parete cilindrica 44 concentrica all’involucro 2 è posta inoltre a una distanza radiale prefissata dalla parete laterale interna di quest'ultimo. La parete cilindrica 44 delimita dunque, insieme alla parete laterale dell’involucro 2, uno spazio anulare 45, facente parte del collettore freddo 41 e nel quale è contenuto metallo liquido che, per garantire la tenuta meccanica dell'involucro 2, deve essere mantenuto a relativamente bassa temperatura, sostanzialmente uguale a quella di uscita dallo scambiatore 30.

Viceversa, entro il collettore superiore 40 è contenuto metallo liquido caldo, che il collettore 40 convoglia verso lo scambiatore 30. A causa della differente temperatura del metallo liquido nei collettori 40, 41, sui due lati della porzione cilindrica 43 della struttura 42 il metallo liquido si trova a due livelli diversi: in particolare il livello 4 nel collettore caldo 40 è a un’altezza superiore al livello 46 nel collettore freddo 41 .

Come già accennato, nei reattori a metallo liquido occorre evitare l’eccessivo riscaldamento delle pareti dell'involucro 2 e quindi che il metallo liquido 3 del collettore 40, caldo, riscaldi per conduzione il metallo liquido adiacente contenuto nella parte alta dello spazio anulare 45.

Il reattore 1a, allo scopo di risolvere i problemi tecnologici specifici di una soluzione a metallo liquido, comprende pertanto una pluralità di condotti disposti in adiacenza della parete interna dell’involucro 2 a distanza prefissata uno dall'altro, uno solo dei quali, indicato con il numero 50, è rappresentato a scopo esemplificativo nelle figure 3 e 4; il condotto 50 si estende dal fondo dell’involucro 2 fino in corrispondenza della zona del pelo libero 47 del metallo liquido contenuto nello spazio anulare 45 e sbocca a un livello inferiore a quello del pelo libero 47.

In un tratto superiore del condotto 50, per un'estensione prefissata, è inserito un condotto interno coassiale 52 che si estende superiormente oltre il condotto 50 e arriva dunque nel polmone 6 contenente il gas 5; alla sommità del condotto 52, in zona gas, si trova una soffiante 53, azionata da un motore 54 posto al di sopra del coperchio 7 dell'involucro 2; da banda opposta alla soffiante 53, il condotto interno 52 termina con un diffusore di gas 55, provvisto di ugelli di sfiato 56.

Nel normale funzionamento del'impianto, la soffiante 53 aspira gas dal polmone 6 e; attraverso il condotto interno 52 e il diffusore 55, lo inietta nel condotto 50, provocando una ricircolazione di metallo liquido refrigerante dal fondo dell’involucro 2 fino al pelo libero 47 e infine il ritorno al collettore 41 tramite un'estremità inferiore 48 dello spazio anulare 45, come indicato dalle frecce in figura 4.

II condotto 50 ha dunque la funzione di miscelamento tra il metallo liquido più freddo in parte bassa del reattore 1a e il metallo liquido più caldo in alto. La circolazione entro il condotto 50 è realizzata iniettandovi un flusso gassoso, il gas essendo prelevato dal polmone 6 mediante la soffiante 53.

In questo modo, oltre ad evitare la solidificazione del metallo liquido sul fondo del reattore 1a, si evita il riscaldamento della parete dell'involucro 2 per conduzione di calore dal metallo liquido caldo del collettore 40, in quanto tale calore viene asportato dal flusso di metallo liquido freddo che, proveniente dal fondo del reattore e uscito dal condotto 50, ridiscende attraverso lo spazio anulare 45.

Secondo una possibile variante, il reattore 1a non comprende la struttura 42 e la funzione di mantenere a temperatura relativamente bassa la parete dell’involucro 2 è assicurata dalla presenza della sola parete interna 44 e del condotto 50.

È chiaro che al reattore nucleare sopra descritto, qualunque sia il fluido di raffreddamento impiegato, è possibile apportare numerose varianti.

Ad esempio, la soffiante (o le soffianti) del dispositivo di circolazione ausiliaria, anziché essere disposta all'interno dell’Involucro 2, immersa nel gas 5 contenuto nel polmone 6, può essere installata all'esterno del reattore, in modo da rendere possibile il raffreddamento del gas di circolazione allo scopo di ridurre la potenza di soffiaggio ed evitare il funzionamento della soffiante stessa a temperatura eccessivamente elevate (soprattutto nel caso di reattori a metallo liquido), e/o recuperare calore.

In figura 5 è illustrata una possibile variante 100 al reattore nucleare secondo l'invenzione, che prevede appunto l'impiego di una soffiante esterna nel caso di reattore nucleare raffreddato ad acqua.

Il reattore 100 è dei tipo descritto con riferimento alla figura 1, ma comprende un circuito fluidodinamico 60 esterno all'involucro 2 (del quale non sono rappresentati i componenti interni, identici a quelli illustrati in figura 1 , salvo per la mancanza delle soffianti interne). Il circuito 60 comprende essenzialmente una soffiante 61 e, preferibilmente ma non necessariamente, uno scambiatore 62 nel quale far avvenire la condensazione di parte del vapore contenuto nella miscela fluido di raffreddamento-gas inerte, allo scopo di ridurre la potenza della soffiante 61 e asportare all'esterno una frazione del calore generato dal reattore.

Chiaramente, può essere previsto l'impiego di un diverso numero di soffianti e/o di scambiatori esterni.

La soluzione con soffiante esterna è applicabile anche a reattori nucleari a metallo liquido, come illustrato in figura 6.

Anche il reattore 101, sostanzialmente identico al reattore 1a descritto con riferimento alla figura 2 per quanto riguarda i componenti interni all’involucro 2, comprende un circuito fluidodinamico 60 esterno all’involucro 2, di cui fa parte almeno una soffiante 61 ; preferibilmente, il circuito 60 comprende anche due scambiatori 63 e 64 disposti in serie a monte della soffiante 61.

Il gas, prima di entrare nella soffiante 61, viene inviato successivamente attraverso gli scambiatori 63 e 64, in modo da essere raffreddato a temperatura prossima a quella ambiente prima dell’ingresso nella soffiante 61 , allo scopo di ridurre la potenza della soffiante stessa. Nello scambiatore 63, il fluido freddo è costituito dallo stesso gas in uscita dalla soffiante 61 .

In soluzioni impiantistiche relative a reattori a metallo liquido in cui gli scambiatori di calore interni al reattore hanno vera e propria funzione di generatori di vapore, i circuiti supplementari esterni di raffreddamento potrebbero anche svolgere una funzione di sicurezza, condensando il vapore rilasciato in condizioni di emergenza a seguito di rottura di tubi dello scambiatore interno.

Risulta infine chiaro che al reattore nucleare secondo l'invenzione possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti senza uscire dall’ambito di protezione definito dalie rivendicazioni.

Claims (22)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Reattore nucleare (1 , 1 a) a circolazione naturale migliorata del fluido di raffreddamento (3), comprendente un involucro (2) nella cui parte inferiore è alloggiato un nocciolo di reazione (8), almeno un primo scambiatore di calore (30) e mezzi di circolazione idraulica (11 , 18) di detto fluido di raffreddamento (3) tra detto nocciolo (8) e detto almeno uno scambiatore di calore (30); ca ratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di circolazione ausiliaria per immettere in modo uniforme un primo flusso gassoso (5) entro detto fluido di raffreddamento (3), detti mezzi di circolazione ausiliaria essendo atti ad introdurre detto primo flusso gassoso (5) all’interno di detti mezzi di circolazione idraulica (11, 18) al di sopra di detto nocciolo (8) ad una distanza prefissata (D) dallo stesso, in modo da aumentare la velocità di circolazione di detto fluido di raffreddamento (3) entro detti mezzi di circolazione idraulica (11, 18).
2. 2. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di circolazione idraulica (11, 18) sono realizzati in modo da separare detto gas (5) da detto fluido di raffreddamento (3) alla sommità di deto involucro (2).
3. 3. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto involucro (2) contiene quantità prefissate di detto fluido di raffreddamento (3) e di detto gas (5), detto fluido di raffreddamento (3) costituendo un bagno definito superiormente da un pelo libero (4) a un livello prefissato e detto gas (5) essendo contenuto in un polmone (6) di detto involucro (2) compreso tra detto pelo libero (4) e un coperchio superiore (7) di detto involucro (2).
4. 4. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di circolazione idraulica comprendono almeno un primo condotto verticale (11) coassiale a detto involucro (2), detto primo condotto verticale (11) definendo, insieme a detto involucro (2), un primo condotto anulare (18).
5. 5. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto primo condotto verticale (11) coassiale a detto involucro (2) è disposto al di sopra di detto nocciolo (8), costituendo un prolungamento di una virola di contenimento (9) di quest'ultimo, e si interrompe al di sotto di detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3).
6. 6. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 4 o 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di circolazione idraulica comprendono inoltre almeno un elemento interno (13) coassiale a detto primo condotto verticale (11); detto primo condotto verticale (11) e detto elemento interno (13) definendo un secondo condotto anulare (17), radialmente interno rispetto a detto primo condotto anulare (18).
7. 7. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto elemento interno (13) coassiale a detto primo condotto verticale (1 1 ) si estende verticalmente a partire da una distanza prefissata (d) da detto nocciolo (8) fin oltre detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3) entro detto polmone (6), l'interno di detto elemento (13) essendo in comunicazione idraulica con quest’ultimo (6); detto elemento cilindrico (13) essendo ancorato a detto coperchio (7) dell’involucro (2) e presentando una pluralità di primi fori passanti (16) ricavati in una sua superficie laterale al di sopra di detto pelo libero (4).
8. 8. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che detto primo condotto verticale (11) si interrompe al di sotto di detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3) a una distanza prefissata, in modo da determinare un passaggio anulare (19) per detto fluido di raffreddamento (3) tra detto primo condotto verticale (1 1) e detto primo condotto anulare (i8); la sezione di passaggio fluidodinamico di detto primo condotto anulare (18) essendo maggiore della sezione di passaggio fluidodinamico di detto primo condotto verticale (11), in modo da ridurre la velocità di detto fluido di raffreddamento (3), in corrispondenza di detto passaggio anulare (19), a un valore prefissato e consentire la separazione di detto gas (5) da detto fluido di raffreddamento (3).
9. 9. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto primo condotto verticale (11) presenta in una porzione superiore di una sua parete laterale una pluralità di secondi fori passanti (39), in modo da garantire la comunicazione idraulica tra detto primo condotto verticale (11) e detto primo condotto anulare (18) anche in caso di abbassamento di detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3).
10. 10. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di circolazione ausitiaria comprendono almeno una prima soffiante (20, 21 ) ed almeno un relativo sistema di ripartizione (24, 25, 28) di detto gas (5) entro una porzione delimitata di detto fluido di raffreddamento (3).
11. 11. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto sistema di ripartizione di detto gas (5) entro detto fluido di raffreddamento (3) comprende, per ciascuna soffiante (20, 21), almeno un primo diffusore (28) posto entro detto primo condotto verticale (11), al di sopra di una estremità inferiore di detto elemento interno (13), e mezzi di collegamento fluidodinamico (24, 25) tra detta almeno una prima soffiante (20, 21) e detto primo diffusore (28).
12. 12. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 11 , caratterizzato dal fatto che detto almeno un primo diffusore (28) è provvisto di una pluralità di ugelli (29) disposti ad anello entro detto secondo condotto anulare (17).
13. 13. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che detto fluido di raffreddamento (3) è costituito da acqua in pressione.
14. 14. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, caratterizzato dal fatto che detto fluido di raffreddamento (3) è costituito da un metallo liquido.
15. 15. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto di comprendere una parete interna (44) adiacente a una parte superiore di una parete laterale di detto involucro (2), detta parete interna (44) estendendosi oltre detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3) e delimitando, insieme con detta parete laterale dell'involucro (2), uno spazio anulare (45); detto spazio anulare (45) essendo in comunicazione idraulica superiormente con detto polmone (6) e inferiormente con detto fluido di raffreddamento (3).
16. 16. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre almeno un secondo condotto (50) disposto in adiacenza a detta parete laterale interna di detto involucro (2), detto secondo condotto (50) estendendosi da una zona inferiore dell'involucro (2), posta al di sotto di detto nocciolo (8), fino in prossimità di detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3); e mezzi atti ad iniettare entro detto secondo condotto (50), ad una altezza prefissata, un secondo flusso gassoso.
17. 17. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni da 10 a 16, caratterizzato dal fatto che detta almeno una prima soffiante (20, 21) è disposta all’interno di detto involucro (2), immersa nel gas (5) contenuto in detto polmone (6) al di sopra di detto pelo libero (4) del fluido di raffreddamento (3), ed è azionata da un motore (22, 23) posto all’esterno di detto involucro (2).
18. 18. Reattore nucleare secondo una delle rivendicazioni da 10 a 16, caratterizzato dal fatto che detta almeno una prima soffiante (61) è disposta all’esterno di detto involucro (2) e detti mezzi di circolazione ausiliaria comprendono almeno un circuito di collegamento fluidodinamico (60) tra il gas (5) contenuto in detto polmone (6) e detta soffiante (61) e tra quest’ultima e detto relativo sistema di ripartizione.
19. 19. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detto circuito di collegamento fluidodinamico (60) comprende almeno uno scambiatore di calore (62) e/o almeno un condensatore di vapore (63) atti a prelevare una quota del calore generato da detto reattore.
20. 20. Reattore nucleare secondo la rivendicazione 18 o 19, caratterizzato dal fatto che detto circuito di collegamento fluidodinamico (61) comprende almeno un secondo scambiatore (64) di calore disposto in serie a monte di detta prima soffiante (61).
21. 21. Metodo per migliorare la circolazione naturale di un fluido di raffreddamento in un reattore nucleare (1, 1 a), il reattore nucleare (1, 1 a) comprendendo un involucro (2) nella cui parte inferiore è alloggiato un nocciolo di reazione (8), almeno un primo scambiatore di calore (30) e mezzi di circolazione idraulica (11, 18) di detto fluido di raffreddamento (3) tra detto nocciolo (8) e detto almeno uno scambiatore di calore (30); caratterizzato dal fatto di immettere in modo uniforme un flusso gassoso (5) entro detto fluido di raffreddamento (3), detto flusso gassoso (5) essendo immesso in almeno una porzione delimitata di detto fluido di raffreddamento (3) all’interno di detti mezzi di circolazione idraulica (11, 18) al di sopra di detto nocciolo (8) ad una distanza prefissata (D) dallo stesso, in modo da aumentare la velocità di circolazione di detto fluido di raffreddamento (3) entro detti mezzi di circolazione idraulica (11, 18).
22. 22. Reattore nucleare a circolazione naturale migliorata del fluido di raffreddamento, sostanzialmente come descritto con riferimento agli annessi disegni.