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In che modo le radiazioni incidono sui materiali strutturali dei reattori nucleari nel tempo?

Il funzionamento sicuro e a lungo termine dei reattori ad acqua leggera è diventato una sfida fondamentale in Europa. Grazie al lavoro svolto nell’ambito del progetto SOTERIA, è stato possibile approfondire la comprensione degli effetti delle radiazioni sui materiali strutturali nucleari, il che incide fortemente sulla longevità di un reattore.

Energia

Il futuro dell’energia nucleare in Europa può essere incerto, ma la sua attuale necessità è difficile da negare. Le centrali nucleari (NPP) rappresentano ancora circa un quarto della capacità di produzione elettrica dell’UE e finché l’industria non sarà in grado di compensare tale perdita con le fonti di energia rinnovabile, il prolungamento della già lunga durata delle centrali nucleari è diventato una priorità. Garantire il funzionamento sicuro e a lungo termine delle centrali elettriche esistenti, tuttavia, è una storia diversa. Ciò richiede infatti una comprensione approfondita del ruolo dei fenomeni di invecchiamento dei materiali nelle centrali nucleari, nonché la traduzione di queste conoscenze in strumenti e metodi affidabili per gli utenti finali industriali nonché in linee guida per i responsabili politici. SOTERIA (Safe long term operation of light water reactors based on improved understanding of radiation effects in nuclear structural materials) si proponeva di fornire tale comprensione, ponendo l’accento su fenomeni di invecchiamento che avvengono nel contenitore a pressione del reattore (RPV) e negli acciai interni, causati dall’irradiazione neutronica. Il progetto, basandosi sui risultati dei predecessori PERFECT e PERFORM60, ha combinato strumenti di modellizzazione avanzati con dati sperimentali per approfondire l’incidenza di tale irradiazione, nel tempo e a dosi diverse, su componenti nucleari costituiti da materiali industriali complessi. Esperimenti intelligenti per determinare il funzionamento sicuro delle centrali nucleari «Il funzionamento sicuro delle centrali nucleari dipende da molti fattori, compresi problemi relativi ai materiali», spiega il dott. Christian Robertson, coordinatore del progetto della Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica (CEA). «I componenti fondamentali delle centrali nucleari tendono a subire evoluzioni dipendenti dal tempo a causa dei meccanismi di invecchiamento dei materiali, e una vita prolungata e sicura può essere garantita solo se comprendiamo a fondo le cause e la portata di questi meccanismi». SOTERIA consisteva in sostanza nella combinazione di esperimenti intelligenti e modellizzazione fisica, progettati specificamente per materiali interni e RPV ben caratterizzati. Nel complesso, il consorzio: ha condotto un esame microstrutturale approfondito di acciai RPV irradiati, acciai inossidabili austenitici e leghe; ha studiato l’incidenza della disomogeneità del materiale sulle proprietà meccaniche degli acciai RPV; ha studiato gli effetti della carica di elio e idrogeno rispettivamente sulla vulnerabilità e l’ossidazione del danno; ha sviluppato modelli per valutare componenti RPV e interni sotto irradiazione. «Sono diversi i risultati importanti ottenuti dal progetto. Uno di questi è la raccolta di nuovi dati sulla variabilità della risposta materiale e sulla loro relazione con condizioni di invecchiamento ben controllate, il che ora ci permette di comprendere le cause dell’invecchiamento materiale per una selezione rappresentativa di casi di materiale nucleare. Inoltre, i nostri strumenti di modellizzazione possono affrontare la variabilità della complessità di materiali nucleari reali in componenti fondamentali di centrali nucleari. Questo strumento sarà divulgato attraverso una piattaforma computazionale intuitiva», afferma il dott. Robertson. Formare la prossima generazione di esperti SOTERIA aveva anche uno scopo formativo: comunicare i risultati del progetto all’ingegneria nucleare e alla comunità di ricerca per migliorare e armonizzare la conoscenza dei fenomeni di invecchiamento nelle centrali nucleari in tutta Europa. Una scuola di formazione SOTERIA, ad esempio, si è tenuta nel settembre 2018 per trasferire e preservare le conoscenze del progetto su RPV nucleari e meccanismi di degradazione del materiale interno. Un totale di 60 partecipanti provenienti da 29 organizzazioni in 13 paesi (studenti, dottori di ricerca, professionisti all’inizio della carriera, scienziati e ingegneri) hanno partecipato all’evento. Questa è probabilmente la missione più importante di SOTERIA. Sebbene il progetto si protrarrà fino all’agosto 2019, il dott. Robertson è sicuro che la sua influenza continuerà a farsi sentire anche oltre questo termine. «Le metodologie di sorveglianza innovative, convenienti e informative sviluppate nell’ambito del progetto, adattate ai componenti fondamentali del reattore nucleare, saranno di grande utilità per la comunità nei prossimi anni», afferma. I membri di SOTERIA stanno già considerando la creazione di un nuovo consorzio nell’ambito del prossimo bando Euratom, per approfondire ulteriormente i meccanismi di invecchiamento dei materiali.

Parole chiave

SOTERIA, funzionamento a lungo termine, nucleare, sicurezza, reattore ad acqua leggera, materiali strutturali, centrale nucleare, risposta materiale, radiazioni

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