Combattere la corrosione nelle strutture adibite a deposito di rifiuti nucleari
Gary Dagastine
La simulazione multifisica ha aiutato Sogin S.p.A. a progettare un sistema di deumidificazione semplice e ad alta efficienza energetica per prevenire la corrosione dei fusti contenenti rifiuti radioattivi.
Lo stoccaggio di rifiuti radioattivi richiede un controllo accurato dell’umidità
Uno dei progetti di Sogin è il ripristino in corso di un edificio che si trova in un ex impianto di produzione di energia nucleare situato nell’Italia centrale. Lo scopo è di soddisfare i requisiti italiani e internazionali per depositi temporanei di rifiuti a bassa attività, finché questi non potranno essere inviati al Deposito Nazionale per lo stoccaggio definitivo.
Questa struttura temporanea è un edificio a pianta rettangolare di circa 30x15 m su un unico piano, diviso in due ambienti. I rifiuti sono immagazzinati in fusti di acciaio contenuti in overpack in calcestruzzo ai fini dello schermaggio delle radiazioni. I fusti hanno un diametro esterno di 0,8 metri, mentre l’overpack ha un diametro di un metro. Per prevenire fenomeni di corrosione dei fusti, deve essere mantenuta una umidità relativa inferiore al 65%.
Gianluca Barbella è un ingegnere strutturale e Team leader Sogin per questo progetto. “La necessità di controllare l’umidità dell’aria è dovuta all’esigenza di stoccare fusti pregressi in acciaio al carbonio. Gli overpack in calcestruzzo impediscono un’agevole ispezionabilità dei fusti se questi non vengono estratti, rendendo difficile il costante monitoraggio del processo di corrosione. Inoltre il sito è esposto ad alti livelli di umidità relativa. Perciò il controllo dell’umidità è essenziale” spiega.
Il costo legato all’installazione e all’esercizio di un sistema di ventilazione e condizionamento dell’aria (HVAC), necessario per mantenere condizioni ottimali nel corso dei 25 anni di vita previsti per la struttura, è considerevole. In aggiunta, poiché la struttura non può essere ampliata, lo spazio richiesto da un sistema HVAC determinerebbe una riduzione dello spazio disponibile per lo stoccaggio dei rifiuti. Un sistema HVAC infine ha periodi di inattività dovuti sia ad eventuali malfunzionamenti sia a interventi di manutenzione ordinaria.
Una possibile alternativa è quella di usare deumidificatori isotermi industriali, che sono relativamente piccoli, mobili, richiedono meno interventi di manutenzione e hanno costi di funzionamento considerevolmente inferiori. Queste unità si basano sul ciclo termodinamico inverso di Carnot: un ventilatore convoglia aria nell’unità, dove passa attraverso un evaporatore e viene raffreddata. L’umidità in eccesso presente nell’aria condensa in gocce d’acqua che vengono raccolte in un serbatoio. L’aria passa poi attraverso un condensatore, dove viene riportata alla temperatura iniziale. Viene quindi reimmessa nell’ambiente come aria più secca.
Il progetto di Sogin si è affidato a simulazioni numeriche per studiare l’efficienza di due diverse configurazioni impiantistiche delle unità di deumidificazione.
Le analisi sono state effettuate da Piergianni Geraldini, del Dipartimento di Progettazione Meccanica, con l’obiettivo di identificare i requisiti e determinare il posizionamento ottimale delle unità negli ambienti (vedi Figura 1).
Figura 1. Planimetria dell’edificio utilizzato come deposito temporaneo di rifiuti a bassa attività. I rifiuti sono stoccati in due locali in fusti di acciaio al carbonio contenuti all’interno di overpack (nel locale 2).
Le simulazioni hanno permesso l’individuazione del layout ottimale
Il team ha prima di tutto studiato il flusso turbolento dell’aria nei locali, eseguendo studi fluidodinamici in regime stazionario basati su un modello di turbolenza k-epsilon, per un fluido monofase incomprimibile. Lo scopo era quello di riprodurre il campo di velocità dell’aria nell’area di stoccaggio durante il funzionamento dei deumidificatori.
Il campo di velocità ottenuto è stato successivamente utilizzato per simulazioni tempo-dipendenti e completamente accoppiate, per studiare l’evoluzione della temperatura e dell’umidità relativa nel locale (vedi Figura 2).
I risultati complessivi sono quindi serviti per individuare la disposizione ottimale dei deumidificatori.
Tutte le simulazioni sono state eseguite con COMSOL Multiphysics® e l’Heat Transfer Module. “Senza uno strumento di simulazione così raffinato, avremmo dovuto modellare il processo di deumidificazione usando equazioni monodimensionali semplificate insieme alle curve di prestazione dei deumidificatori fornite dai produttori. Le simulazioni hanno confermato le potenzialità di COMSOL nel risolvere efficacemente problemi transitori di trasporto del calore e di umidità in 3D,” racconta Piergianni. “COMSOL Multiphysics consente facilmente di accoppiare diverse fisiche, ha un’interfaccia intuitiva e offre la possibilità di gestire l’intero processo di modellazione all’interno della stessa interfaccia.” “Le simulazioni ci hanno aiutato a definire un layout basato sull’uso di due deumidificatori, con la stessa capacità di deumidificazione di altre configurazioni, anche se queste richiedevano quattro unità” conclude Barbella.
“Il sistema che abbiamo progettato limiterà la formazione di sacche d’aria stagnante, permetterà alle unità di funzionare con la massima efficienza e ci aiuterà a ridurre il rischio di corrosione dei fusti, una volta che la struttura sarà terminata e operativa.”