Small Nuclear Power Reactors - ENEA — it

Small Nuclear Power Reactors

(Updated March 2018)

• There is strong interest in small and simpler units for

generating electricity from nuclear power, and for process

heat.

• This interest in small and medium nuclear power reactors is

driven both by a desire to reduce the impact of capital costs

and to provide power away from large grid systems.

• The technologies involved are numerous and very diverse.

From: http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx

Due accezione per SMR: • Small Medium Reactor • Small Modular Reactor

http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/small-nuclear-power-reactors.aspx





















Da: «Enrico Fermi – Significato di una scoperta» AIN – ENEA, 2001, pag. 113.

From: THE CONVERSATION «How nuclear power-generating reactors have

evolved since their birth in the 1950s” May 20, 2015 11.09am BST

Gli «Small Modular Reactors» (SMR)

Si tratta dei reattori di “piccola” potenza (cioè con potenze

elettriche non superiori a 300 MWe). Questa classe di reattori sta

destando un crescente interesse: essi infatti sono adatti ad essere

inseriti in reti elettriche di limitate dimensioni, o al servizio di

insediamenti isolati.

La costruzione modulare permette di ottenere anche centrali

di alta potenza, ma in modo graduale, in relazione alla

crescita della domanda: l’economia di scala del grande impianto

viene sostituita dalla fabbricazione in serie ed in officina dei

piccoli impianti, in tempi molto più rapidi.

Sia negli Stati Uniti che in Russia, molti di questi progetti fanno

tesoro della loro lunghissima esperienza nella costruzione

di reattori navali.

I «piccoli reattori nucleari»: una storia tormentata e dimenticata (1/2)

Come detto, «piccoli reattori» vengono considerati quelli di

potenza inferiore a 300 MWe, mentre i reattori oggi in

funzione hanno una potenza media di circa 900 MWe, e quelli

in costruzione di circa 1000 MWe.

Fin dagli anni 1940, Aviazione, Esercito e Marina

Americani provarono ad usare piccoli reattori, dopo il

«successo» delle armi nucleari. In 15 anni, l’Aviazione spese

un miliardo di dollari (di allora) per sviluppare un reattore per

bombardieri a lungo raggio, ma senza successo (anche per

ovvie ragioni di sicurezza). Il Presidente Kennedy chiuse il

programma.

I «piccoli reattori nucleari»: una storia tormentata e dimenticata (2/2)

Anche i piccoli reattori dell’Esercito USA non ebbero miglior

fortuna: ne vennero costruiti otto, dislocati in basi remote,

come la Groenlandia o l’Antartide.

Ma quello della base di Mac Murdo, in Antartide, a seguito

di guasti e perdite radioattive, dovette essere rispedito

ad una base navale in California insieme a 14.000

metri cubi di terreno contaminato…

Il programma venne cancellato nel 1976, e i reattori

sostituiti con generatori Diesel!

USA 1950: i reattori ad acqua in pressione

Meglio invece l’impegno nella Marina Militare. Infatti, con

l’avvio della “guerra fredda” negli anni 1950, la Marina Militare

delle Grandi Potenze acquisì un ruolo strategico grazie ai

sottomarini ed alle portaerei equipaggiati con reattori

nucleari.

L’artefice di questa profonda evoluzione fu l’Ammiraglio Hyman G.

Rickover, che rapidamente portò a maturità i reattori per uso

navale: dopo un tentativo non convincente di reattore refrigerato con

sodio liquido, puntò su reattori refrigerati con acqua in

pressione (Pressurized Water Reactor: PWR). La

Westinghouse fu impegnata fin dall’inizio su questi reattori, ed in

seguito anche la General Electric collaborò alla loro costruzione, e

così la Rolls Royce per la inglese Royal Navy.

I reattori nucleari navali nel mondo

Francia, Cina e Russia procedettero in modo autonomo, sempre

con reattori PWR, anche se la Russia dotò alcuni dei suoi

sottomarini di reattori veloci refrigerati da una miscela di

piombo e bismuto fusi.

Nel 1989, alla fine della “guerra fredda”, vi erano nel mondo

oltre 400 reattori per sottomarini, oltre a decine per

portaerei ed incrociatori. La Russia ha costruito, e continua a

costruire, numerosi rompighiaccio a propulsione nucleare.

La sola US Navy ha utilizzato 500 “noccioli” di reattore, ed ha

accumulato 5500 anni x reattore e 128 milioni di miglia

senza alcun incidente nucleare.

I reattori nucleari navali civili in Russia: una lunga tradizione

Late last february, the reactor on the Vaygach nuclear

icebreaker steamed past what many thought a near

impossible barrier, reaching 177,205 hours of operating

time – beating the record set by the Arktika nuclear

icebreaker, whose reactor had run for one hour less when it

was retired in 2008. That’s 7,383 and a half straight days,

or just over 20 years.

The Vaygach was built in Finland in 1989 during the peak

years of Mikhail Gorbachev’s Glasnost, and its KL-40 reactor

was installed at the Baltic Shipyard in St. Petersburg.

From: http://bellona.org/news/nuclear-issues/2018-03-russian-nuclear-icebreaker-

reactor-sets-troubling-run-time-record

From: http://bellona.org/news/nuclear-issues/2018-03-russian-nuclear-

icebreaker-reactor-sets-troubling-run-time-record

Vaygach nuclear icebreaker

I reattori nucleari navali civili in Russia: le nuove prospettive

Come illustrato dal Presidente di Rosatom, Alexey Likhachov, in un

recente colloquio con il Presidente russo, Vladimir Putin, l’obiettivo

è il potenziamento della flotta dei rompighiaccio nucleari, con

reattori in grado di spingerli anche a 10-12 nodi in ghiaccio spesso

due metri.

Questi rompighiaccio saranno destinati a mantenere per quanto

possibile libera la rotta orientale a nord della Siberia per portare

fino a 70 milioni di tonnellate all’anno il trasporto di merci verso

l’Asia orientale, evitando il Canale di Suez.

Recentemente, poi, è stato varato il nuovo impianto nucleare

galleggiante, l’Akademik Lomonosov, destinato ad aziende e basi

isolate nel Grande Nord.

LK-60 icebreaker

LK-60 icebreakers, Arktika, able to handle 2.8 metres of ice, are powered

by two RITM-200 reactors of 175 MWt each, together delivering 60 MWe at

the propellers via twin turbine-generators and three electric motors.

From: http://www.world nuclear.org/information library/country-profiles/countries-o-

s/russia-nuclear-power.aspx

http://www.world/

http://www.world/

http://www.world/

http://www.world/

http://www.world/

From: https://lazerone.files.wordpress.com/2017/05/project-10510-sybir-a.png

A more powerful LK-120 icebreaker (project 10510) delivering 120 MWe at four

propellers is being designed, capable of breaking through 4.5 metre thick ice, or 2

m thick ice at 14 knots. It is for deep-sea use especially in the eastern Arctic and

will be 205 m long, 50 m wide and with 13 m draft, of 55,600 dwt. It will be

powered by two RITM-400 reactors of 315 MWt each.

LK-120 icebreaker (project 10510)

Each Lomonosov-class vessel will have two KLT-40S pressurized water reactors, a

derivative of the standard KLT-40 and improved KLT-40M, the latter of which powers

Russia’s Taymyr-class icebreakers. Each S variant can produce up to 35 megawatts

of electricity or 150 megawatts of thermal energy.

From: http://www.thedrive.com/the-war-zone/20564/heres-what-we-know-about-russias-new-

floating-nuclear-power-plant-heading-to-the-arctic?iid=sr-link1

Russia has begun towing the first of its new floating nuclear power

plants, the Akademik Lomonosov, to Murmansk, where it will receive the

nuclear fuel for its two reactors.

https://en.wikipedia.org/wiki/KLT-40_reactor










http://www.thedrive.com/the-war-zone/17891/this-video-of-a-russian-nuclear-icebreaker-blasting-by-some-guys-and-their-trucks-is-nuts





Gli «Small Medium Reactors» civili in USA (1/2)

A partire dagli anni ‘50, la USAEC (*) promosse la costruzione, a fini civili, di numerosi reattori da meno di 300 MWe (ben 17 impianti, nessuno dei quali è più in operazione).

Alcuni di essi erano «prototipi», destinati a generare poi una «filiera» di grandi reattori: tra questi, lo Yankee Rowe, ad acqua in pressione, il Dresden-I , ad acqua bollente, e il Fermi-I.

Quest’ultimo, un reattore a neutroni veloci da 61 MWe, subì una fusione del combustibile nel 1966, descritta da John G. Fuller nel 1975 nel suo libro “We Almost Lost Detroit”.

Gli altri due reattori riuscirono meglio: lo Yankee Rowe, da 185 MWe, funzionò per 31 anni, anche se il suo decommissioning richiese poi 16 anni e oltre $600 milioni.

Dresden-I, da 180 MWe, restò in servizio dal 1960 al 1978.

In ogni caso, i gestori di questi reattori si pentirono di non averli fatti molto più potenti, per ridurre il costo del kWh!

(*) USAEC: United States Atomic Energy Commission.

Gli «Small Medium Reactors» civili in USA (2/2)

Per servire poi effettivamente le piccole comunità, anche rurali, nel 1955 la USAEC fece un bando apposito, che tra gli altri avviò il progetto del reattore di Elk River, da 22 MWe, annunciato come il “Rural America’s First Atomic Power Plant”.

Era un reattore ad acqua bollente, fatto di componenti prefabbricati, trasportabili per ferrovia, e usava un combustibile costituito da una miscela di Uranio fortemente arricchito e Torio.

La costruzione iniziò nel 1959, ma il reattore divenne operativo soltanto nel 1964, e fu fermato nel 1968 per fessure nel circuito di raffreddamento.

La gestione del combustibile Uranio-Torio irraggiato risultò molto difficile, e si decise di mandarlo in Italia per ritrattarlo (all’ITREC di Trisaia)!!!

…continua…

…continua…

From: http://nextbigfuture.com/2016/05/international-tokomak-fusion-project.html

NASA May 2, 2018

RELEASE 18-031

Demonstration Proves Nuclear Fission System

Can Provide Space Exploration Power

NASA and the Department of Energy’s National Nuclear Security

Administration (NNSA) have successfully demonstrated a new nuclear

reactor power system that could enable long-duration crewed missions to

the Moon, Mars and destinations beyond.

NASA announced the results of the demonstration, called the Kilopower

Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY) experiment, during a

news conference Wednesday at its Glenn Research Center in Cleveland.

The Kilopower experiment was conducted at the NNSA’s Nevada

National Security Site from November 2017 through March.

From: https://www.nasa.gov/press-release/demonstration-proves-nuclear-fission-

system-can-provide-space-exploration-power

A labeled diagram of a 10-kilowatt Kilopower nuclear reactor. NASA/YouTube;

Business Insider

From: http://www.businessinsider.com/nasa-nuclear-reactor-kilopower-how-it-works-2018-5?IR=T

Engineers work on the Kilopower nuclear reactor, a system being designed

to power NASA missions. NASA


An artist's rendition of the Kilopower fission reactor and its radiator on the

Moon. NASA


An illustration of a folded-up Kilopower nuclear reactor on the back of a

Mars roving vehicle.NASA/YouTube; Business Insider


Due modi tipici di usare gli SMR Nelle tavole seguenti, si descrivono alcuni esempi di utilizzo degli SMR, raggruppabili nelle due seguenti modalità:

Centrali costituite da più reattori modulari:

• Cluster di reattori HTR-PM a Shidaowan (Cina)

• Cluster di reattori SMR off-shore su isole artificiali (UK)

Generazione distribuita:

• Teleriscaldamento (district heating): NHR200-II della CGN e DHR-400 Yanlong della CNNC (Cina)

• Completa decarbonizzazione: elettricità, calore per processi industriali e riscaldamento, acqua calda, ed anche carburanti liquidi, per l’area metropolitana di Helsinki (Finlandia), di 1,5 milioni di abitanti.

Cina all’avanguardia: a Shidaowan la prima centrale modulare basata sul reattore HTR-PM

Si tratta di un reattore ad alta temperatura “pebble bed” (a letto di

sfere) refrigerato ad elio in grado di produrre vapore alle stesse

condizioni di un moderno impianto alimentato a carbone.

Sono in costruzione 2 reattori HTR-PM da 250 MWth, che alimentano

un turboalternatore da 210 MWe, a cui se ne potranno aggiungere

altri, del medesimo tipo e potenza.

Se l’impianto si comporterà nel modo sperato, la Cina farà partire un

piano per rimpiazzare con questo reattore, entro il 2040, 300-

400 caldaie a carbone, a partire dalle zone popolate ad alto

inquinamento atmosferico.

Da: «NUCLEARE A FISSIONE: STATO ATTUALE E PROSPETTIVE PER UN MONDO A BASSE EMISSIONI» Tesi di Stefano Costa – Sapienza università di Roma – 2017.

Il reattore ad alta temperatura HTR-PM (1/3)

Poiché questi reattori dovranno funzionare vicino a zone densamente

abitate, si è investito molto sulla sicurezza: si prevede che le

sfere di combustibile (con diametro di 60 mm, e composte da

migliaia di particelle TRISO, da 0,5 mm di diametro) possano

resistere ad una perdita del refrigerante, dato che la temperatura

massima che si raggiungerebbe all’interno del vessel sarebbe

comunque più bassa della massima sopportabile, pari a 1600°C.

La taglia base dovrebbe essere di 600 MWe, suddivisi su 3 moduli,

aventi ciascuno 2 reattori, collegati ad una turbina a vapore.

Il costo previsto per la costruzione è di 5000 $/kW, ma gli studiosi

cinesi si aspettano che in futuro potrà scendere fino a 2000 $/kW.


Impianto nucleare HTR-PM standard da 2 x 600 MWe [fonte: Tsinghua University]



Il modulo base dell’impianto HTR-PM dimostrativo consiste in due

reattori collegati ad una turbina a vapore da 210 MWe; ogni

reattore ha un generatore di vapore e un circolatore principale dell’elio,

oltre a tutti gli internals di grafite, carbonio e altri metalli.

La potenza termica di ogni reattore è di 250 MWth (megawatt

termici); l’elio viene riscaldato da 250 °C a 750 °C; il vapore inviato

alla turbina ha una temperatura di 567 °C e una pressione di

13,25 MPa. Il rendimento complessivo dovrebbe essere elevato,

pari al 42%.

Il combustibile, contenuto nella particella TRISO, è diossido di

uranio con un arricchimento del 8,6%.


Caratteristiche principali del reattore HTR-PM [fonte: Tsinghua University]



Il punto di forza di questo impianto sta nella sua sicurezza. Il rischio

di una fusione del nocciolo è ridotto al minimo: la particella TRISO

ha una temperatura limite di 1600-1800 °C, la densità

volumetrica di potenza è relativamente bassa e la potenza è

distribuita in più moduli, ognuno con il suo sistema di emergenza.

Andamento della temperatura del combustibile in caso di mancata refrigerazione [fonte: Tsinghua University]


From: https://www.nextbigfuture.com/2017/09/china-high-temperature-nuclear-reactor-could-replace-coal-plants-and-provide-industrial-heat.html

From: https://www.nextbigfuture.com/2018/02/nuclear-reactors-for-heating-can-be-mass-

produced-and-each-would-take-two-years-to-build.html

District Heating of Northern Chinese Cities

China’s government agencies, the National Development and

Reform Commission (NDRC) and the National Energy

Administration have announced a five-year plan to convert

70% of northern cities to mostly natural gas heating

instead of coal.

(omissis)

Half of northern China should be converted to clean

heating by 2019. China General Nuclear (CGN) and China

National Nuclear Corporation (CNNC) are both looking to

develop small nuclear reactors for district heating.



The NHR200-II

CGN and Tsinghua University are undertaking a feasibility

study using the NHR200-II low-temperature heating

reactor, a vessel type reactor of 200 MWt. This reactor

already years ago passed a safety review by the National

Nuclear Safety Administration, and came first in NEA’s review

of small-scale nuclear reactor technology in 2016.

CGN said the NHR200-II can be used to provide heat, water

and steam for residential heating and industrial processes, and

energy for remote areas. It is also flexible to location and can

be built near to the end-users. Construction would take

only two to three years if done on a mass scale.



The DHR-400 Yanlong

China National Nuclear Corp (CNNC) has already conducted

a successful 168-hour trial run in Beijing of the DHR-400, a

small district heating reactor know as the Yanlong.

This reactor is an alternative heat supplier, providing 400 MWt,

able to heat 200,000 urban households.

The pool-type design comprises a reactor core immersed in

a water-filled tank. It will require CNY1.5bn ($226.7m) in

investment, take three years to build and could be plugged

directly into existing heating network.



…continua…

A 400-megawatt nuclear heating reactor, as the Yanlong,

can generate as much heat per year as the burning of

320,000 tons of coal or 160 million cubic meters of

natural gas, and Yanlong releases no carbon dioxide or dust

into the air. Yanlong, if used as an alternative to coal-fired or

gas-fired boilers of the same capacity, will reduce emissions of

carbon dioxide by 640,000 tons or 204,600 tons per year.

To produce a gigajoule of heat with a DHR-400 costs just

30-40 yuan ($4.58-6.1), on par with traditional coal-fired

boilers, and around 40 percent of the cost to produce the

same amount using a gas-fired boiler.



Gli SMR nella strategia del Regno Unito (1/4)

From: http://euanmearns.com/uk-electricity-2050-part-2-a-high-nuclear-model/#more-15604







SMR per la generazione distribuita: una proposta di completa decarbonizzazione

…continua…

Electricity only accounts for roughly a third of our energy related

emissions. Industrial processes, space heating and hot water use,

along with liquid fuels for transportation make up most of the rest of

our energy demand. This energy use needs also to be decarbonized

by mid-century, either by electrifying it (and producing that electricity

cleanly) or by replacing burning of fuels with other means.

This study presents a scenario in which small, advanced nuclear

reactors are used to achieve a relatively cost-effective deep

decarbonization of district heating, electricity, and transportation

fuels in a city of roughly 1.5 million inhabitants. The used energy is

divided as follows: 8 TWh for heat, 12 TWh for electricity, and 4 TWh

for hydrogen production every year.

…continua…

KEY POINTS: # Upcoming small, advanced nuclear reactors can offer a cost-effective and

reliable source of low-carbon heat and electricity for various uses, such as

cities with district heating networks.

# Combined heat and power (CHP) improves the economics of nuclear

reactors immensely. Instead of producing power at 35 % efficiency, they

can produce heat and power at over 80 % efficiency.

# Small, high-temperature reactors can be used to produce affordable

hydrogen with High Temperature Steam Electrolysis (HTSE). This can be

done as part of seasonal load following of energy demand.

# Affordable hydrogen can be used to decarbonize transportation fuels

by making synfuels from it, and other chemicals that use hydrogen (such as

ammonia for nitrogen fertilizer).

# The annual energy use of 8 TWh of heat, 12 TWh of electricity and 4

TWh of hydrogen can be produced with roughly 4 GWth of high-temperature

thermal nuclear capacity, or roughly ten small, advanced nuclear reactors

with a thermal capacity of 400 MW each.

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