Investigation of corrosion-erosion phenomena in primary cooling circuits of reactor components

I componenti all'interno dei reattori nucleari e di quelli sperimentali da fusione sono sottoposti a severe condizioni, principalmente caratterizzate dalla necessità di resistere a elevati flussi termici (fino a decine di MW/m2) e alte tensioni elettriche (fino a 1 MV). Di conseguenza, tutti i componenti e le unità responsabili di iniziare, sostenere ed operare una reazione di fusione richiedono un raffreddamento attivo attraverso sistemi di trasferimento del calore primari. Questi sistemi tipicamente usano acqua ultrapura per minimizzare il trasporto di impurità e le correnti di fuga lungo i circuiti dei componenti ad alta tensione. L'acqua che circola attraverso tubazioni e strutture interagisce con le superfici interne dei canali realizzati con materiali ad alta diffusività termica, come leghe di rame, alluminio, e materiali più resistenti alla corrosione, come l’acciaio inossidabile. Questa interazione può portare ad un assottigliamento nel tempo delle pareti dei canali di raffreddamento, potenzialmente causando guasti improvvisi. Per mitigare fenomeni di corrosione ed erosione, sono cruciali lo studio e il progetto meticoloso di ogni singolo componente e il monitoraggio continuo delle caratteristiche chimiche dell'acqua al fine di ridurre al minimo la formazione di prodotti di corrosione, migliorando così le prestazioni dei reattori e delle apparecchiature sperimentali. L'indagine sui fenomeni di corrosione ed erosione, sia localizzata che distribuita, comprende lo studio e il monitoraggio di parametri come la conducibilità dell'acqua, la corrente di fuga, i livelli di ossigeno e di anidride carbonica disciolti, il pH, la velocità di flusso e la temperatura. Nei reattori sperimentali a fusione, dove sono comunemente presenti giunzioni di metalli dissimili e polarizzazione elettrica, la corrosione galvanica può rappresentare un potenziale problema, così come le impurità che possono essere trasportate e intrappolate in fessure, esacerbando i fenomeni corrosivi. Questo progetto di Dottorato Industriale verte principalmente sullo studio e sull’indagine delle cause della degradazione della chimica dell'acqua e dei fenomeni di corrosione ed erosione, in particolare all'interno dei componenti della Neutral Beam Test Facility (NBTF) di ITER, raffreddati con acqua ultrapura con valori di resistività fino a 10 MΩ⸱cm. La NBTF, situata presso il Consorzio RFX a Padova, Italia, ospita due esperimenti: MITICA, un prototipo in grandezza reale da 1 MeV dell'Iniettore di Fasci Neutrali (NBI) di ITER, e SPIDER, la sorgente di ioni a piena taglia da 100 keV per l'NBI di ITER. L'indagine è iniziata esaminando i principali componenti presenti nei sistemi di raffreddamento primario di SPIDER e MITICA, principalmente composti da leghe di rame e acciaio inossidabile. Sui metalli sono stati condotti test di rilascio per stimare il tasso di corrosione di questi materiali in diverse condizioni ambientali, compresi ambienti ossidanti e riducenti. Inoltre, sono stati determinati i tassi di corrosione quando questi materiali sono accoppiati e uniti, come nel caso della giunzione "Vacuum Tight Threaded Junction" (VTTJ), utilizzata a NBTF. Particolare attenzione è stata dedicata alla caratterizzazione degli ossidi di rame formati in ambienti ad alto e basso contenuto di ossigeno. I risultati degli esperimenti di rilascio sono stati confrontati con i risultati di prime analisi di tensocorrosione di provini di acciaio e rame esposti nelle medesime condizioni degli esperimenti di rilascio. La seconda parte dell'analisi si è concentrata sull'indagine sulla degradazione dell'acqua in alcuni dei circuiti primari di SPIDER e MITICA. La degradazione più significativa è stata osservata nei circuiti primari che raffreddano le alimentazioni elettriche. Sono stati condotti specifici test di circolazione a temperatura e portate costanti per stimare l'aumento della conducibilità e misurare i cationi metallici disciolti nell'acqua utilizzando la tecnica dell'Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS). Sono stati identificati metalli indesiderati, come lo zinco. Le associazioni tra le osservazioni sperimentali e la caratterizzazione dei materiali effettuata durante questo progetto di Dottorato Industriale hanno identificato possibili miglioramenti dei circuiti che sono stati in primis proposti e successivamente testati per mitigare la degradazione dell'acqua e prevenire l'assottigliamento delle pareti dei canali di raffreddamento. Per affrontare questi problemi, sono stati raccomandati e successivamente installati sensori in linea in un circuito primario di SPIDER. Questi sensori sono progettati per monitorare continuamente i livelli di ossigeno e il pH. I loro dati saranno utilizzati non appena SPIDER rientrerà in operazione. Inoltre, sono state proposte e implementate modifiche in un circuito primario di MITICA per ridurre al minimo l'ingresso di aria dalle regioni più elevate dell'impianto. Queste modifiche si sono dimostrate efficaci nel ridurre la degradazione dell'acqua. Inoltre, come prima soluzione complementare alla sostituzione ciclica dell'acqua degradata, sono state testate resine a letto misto in linea per garantire una purificazione continua dell'acqua nei circuiti primari, mantenendo così bassi i livelli di conducibilità dell'acqua.