Radiation damage assessment for the concrete shielding of SPES, a nuclear facility for the selective production of exotic species

L’attività di ricerca si inserisce nell’ambito di una collaborazione del Dipartimento di Costruzioni e Trasporti dell’Università di Padova con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova), finalizzata alla messa a punto del progetto SPES (Selective Production of Exotic Species), per la costruzione nei suddetti laboratori di un impianto nucleare di ultima generazione per la produzione di speciali fasci di ioni radioattivi, detti specie esotiche, a scopi di ricerca in campo fisico, astrofisico e auspicabile applicazione in campo medico. L’argomento di studio è il rivestimento in calcestruzzo per un impianto di questo tipo e le problematiche connesse all’irraggiamento da neutroni a seguito delle reazioni di fissione nucleare generate dalla collisione di un fascio primario di protoni su un elemento bersaglio in uranio-carbonio. Lo studio può suddividersi idealmente in tre fasi: a) una prima fase di ricerca nella letteratura scientifica di settore (articoli e manuali); b) una successiva fase di implementazione numerica e validazione in apposito codice agli elementi finiti di una legge di danno da radiazione sul calcestruzzo, basata su sperimentazione; c) una terza fase di applicazione del modello numerico al caso di studio, il progetto SPES, con la necessaria definizione delle condizioni al contorno per il calcestruzzo esposto, dovute alle condizioni di progetto del macchinario. Ciò ha richiesto un uso congiunto della tecnica Monte Carlo e del modello FEM. L’iniziale indagine bibliografica ha coinvolto la definizione dello stato dell’arte sui materiali di schermatura impiegati in campo nucleare e la raccolta di dati sperimentali di irraggiamento neutronico su campioni in calcestruzzo. Il primo punto ha permesso di considerare, a fianco del calcestruzzo ordinario, l’impiego di altri impasti migliorati per la presenza o di aggregati idrati, in grado di ritenere il loro contenuto d’acqua anche ad alte temperature, o di aggregati pesanti (di natura ferritica o baritica soprattutto); la prima caratteristica garantisce una buona capacità schermante nei confronti dei neutroni, essendo in grado l’idrogeno contenuto nelle molecole d’acqua di assorbire dopo pochi eventi di scattering una grande aliquota dell’energia incidente di un neutrone; la seconda caratteristica è indice di una buona prestazione schermante nei confronti dei raggi gamma, indesiderato prodotto secondario delle reazioni atomi-neutroni. Il secondo punto ha condotto alla comprensione dei meccanismi di deterioramento del calcestruzzo sotto un ambiente irraggiato e alla quantificazione della soglia di flusso neutronico oltre la quale si hanno le prime manifestazioni macroscopiche di perdita di resistenza del materiale, valutata in termini di resistenza a compressione, a trazione e modulo elastico. La legge di danno ricercata è stata definita come la curva di inviluppo del decadimento del modulo elastico di calcestruzzo esposto, rispetto al materiale vergine, proveniente da diversi tests, in diverse condizioni sperimentali, che, tuttavia, hanno permesso di identificare un trend univoco, in funzione del flusso di neutroni, di questo parametro macroscopico (il modulo elastico), scelto in accordo alla teoria dello stress effettivo di Kachanov. La legge è stata implementata in un preesistente codice FEM che numericamente risolve il problema termo-igro-meccanico accoppiato per i mezzi porosi multifase, come si configura il calcestruzzo. Il materiale è qui modellato nel suo comportamento visco-elastico danneggiato, in cui le forme di danno possibili provengono dal carico meccanico, dal carico termico e, grazie all’upgrade prefissato, dal campo di radiazione nucleare. La validazione è stata fatta sulla base di una prova di irraggiamento reperita in letteratura per calcestruzzo serpentinitico, sottoposto a due diversi flussi neutronici; nel complesso la risposta del materiale irraggiato è ben colta dal modello numerico, in termini di legame tensioni-deformazioni. A questa ha seguito un’analisi comparativa sulla bontà di schermatura del calcestruzzo ordinario, rispetto a provini fatti di impasti migliorati individuati anch’essi da letteratura, nell’ipotesi che il campo di radiazione spazialmente segua un modello semplificato monodimensionale, nella fattispecie noto in letteratura come modello diffusivo per i neutroni a bassa energia o termici; un modello analogo è definibile per i neutroni ad alta energia o veloci, sulla base della cosiddetta teoria dei due gruppi, che assume la suddivisione dello spettro neutronico reale in due soli livelli energetici, in una logica di semplificazione computazionale della teoria generale del trasporto della radiazione nella materia. L’evoluzione monodimensionale è accettabile se si analizza l’attenuazione della radiazione lungo lo spessore di una parete uniformemente investita, geometria che non si discosta dal caso di studio, il quale considera una porzione di parete orientata in direzione del fascio, per la quale la sezione trasversale è la faccia esposta e l’attenuazione avviene lungo lo spessore. A parità di flusso incidente, l’analisi comparativa ha messo in luce valori di danno superiori in presenza di neutroni veloci, rispetto a quelli dati da neutroni termici e ha permesso di quantificare le migliori prestazioni degli impasti speciali, rispetto al calcestruzzo ordinario. Successivamente si è preso in considerazione l’elemento sensibile dell’impianto in progetto per i Laboratori Nazionali di Legnaro, ovvero il vano ospitante l’elemento bersaglio e sede delle reazioni di fissione. La geometria dell’impianto è stata ricreata in un codice Monte Carlo di ricerca, un brevetto CERN-INFN di Milano in grado di effettuare calcoli 3D di trasporto della radiazione, allo scopo di ricavare i campi di radiazione e temperatura attesi per SPES nelle condizioni di lavoro di progetto per il macchinario. L’uso congiunto della tecnica Monte Carlo con il codice FEM, modificato per tenere in conto gli effetti del campo di radiazione nel materiale, ha consentito di definire l’aspetto termico, ossia lo sviluppo di calore interno al materiale per effetto del deposito di energia da radiazione, il fattore limitante per descrivere uno scenario di lavoro compatibile con la durabilità del calcestruzzo. Le simulazioni hanno condotto alla definizione di un profilo di irraggiamento ammissibile di cicli continuativi al più di 6-7 mesi all’anno, per un quinquennio, alle specifiche di progetto del sistema di accelerazione e del fascio primario sull’elemento fissile, in assenza di ulteriori provvedimenti o dispositivi di attenuazione del fronte termico, come ad esempio predisposizione di liners metallici all’intradosso delle pareti direttamente investite della camera di fissione o impianti di raffreddamento annegati in parete.