TPMS e INFLUX: il combustibile nucleare che usa le superfici minimali stampate in 3D
L’Idaho National Laboratory (INL) sta studiando un nuovo concetto di combustibile nucleare che unisce matematica delle superfici minimali e stampa 3D: il progetto INFLUX (Intertwined Nuclear Fuel Lattice for Uprated heat eXchange). Invece dei classici pin di combustibile cilindrici, il nucleo è costituito da un reticolo tridimensionale di triply periodic minimal surfaces (TPMS), geometrie continue e intrecciate che offrono una superficie molto elevata a parità di volume. L’obiettivo è aumentare la densità di potenza del reattore mantenendo temperature di combustibile più basse e una gestione del calore più efficiente rispetto ai bundle di barre sviluppati negli anni ’50.
Che cosa sono le superfici minimali triplicamente periodiche
Le superfici minimali sono forme che, entro un certo contorno, realizzano l’area più piccola possibile: l’esempio classico è il film di sapone che si tende su un anello, che si dispone spontaneamente nella configurazione a minima superficie. Se questi pattern vengono estesi nello spazio con periodicità lungo tre direzioni, si ottengono le triply periodic minimal surfaces (TPMS), strutture complesse che si ripetono regolarmente e che separano lo spazio in domini volumetrici intrecciati ma non comunicanti.
Dal punto di vista ingegneristico, le TPMS sono interessanti perché combinano alta superficie specifica (rapporto superficie/volume elevato), buona continuità strutturale e percorsi fluidodinamici tortuosi ma ben distribuiti, caratteristiche ideali per scambiatori di calore e per componenti dove il controllo della temperatura è critico, come il combustibile nucleare.
Dal cilindro al reticolo: l’idea di INFLUX
Con INFLUX, i ricercatori di INL sostituiscono la classica barra di combustibile con un reticolo TPMS che svolge contemporaneamente tre funzioni: ospitare il combustibile nucleare, guidare il flusso del refrigerante attraverso canali multipli e intrecciati, e massimizzare lo scambio termico tra combustibile e fluido.
Una TPMS può essere vista come una sorta di sinusoide in tre dimensioni: le equazioni trigonometriche che la descrivono definiscono una superficie continua e ripetuta che genera domini di volume separati. L’idea alla base di INFLUX è “riempire” uno di questi domini con combustibile, usare l’altro come via per il refrigerante, e sfruttare la superficie continua come interfaccia per lo scambio termico.
Perché i cilindri sono sfavorevoli per lo scambio termico
Gran parte dell’ingegneria nucleare si è sviluppata partendo da concetti di scambiatori di calore a tubi e mantello. Per ragioni di fabbricazione, il combustibile è stato “ereditato” da questa logica: bundle di cilindri allineati, relativamente semplici da produrre e da assemblare, ma non ottimali per lo scambio termico.
Un cilindro ha una superficie relativamente limitata rispetto al volume di combustibile contenuto; di conseguenza, il centro del pin tende a surriscaldarsi, producendo gradienti di temperatura marcati e rendendo più complessa la gestione delle condizioni transitorie e di incidente. Le TPMS, al contrario, aumentano la superficie disponibile per il passaggio di calore verso il refrigerante senza incrementare in modo analogo la massa di combustibile, migliorando il rapporto superficie/volume, parametro critico per le prestazioni termoidrauliche.
L’esperimento con il reticolo polimerico conduttivo
Per verificare in modo controllato il comportamento termico di INFLUX, il team di INL ha prima realizzato una versione “dimostrativa” del reticolo TPMS usando un composito polimerico conduttivo, stampato in 3D e dotato di sensori di temperatura integrati. Invece di sfruttare il calore da fissione, i ricercatori hanno riscaldato la struttura facendo passare corrente elettrica attraverso il reticolo, mentre gas e liquidi venivano fatti scorrere nei canali del refrigerante.
Le misure hanno mostrato che la geometria TPMS triplica il coefficiente di scambio termico rispetto a una configurazione di combustibile in barre tradizionali, a parità di condizioni di portata e differenze di temperatura. Questo significa temperature di combustibile più basse, possibilità di aumentare la potenza per unità di volume a parità di margini di sicurezza, e un miglior comportamento in scenari di incidente, perché una struttura con più superficie scambia calore con il refrigerante in modo più rapido ed efficiente.
Neutronica e software: dal TPMS Builder alle simulazioni Monte Carlo
Il miglioramento termico non basta: un nuovo concetto di combustibile deve funzionare anche dal punto di vista neutronico. Per questo i ricercatori di INL hanno sviluppato strumenti dedicati per modellare reticoli TPMS nei codici di trasporto di neutroni.
Il software TPMS Builder, sviluppato in Python, genera geometrie di reticoli TPMS (con molte famiglie di superfici) producendo file STL per combustibile, guaina e refrigerante. Su queste geometrie, i ricercatori eseguono simulazioni Monte Carlo con codici come Serpent 2 e, più di recente, tramite una implementazione nativa delle TPMS nel codice OpenMC, che evita il passaggio pesante via CAD e riduce il costo computazionale.
Gli studi mostrano che, variando passo della cella unitaria, densità relativa di combustibile e tipo di TPMS, è possibile trovare configurazioni che mantengono un buon fattore di moltiplicazione neutronica e, nello stesso tempo, innalzano il rapporto superficie/volume. Inoltre, per alcune configurazioni TPMS, le vie “a vista” per i neutroni lungo l’asse del reattore si riducono, aumentando la probabilità che i neutroni interagiscano con il combustibile invece di sfuggire.
Dalla teoria alla fabbricazione: stampa 3D e HIP per materiali nucleari
Una delle sfide principali di INFLUX non riguarda solo la fisica, ma la fabbricazione. La geometria intrecciata di un reticolo TPMS è quasi impossibile da ottenere con i processi tradizionali di produzione del combustibile nucleare, basati su pastiglie compattate, guaine tubolari e assemblaggio meccanico.
INL ha quindi sviluppato una catena di processo che combina stampa 3D commerciale per creare preforme con geometria TPMS, pressatura isostatica a caldo (HIP) per densificare e consolidare il materiale, e l’integrazione di sistemi ibridi ceramica/metallo o completamente metallici, in vista di un combustibile che soddisfi i requisiti di resistenza, compatibilità chimica e comportamento in irraggiamento richiesti in ambito nucleare.
Questa combinazione è stata usata per fabbricare i primi dimostratori INFLUX con materiali più vicini a quelli reali di un reattore, mostrando che la complessità geometrica delle TPMS è affrontabile, se si accetta una catena di processo pensata specificamente per l’additive manufacturing.
Applicazioni potenziali: microreattori, reattori gas-raffreddati e scambiatori “convenzionali”
Le geometrie TPMS per combustibile potrebbero essere particolarmente interessanti per microreattori compatti, che richiedono core molto densi in potenza e facilmente trasportabili, e per reattori gas-raffreddati, dove il miglioramento dello scambio termico può essere decisivo per rendere competitivo il design. In prospettiva, varianti ottimizzate potrebbero essere considerate anche per reattori ad acqua o a metallo liquido, laddove l’aumento della superficie interna favorisca sia le prestazioni sia la sicurezza.
Nel breve termine, uno dei passi più realistici potrebbe essere l’adozione di scambiatori di calore TPMS in altre parti dell’impianto (generatori di vapore, raffreddatori secondari), senza toccare subito il combustibile. Questo permetterebbe di accumulare esperienza industriale sulle geometrie TPMS e sulla loro fabbricazione in ambito nucleare, costruendo la base di dati necessaria per dialogare con regolatori e utility prima di un’adozione del concetto INFLUX nel nucleo del reattore.
Questioni aperte e prossimi passi di ricerca
Nonostante i risultati promettenti in termini di scambio termico e modellazione neutronica, INFLUX rimane un concetto in fase di ricerca avanzata. Restano aperte diverse questioni: l’ottimizzazione del compromesso tra resistenza idraulica e aumento dell’area di scambio, la valutazione della resistenza meccanica e dell’integrità sotto irraggiamento per materiali ceramici e metallici in geometrie sottili e ramificate, lo sviluppo di procedure di controllo qualità non distruttive adatte a reticoli complessi, e l’integrazione del combustibile TPMS con sistemi di reattore esistenti o di nuova generazione.
Parallelamente, la ricerca su TPMS nei codici neutronici prosegue, con l’obiettivo di usare queste geometrie non solo per INFLUX, ma anche per altri design avanzati, dove l’interazione fra scambio termico e neutronica può essere sfruttata per ridurre dimensioni e complessità complessiva del reattore.
