Aspetti di sicurezza di un impianto per la produzione di idrogeno associato ad un HTR

Abstract

In questa tesi viene analizzato il funzionamento di un impianto per la produzione di idrogeno associato ad un HTR in quanto vettore chimico energetico alternativo ai combustibili fossili. Dopo una panoramica sulla struttura dell’impianto nucleare in cui si approfondiscono gli aspetti tecnici e operativi, tra cui il moderatore, il combustibile, il sistema di raffreddamento a gas e le proprietà di sicurezza intrinseche; viene analizzata la capacità dei reattori HTR di fornire calore ad alte temperature. Successivamente viene fornita una descrizione dei principali metodi di produzione di idrogeno: dissociazione termica, cicli termochimici, elettrolisi con un focus sullo Steam Methane Reforming che tramite reazioni tra metano e vapore acqueo permette di ottenere H2 e CO2. Benché l’utilizzo di questa tecnologia, già matura e sviluppata, non azzeri le emissioni di anidride carbonica, l’associazione ad una fonte nucleare comporterebbe solamente una variazione della fonte di calore primario. La tesi include una simulazione del funzionamento dell’impianto di reforming ottenuta mediante il software TARAS, dopo la realizzazione dell’albero di guasto e il calcolo dei tassi di guasto degli elementi e quindi dei componenti dell’impianto. Il lavoro si conclude con i risultati delle simulazioni che evidenziano le principali cause di rottura e gli elementi sui quali agire per migliorare la sicurezza.

This thesis analyzes the operation of a hydrogen production plant associated with an HTR (High-Temperature Reactor), considering hydrogen as an alternative energy carrier to fossil fuels. Following an overview of the nuclear plant structure, technical and operational aspects are explored, including the moderator, the fuel, the gas cooling system, and the safety properties. The analysis focuses on the capability of HTR reactors to provide high-temperature heat. A description of the main hydrogen production methods is provided: thermal dissociation, thermochemical cycles, and electrolysis, with particular emphasis on Steam Methane Reforming (SMR), which uses reactions between methane and water vapor to produce H₂ and CO₂. Although the use of this technology does not eliminate carbon emissions, its association with a nuclear source would merely involve a change in the primary heat source, leading to reduced emissions. The thesis includes a simulation of the reforming plant's operation using the TARAS software, after a fault tree analysis and calculating the failure rates of the plant components. The work ends with the simulation results, highlighting the main causes of failure and identifying the components on which focus to improve safety.