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STRUMENTAZIONE NUCLEARE: ASPETTI ELETTRICI ED ELETTRONICI

26/02/2020
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Sistemi di automazione e controllo, impianti elettrici e radioprotezione.

Ignazio Papa, Presidente CEI CT 45
Silvina Mancinelli, Segretario CEI CT 45

Le peculiarità degli impianti elettrici in ambito nucleare

A differenza degli impianti convenzionali, gli impianti elettrici che vengono installati negli impianti nucleari devono avere requisiti specifici quando alimentano sistemi e componenti rilevanti per la sicurezza che hanno lo scopo di impedire, in caso di evento incidentale (ad esempio, sisma), la dispersione di radioattività nell’ambiente. Alcuni esempi sono: requisiti di funzionalità, di continuità, ridondanza e separazione fisica.

Di ciò risente anche la configurazione elettrica di tutto il sistema di impianto. La sicurezza degli impianti e dei siti nucleari viene determinata da vari aspetti tecnologici, quali ad esempio quello strutturale, elettrotecnico, elettronico e informatico che riguardano fattori sia progettuali, sia operativi e gestionali. Per tali motivi una caratteristica fondamentale di questo settore è la notevole multidisciplinarità. Questa peculiarità si riflette anche in ambito normativo in cui vari esperti e organismi afferenti a differenti settori hanno cooperato negli anni e tuttora cooperano per lo sviluppo dell’attuale panorama normativo.

In passato, negli anni ’80, prima del referendum sul nucleare, la Commissione Energia Nucleare (UNICEN) si era occupata dei requisiti elettrici relativi alle centrali nucleari e aveva pubblicato in ambito UNI alcune normative.

I requisiti per gli impianti elettrici in ambito nucleare sono attualmente elaborati soprattutto a livello internazionale, oltre che da organismi quali IEC e CENELEC per quanto riguarda le normative di prodotto, anche da altre organizzazioni, quali la IAEA (Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica), che ha pubblicato linee guida per la sicurezza delle installazioni nucleari, tra le quali, ad esempio, la Guida No. SSG-34 “Design of Electrical Power Systems for Nuclear Power Plants”.

Tali prescrizioni IAEA sono poi confluite nel progetto di Norma IEC 63046 “Nuclear power plants – Electrical systems – General requirements”, in corso di pubblicazione.

Le norme del settore (IEC, EN, CEI e IEEE) sono ad oggi molto numerose e coprono vari aspetti di sicurezza convenzionale e nucleare degli impianti ed apparati.

Struttura del Comitato, SottoComitati e normative

A livello generale, il Comitato IEC TC 45 ha uno scopo relativamente ampio e si occupa della predisposizione di norme riguardanti gli aspetti più generici dei sistemi e apparecchiature elettriche ed elettroniche specifiche per il campo nucleare (quali terminologia, sistemi mobili e remotizzati e acceleratori di particelle).

Il Comitato IEC TC 45 è strutturato nei due seguenti SottoComitati:

  • SC 45A – Sistemi di strumentazione e controllo e impianti elettrici per installazioni nucleari;
  • SC 45B – Strumentazione di radioprotezione.

A questi SottoComitati IEC corrispondono, a livello nazionale, i due Gruppi di lavoro del CEI CT 45 GdL 45A e GdL 45B.

Oltre a questi due argomenti principali, il TC 45 tratta altri progetti relativi all’ambito della tecnologia nucleare.

Tra i progetti più rilevanti seguiti dal TC 45 si trovano la Norma IEC 63175 sulle prestazioni e requisiti di sicurezza per ciclotroni ad energia fissa nel range 10-20 MeV e quelle relative all’impiego di strumentazione per la rivelazione delle radiazioni ionizzanti (IEC 61452 per la taratura di spettrometri al germanio, IEC 61145 sull’utilizzo e taratura delle camere a ionizzazione per la determinazione dei radionuclidi e IEC 62372 sui metodi di misura del segnale luminoso e risoluzione degli scintillatori).

Degna di nota è anche la recente proposta di formazione di un Gruppo di lavoro congiunto in collaborazione con l’IEC SC 62C (Equipment for radiotherapy, nuclear medicine and radiation dosimetry) e l’ISO TC 85/SC 2 (Radiological protection) con l’obiettivo di rivedere le norme sviluppate dai diversi Comitati sull’impiego di camere di ionizzazione in ambito medico (IEC 61303 e IEC TR 61948-4 per il SC 62C, IEC 61145 per il TC 45 e ISO/NP 23557 per l’ISO TC 85/SC 2), che potrebbero presentare delle sovrapposizioni e/o incongruenze, valutando l’opportunità di uniformarne i contenuti in un unico standard.

SC 45A: Sistemi di strumentazione e controllo e impianti elettrici per installazioni nucleari

Il documento di livello superiore della serie di norme di pertinenza dell’IEC SC 45A, e quindi del CT 45 del CEI, è la CEI EN 61513 “Nuclear power plants – Instrumentation and control important to safety – General requirement for systems”.

A seguito di una recente revisione del suo scopo, il SC 45A ha ampliato il proprio ambito normativo, considerando oltre ai requisiti di strumentazione e controllo anche gli aspetti di carattere impiantistico, elaborando il progetto (iniziato nel 2015) della Norma IEC 63046 “Nuclear power plants – Electrical systems – General requirements”. Una volta pubblicata quest’ultima, le due norme formeranno l’ossatura della serie di normative che, nel loro insieme, forniranno un quadro completo per stabilire i requisiti generali per la strumentazione, il controllo e gli impianti elettrici delle centrali di potenza e degli altri impianti nucleari.

La CEI EN 61513:2013 fornisce i requisiti generali per i sistemi e le apparecchiature di I&C che sono utilizzati per svolgere funzioni rilevanti per la sicurezza nelle centrali nucleari. La futura IEC 63046 fornirà i requisiti generali per i sistemi di alimentazione elettrica delle centrali nucleari, compresa l’alimentazione dei sistemi di I&C e dovrà essere utilizzata insieme alla CEI EN 61513 allo stesso livello.

Per il secondo livello, la CEI EN 61513 si riferisce direttamente ad altre norme che riguardano argomenti generali in relazione ad aspetti quali: classificazione delle funzioni e dei sistemi, qualificazione, separazione, difesa contro guasti di causa comune, progettazione della sala controllo, compatibilità elettromagnetica, cybersecurity, aspetti software e hardware per i sistemi programmabili, coordinamento dei requisiti di safety e security e gestione dell’invecchiamento. Le norme alle quali si fa riferimento direttamente a questo secondo livello devono essere considerate insieme alla CEI EN 61513 come set di documenti coerenti.

A un terzo livello, le norme non riferite direttamente alla CEI EN 61513 sono relative ad apparecchiature specifiche, metodi tecnici o particolari attività. Di solito queste norme, che fanno riferimento a documenti di secondo livello, possono essere utilizzate da sole.

Completano il panorama normativo una serie di Technical Report (TR) che rappresentano approfondimenti specifici sullo stato dell’arte (ad esempio, i più recenti IEC TR 63192:2019 Nuclear power plants – Instrumentation and control systems important to safety – Hazard analysis: A review of current approaches; IEC TR 63084:2017 Nuclear power plants – Instrumentation and control important to safety – Platform qualification for systems important to safety, etc.).

SC 45B: Strumentazione di radioprotezione

A differenza delle norme del SC 45A, il cui campo di applicazione è ben definito anche per motivi storici (essendosi evoluto insieme allo sviluppo delle centrali nucleari), l’IEC SC 45B presenta una struttura interna più trasversale e meno gerarchica in quanto gli aspetti di radioprotezione riguardano applicazioni molteplici e variegate, che non si limitano alle installazioni per la produzione di energia elettrica: basti pensare, ad esempio, ai laboratori per la produzione di radiofarmaci così come gli impianti a raggi X e body scanner per il controllo di bagagli e persone negli aeroporti.

Le principali tematiche trattate sono le seguenti:

  • rivelazione di radiazioni ionizzanti sui luoghi di lavoro e nell’ambiente ai fini radioprotezionistici e loro effetto sulla popolazione;
  • individuazione di traffico illecito ed identificazione di radionuclidi;
  • screening di sicurezza basati sulle radiazioni.

che vengono trattate all’interno di appositi Working Groups (WGs), a molti dei quali partecipano esperti italiani:

  • WG 5 – Misure di radioattività ambientale nel suolo, nelle acque e in aria, alle quali potrebbero essere esposti gli individui della popolazione sia di origine naturale o a causa della presenza di installazioni nucleari (normale esercizio o condizioni incidentali);
  • WG 8 – Strumentazione portatile e sistemi di dosimetria passiva per radiazioni gamma, beta e neutronica per la sorveglianza fisica delle persone e delle aree di lavoro;
  • WG 9 – Strumentazione per il monitoraggio dei livelli di radiazione X, gamma e neutronica nelle installazioni nucleari e sistemi centralizzati di raccolta ed elaborazione di tali dati. Questo WG non può prescindere dalla collaborazione con il SC 45A;
  • WG 10 – Strumentazione per la misura di radon e dei suoi figli;
  • WG 15 – Sistemi informatici e strumentazione per la prevenzione del traffico illecito di sostanze radioattive (tra cui, spettrometri, dosimetri personali elettronici e strumentazione portatile);
  • WG 16 – Monitor per la contaminazione radioattiva;
  • WG 17 – Sistemi di screening per ispezioni e pronta rivelazione di esplosivi, materie nucleari o altri materiali pericolosi di contrabbando.

Altrettanto importanti sono i Team di progetto sulle incertezze di misura (PT 62461) e sui metodi per la valutazione delle prestazioni della strumentazione in termini di rivelazione e identificazione dei radionuclidi (PT 62957-1), che dimostrano la versatilità e trasversalità del SC 45B.

Data la specificità della materia, è fondamentale che il SC 45B tenga conto delle raccomandazioni di altri enti internazionali specifici del settore della radioprotezione e della sicurezza nucleare, tra i quali l’ICRP (Commissione Internazionale per la Radioprotezione), l’ICRU (Commissione Internazionale per le unità di misura della radioattività) e l’IAEA (Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica).

L’attività del CT 45 in relazione alla realtà italiana

Il CT 45 del CEI ha svolto un ruolo importante in ambito nazionale, sia mantenendo un attento presidio sui progetti normativi internazionali, sia promuovendo in casa propria progetti che affrontassero in modo specifico i rischi peculiari del territorio italiano.

Molti lettori potrebbero rimanere sorpresi nello scoprire che lo smantellamento delle centrali nucleari presenti sul territorio nazionale non si limita alla rimozione dei sistemi e componenti esistenti, ma comporta in realtà anche “nuove costruzioni”. Ad esempio, la costruzione di nuovi depositi temporanei per lo stoccaggio dei rifiuti radioattivi, sistemi di trattamento di rifiuti radioattivi, ma anche l’aggiornamento dei preesistenti sistemi in funzione delle nuove configurazioni che si creano come conseguenza di demolizioni e riadeguamenti strutturali.

Sono state recentemente pubblicate due guide significative sulla qualifica sismica di sistemi e componenti, anche sulla scia internazionale della revisione in corso a doppio logo (IEC-IEEE) delle Norme IEC 60980 “Recommended practices for seismic qualification of electrical equipment of the safety system for nuclear generating stations” e IEEE 344 “IEEE Standard for Seismic Qualification of Equipment for Nuclear Power Generating Stations”:

  • CEI 45-86 (2016) “Guida per la qualifica sismica dei sistemi e dei componenti a bassa tensione”;
  • CEI 45-100 (2018) “Guida tecnica per la qualifica sismica dei gruppi elettrogeni a corrente alternata azionati da motori a combustione interna”.

La Guida tecnica CEI 45-86 è applicabile ai sistemi e componenti elettrici a bassa tensione ritenuti rilevanti ai fini della sicurezza e destinati agli impianti nucleari,che devono garantire la continuità delle loro prestazioni anche in condizioni ambientali estreme, dovute ad esempio al verificarsi di un sisma. Nel documento sono riportate le raccomandazioni minime per la qualifica sismica delle principali tipologie di sistemi e componenti elettrici ed elettronici utilizzati negli impianti nucleari. Sono trattate unicamente le prove sismiche di sistemi e componenti in scala reale, che possono essere provati su tavola vibrante. Tali prove sismiche dei sistemi e componenti sono volte a dimostrare la loro capacità di svolgere le funzioni richieste durante e/o dopo un sisma.

La Guida tecnica CEI 45-100 si applica alla progettazione ed alla costruzione dei “Gruppi elettrogeni a corrente alternata azionati da motori a combustione interna” montati su basamento metallico. È rivolta in particolare agli impianti nucleari per i quali i gruppi elettrogeni devono garantire la continuità delle loro prestazioni anche in condizioni ambientali estreme dovute al sisma. Nella guida sono riportate le raccomandazioni minime per la qualifica sismica in termini di prestazioni, funzionalità e operabilità.

Nel 2018 è iniziato un ambizioso lavoro di revisione della Norma CEI 45-53 “Dizionario della strumentazione nucleare”, che riguarda la terminologia afferente le scienze e tecnologie nucleari, la fisica nucleare, la rivelazione delle radiazioni ionizzanti e il controllo degli impianti nucleari. Si è ravvisata la necessità di un aggiornamento per tenere conto dell’evoluzione dei sistemi e tecnologie impiegati in campo nucleare, aggiornando quelli ormai obsoleti (e in questo il progresso dell’elettronica e dell’informatica hanno giocato un ruolo fondamentale) e introducendo terminologie relative allo smantellamento degli impianti nucleari e alle apparecchiature e dispositivi di nuova generazione (come, ad esempio, gli acceleratori di particelle).

Parallelamente, molti enti normatori ed organismi nazionali ed internazionali stanno provvedendo alla revisione dei propri glossari specifici di questo settore, a testimonianza del fatto che il settore nucleare sta affrontando una fase di transizione che non riguarda solo lo sviluppo tecnologico, ma anche la crescente attenzione alle attività di decommissioning. Per citarne alcuni:

  • l’UNI ha di recente concluso la revisione del Glossario di Radioprotezione (UNI/TR 11496) mentre sta contemporaneamente predisponendo uno specifico glossario per il decommissioning e la gestione dei rifiuti radioattivi;
  • l’IEC TC 45 WG1 “Terminology, Classification” ha avviato ad aprile 2019, durante la riunione plenaria di Parigi, la revisione della Norma IEC 60050-Part 395 “International Electrotechnical Vocabulary-Nuclear instrumentation – Physical phenomena, basic concepts, instruments, systems, equipment and detectors”, che prevede anche una riorganizzazione delle sezioni interne per tenere conto delle nuove tipologie di installazioni nucleari;
  • infine, l’IAEA ha di recente pubblicato l’aggiornamento, al 2018, del documento “IAEA Safety Glossary, Terminology used in nuclear safety and radiation protection”.

Progetti futuri

Sulla base dell’esperienza maturata in tali progetti, il Comitato CEI CT 45 ha proposto il progetto di una guida CEI sulla corretta progettazione ed installazione di sistemi e componenti BT in ambienti soggetti a rischio sismico, la cui stesura sarà curata da un Gruppo di lavoro al quale parteciperanno esperti di vari Comitati Tecnici, Università ed Istituzioni. Si tratta di un progetto orizzontale in ambito nazionale con il coinvolgimento anche della Protezione civile e dell’EUCENTRE di Pavia.

Data la numerosità di leggi, decreti, circolari ministeriali, guide e linee guida sulla riduzione della vulnerabilità sismica degli elementi non strutturali (impianti elettrici e meccanici), era ormai necessaria una guida che orientasse i vari portatori di interesse (committenti, progettisti, installatori, etc.) ad un corretto utilizzo della variegata documentazione attualmente pubblicata.

La guida costituirebbe un riferimento organico e coordinato di quanto oggi esistente in campo normativo fornendo precise soluzioni progettuali e di installazione e permetterebbe di indirizzare adeguatamente i progettisti e gli utilizzatori degli impianti (committenti e installatori/manutentori).

Le indicazioni che saranno riportate nella guida potranno essere applicate ai sistemi e componenti elettrici a bassa tensione ritenuti importanti ai fini della sicurezza e destinati agli impianti di ospedali, industrie manifatturiere, luoghi con pericoli specifici, rilasci chimici, etc., ove la continuità dell’alimentazione e la eventuale funzionalità/operabilità è vitale. La guida potrà essere applicata in tutti quei casi dove il committente, le leggi e i regolamenti specifici richiedano la riduzione della vulnerabilità sismica di elementi impiantistici e quindi la riduzione del rischio di danni ad elementi non strutturali causati da sisma.

La guida viene preparata con lo scopo sia di indicare ai vari operatori i notevoli vantaggi economici e tecnici che si possono ottenere con un tempestivo e coordinato intervento prima e durante l’installazione degli impianti, sia di fornire agli operatori elettrici informazioni utili per realizzare correttamente i vari interventi.

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