Reattore nucleare

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Introduzione

Reattore nucleare Impianto in cui si alimenta e si controlla una reazione nucleare a catena, finalizzata alla produzione di energia, di armi nucleari o alla ricerca scientifica. Esistono due tipologie di reattori nucleari, basati su due tipi di reazione diverse: a fissione e a fusione. Di questi, soltanto i primi hanno un bilancio energetico positivo e sono quindi utilizzati per la produzione di energia elettrica; i reattori a fusione, invece, sono ancora in fase di messa a punto e sperimentazione (vedi Fusione nucleare).

Il primo reattore nucleare a fissione, passato alla storia come pila atomica, fu costruito e collaudato da Enrico Fermi e dai suoi collaboratori nel dicembre 1942, nella palestra dello stadio universitario di Chicago. Nell’esperimento fu accertata la possibilità di produrre una reazione a catena di fissione dell’uranio, capace di autosostenersi senza degenerare in esplosione. Da allora nel mondo sono stati progettati e costruiti reattori a fissione di diverso tipo, per scopi scientifici e commerciali.

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Parti di un reattore a fissione

I principali componenti di un reattore a fissione sono il combustibile, il moderatore e il sistema di raffreddamento. I primi due elementi costituiscono il nocciolo del reattore, la zona in cui hanno luogo le reazioni nucleari; il sistema di raffreddamento, invece, circonda il nocciolo e preleva il calore prodotto trasferendolo alle turbine. Completano l’impianto diversi dispositivi di controllo, strumenti di misura, di schermatura e sistemi ausiliari e di emergenza.

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Combustibile

Il combustibile è costituito da un materiale fissile, un composto di un elemento pesante come l’uranio o il plutonio. I nuclei di questi elementi, infatti, hanno la proprietà di andare incontro a fissione, spontaneamente o in seguito all’urto con altre particelle.

L’uranio può essere utilizzato in due forme: naturale o arricchita. L’uranio naturale contiene i diversi isotopi dell’elemento nelle stesse percentuali presenti in natura, vale a dire, più del 99% di uranio 238, una piccolissima percentuale di uranio 235 e una ancora minore di uranio 234. Dei tre, l’isotopo fissile vero e proprio è l’uranio 235; per questo, in alcuni reattori si utilizza, in luogo della miscela naturale, una miscela arricchita di uranio 235. L’uranio 238, che rappresenta la percentuale maggiore della miscela isotopica, può andare incontro a fissione solo in seguito all’urto con neutroni veloci; normalmente, invece, tende a catturare i neutroni da cui viene colpito. Ogni volta che un nucleo di uranio 238 cattura un neutrone, si trasforma in un nucleo instabile di uranio 239 che, attraverso due decadimenti beta successivi, si trasforma in plutonio 239. Quest’ultimo è anch’esso un nucleo fissile, utilizzabile come combustibile.

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Moderatore

Il moderatore è una sostanza che viene inserita nel nocciolo della maggior parte dei reattori (detti reattori lenti), per rallentare i neutroni emessi come prodotti secondari nella fissione del combustibile. La necessità di rallentare i neutroni si deve alla loro funzione di catalizzatori: urtando a una velocità opportuna contro i nuclei di uranio 235, infatti, essi possono indurre altre fissioni, permettendo l’autosostentamento delle reazioni nel nocciolo.

Perché sia massima la probabilità di urto dei neutroni con i nuclei di uranio 235, e minima la probabilità di cattura da parte dell’uranio 238, è necessario che i neutroni abbiano un’energia dell’ordine dell’energia di agitazione termica, vale a dire, di circa 0,025 eV (da qui la denomninazione di neutroni termici). Poiché l’energia a cui normalmente vengono emessi è di gran lunga maggiore (circa 2 MeV, ossia quasi 100 milioni di volte maggiore), si fa in modo che, prima di colpire i nuclei di uranio, i neutroni urtino contro le molecole di una sostanza capace di rallentarli. Tale sostanza deve avere un peso molecolare contenuto, in modo che nell’urto i neutroni possano perdere grandi quantità di energia, e una densità sufficientemente elevata; per questo, a seconda dei casi si utilizza come moderatore acqua, acqua pesante (con deuterio anziché idrogeno), o grafite.