Reattore nucleare

2.3

Sistema di raffreddamento

Il sistema di raffreddamento preleva il calore prodotto nel nocciolo e lo trasferisce alle turbine. Nella maggior parte degli impianti il sistema di raffreddamento è composto da due circuiti: il calore prodotto nel nocciolo del reattore viene prelevato dal circuito primario e, attraverso uno scambiatore, viene trasferito a un circuito secondario, dove ha luogo la trasformazione in vapore; questo aziona le turbine del generatore, che produce energia elettrica. Il liquido che circola nel sistema può essere acqua o, nel caso dei reattori autofertilizzanti, un metallo liquido come il sodio.

2.4

Sistemi di controllo

Il livello di potenza di un reattore in funzione viene costantemente controllato attraverso la misurazione di una serie di parametri rilevanti come la temperatura, il flusso di calore e il livello di attività nucleare. La potenza in uscita viene regolata con l’introduzione o l’estrazione dal nocciolo delle barre di controllo, elementi costituiti da un materiale capace di assorbire neutroni. La posizione delle barre viene determinata in modo che il numero di neutroni prodotti in ogni ciclo a catena si mantenga costante, e la reazione nucleare non assuma un andamento esplosivo.

Le radiazioni prodotte dal reattore durante la fissione e dai residui dei processi dopo lo spegnimento sono assorbite da blocchi massicci di cemento posti intorno al reattore e al circuito di raffreddamento primario. Altre strutture di sicurezza includono: un sistema di raffreddamento del nucleo, per impedirne il surriscaldamento e la successiva fusione in caso di avaria del sistema di raffreddamento principale; una costruzione esterna di contenimento che blocca qualsiasi tipo di fuga di materiale radioattivo in caso di malfunzionamento dell’impianto. Durante il funzionamento, e anche dopo il suo spegnimento, un grosso reattore di potenza da 1000 MW possiede una radioattività che può arrivare ad alcuni miliardi di curie.

3

Principio di funzionamento

Un reattore a fissione raccoglie e converte in altra forma l’enorme quantità di energia liberata nelle reazioni di fissione nucleare. Ogni fissione di un nucleo di combustibile produce due o più frammenti di fissione radioattivi, una media di 2,5 - 2,8 neutroni liberi e circa 200 MeV di energia. I frammenti di fissione rimangono nel corpo del combustibile, andando a costituirne le scorie. I neutroni, invece, possono avere tre destini diversi: essere assorbiti dai frammenti di fissione o dalle strutture di confinamento presenti a protezione del combustibile e del nocciolo; urtare in modo anelastico (perdendo energia) contro nuclei di uranio 238; urtare contro altri nuclei di uranio 235 e indurne la fissione.

Se si garantisce che per ogni reazione di fissione almeno uno dei neutroni prodotti urti contro un altro nucleo di combustibile dando luogo a un’altra fissione, si realizza una reazione controllata autosostenuta e il reattore si dice “critico”. Se il numero medio di neutroni efficaci per reazione è inferiore a uno, il reattore è sottocritico, e la reazione è destinata a esaurirsi; se, invece, il numero di neutroni è maggiore di uno, a ogni passo aumenta il numero di reazioni di fissione prodotte e il processo tende a degenerare in un’esplosione.

4

Tipi di reattori

Esistono diversi tipi di reattori a fissione, a seconda del tipo di combustibile, della sua collocazione rispetto al moderatore (omogenea o eterogenea), del tipo di moderatore e del liquido circolante nel sistema di raffreddamento. La maggior parte dei reattori commerciali sono del tipo termico (funzionano con neutroni lenti) ed eterogeneo (con il combustibile separato dal moderatore).

In genere si classificano tutti i tipi di reattori in quattro grandi gruppi: ad acqua leggera, ad acqua pesante, a grafite e i reattori veloci.

4.1

Reattori ad acqua leggera

I reattori ad acqua leggera (Light Water Reactor, LWR) sono oggi i più diffusi nel mondo per la produzione di energia elettrica. Richiedono come combustibile l’uranio arricchito – generalmente ossido di uranio al 3% di ²³⁵U – in forma di barre disposte in fasci. Ne esistono due varianti: quella ad acqua pressurizzata (PWR, Preesurized Water Reactor) e quella ad acqua bollente (BWR, Boiling Water Reactor).

Nei reattori ad acqua pressurizzata, l’acqua funziona sia da moderatore che da refrigerante. Viene portata a una pressione altissima, di circa 150 atm, e pompata nel nocciolo del reattore dove, per effetto del calore prodotto dalle reazioni di fissione, raggiunge la temperatura di circa 325 °C. Incanalata attraverso un apposito circuito, l’acqua cede il calore accumulato a un circuito secondario; all’interno di questo secondo circuito, l’acqua viene riscaldata e convertita in vapore, per azionare i generatori a turbina. Il circuito secondario è isolato dal nucleo del reattore, perciò non è radioattivo. Chiude il ciclo un terzo circuito, che fa circolare acqua proveniente da un fiume, un lago o una torre di raffreddamento. La potenza sviluppata è di circa 1000 MW.

Nel reattore ad acqua bollente, l’acqua è mantenuta a pressione piuttosto bassa (circa 70 atm), per cui entra in ebollizione già all’interno del nocciolo. Il vapore prodotto viene mandato direttamente al generatore a turbina, condensato e quindi ripompato nel reattore. Come nei reattori PWR, infine, l’acqua di raffreddamento del condensatore proviene da un’altra fonte, come un fiume o un lago. In questo tipo di reattore, quindi, il vapore è radioattivo, perché non è presente uno scambiatore intermedio di calore tra reattore e turbina; l’impianto ha tuttavia il vantaggio di una maggiore efficienza del PWR.