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Le centrali nucleari. L'energia che scaturisce dal bombardamento dell'uranio con neutroni. Il processo di 'fissione/fusione nucleare'. Il problema della radioattivitą e delle scorie.

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Le tipologie di reattori - Stefano Monti -

Un reattore nucleare produce e controlla il rilascio di energia dalla fissione di atomi fissili di URANIO e plutonio.

Nei reattori di potenza, l’energia rilasciata viene utilizzata come calore per produrre vapore che va a generare elettricità.

Nei rettori di ricerca lo scopo principale è quello di utilizzare i neutroni prodotti nel nocciolo.

Nei reattori navali, il vapore prodotto va ad azionare direttamente una turbina per la propulsione.

I princìpi di utilizzo dell’energia originata dalla fissione del nucleo atomico per produrre elettricità sono gli stessi per la maggior parte dei vari tipi di reattore.

L’energia rilasciata dalla fissione continua degli atomi di URANIO e/o plutonio del combustibile nucleare viene sfruttato come calore che va a riscaldare il FLUIDO TERMOVETTORE (gas o acqua) a sua volta utilizzato per produrre vapore.

Il vapore va ad azionare il gruppo turbina-alternatore che genera l’elettricità immessa in rete (come avviene negli impianti alimentati con i combustibili fossili).

I componenti tipici comuni alla maggior parte dei reattori sono:

Elementi combustibili: normalmente costituiti da pastiglie di ossido di URANIO (UO2), di diametro circa 1 cm e altezza 1.5 cm, disposte in appositi tubi metallici (guaine) sigillati, a base di leghe speciali (ad es. zircaloy), a costituire le barre combustibili la cui lunghezza, per i reattori più comuni, va da 3.5 a 4 metri. Le barre sono a loro volta assemblate sotto forma di fasci, secondo un opportuno reticolo generalmente aperto, a costituire gli elementi combustibili. Gli elementi combustibili disposti in numero e geometria richiesta vanno a costituire il nocciolo (core) del reattore. Nella maggior parte dei casi, per essere utilizzato come combustibile l’uranio viene prima "arricchito" nel suo isotopo U-235 (presente solo nella misura dello 0.7% dell’uranio naturale) con opportuni procedimenti chimico-fisici;

Moderatore: serve a rallentare i neutroni rilasciati dalla fissione in modo che essi possano continuare più facilmente a sostenere la reazione a catena. Il materiale è normalmente acqua ordinaria o leggera (in questo caso esso funziona anche da refrigerante), ma può essere anche acqua pesante (ricca in deuterio) o grafite;

Barre di controllo: composte da materiale idoneo ad assorbire neutroni, che hanno la capacità di accelerare, ridurre o arrestare la reazione a catena secondo il grado di inserimento tra gli elementi di combustibile. Esse fanno parte del sistema di comando, con il quale si "pilota" la reazione a catena;

Fluido termovettore (refrigerante): che circola nel nocciolo del reattore, ove è contenuto il combustibile, con lo scopo di raffreddarlo, recuperando il calore creato dalla fissione. Nei reattori ad acqua naturale o leggera (LWR) che costituiscono la stragrande maggioranza dei reattori commerciali esistenti, l’acqua ha la duplice funzione di moderatore e refrigerante.

Recipiente a pressione (vessel): generalmente realizzato in acciaio e contiene il nocciolo del reattore e il refrigerante primario;

Generatore di vapore: parte del sistema di raffredamento ove il calore dal reattore viene utilizzato per produrre vapore per le turbine;

Contenitore esterno: è la struttura molto robusta in cui è alloggiato il recipiente in pressione, con all’interno il nocciolo del reattore, che garantisce il contenimento della radioattività al suo interno in caso di incidenti di qualsiasi genere (anche d’origine esterna al reattore, come, ad es. terremoto o caduta d’aereo). Tipicamente consiste in una struttura di cemento armato di circa 1 metro di spessore rivestito all’interno con liner di acciaio. In alcuni impianti più moderni come l’EPR, in costruzione in Finlandia e in Francia, si è adottato un doppio contenimento, con una intercapedine tra i due contenitori concentrici in cemento armato.

Esistono diverse tipologie (filiere) di reattori utilizzati nella produzione di energia nucleare, come riportato nella tabella 1 seguente.

La maggior parte dei reattori richiedono lo spegnimento per effettuare la ricarica di combustibile, dovendo procedere all’apertura del VESSEL per l’operazione. In questi casi la ricarica viene effettuata ad intervalli di 1-2 anni, e da 1/4 a 1/3 degli elementi combustibili sono rimpiazzati con elementi freschi.

Nel caso dei reattori CANDU e RBMK, in cui gli elementi combustibili sono sistemati in tubi in pressione separati, invece del VESSEL che racchiude l’intero nocciolo, la ricarica può essere fatta con il reattore in funzione, procedendo ad isolare di volta in volta ciascun tubo in pressione.

Nei reattori che utilizzano la grafite o l’acqua pesante come moderatore, è possibile far funzionare il reattore con URANIO naturale invece che arricchito. La composizione dell’uranio ha in questo caso la stessa composizione di quello di miniera (0.7% U-235 e 99.3% U-238), mentre l’uranio arricchito ha il contenuto dell’isotopo fissile (U-235) aumentata attraverso il processo di arricchimento, usualmente 3.5-5.0%. In quest’ultimo caso il moderatore può essere l’acqua naturale detta anche leggera ed i reattori che la impiegano sono detti, appunto, reattori ad acqua leggera (LWR- Light Water Reactor).