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Reattore nucleare

Reattore nucleare a fissione

In ingegneria nucleare un reattore nucleare è un sistema tecnologico in grado di innescare, alimentare e controllare una reazione nucleare.

In linea di principio un reattore nucleare è costituito da un insieme di materiali opportuni che genera energia sfruttando il principio della fissione nucleare o della fusione nucleare. Attualmente solo la fissione permette di trasformare in modo controllabile l'energia dei nuclei atomici in una forma di energia utilizzabile.

Tale energia viene liberata sotto forma di energia cinetica dei frammenti del nucleo spezzato che, nel rallentamento di questi causato dall'interazione con la materia circostante, si trasforma in energia termica.

In cosa consiste un reattore nucleare?

Un reattore consta essenzialmente di una certa quantità di 235U (nocciolo del reattore) suddiviso in sbarre immerse in un moderatore, la massa del quale è circondata da un robusto schermo di cemento che riflette verso l'interno i neutroni che tendono a evadere dall'apparecchio.

In una delle sbarre, un nucleo di uranio viene colpito da un neutrone e subisce una scissione emettendo energia e qualche neutrone: questi neutroni passano poi nel moderatore ove vengono rallentati da una successione di urti elastici.

Incontrano poi altre sbarre di uranio e vengono catturati dando origine a nuove scissioni con conseguente emissione di nuovi neutroni realizzando così la reazione a catena.

L'energia sprigionata dalla fissione si trasforma in calore ceduto al mezzo refrigerante: questo si riscalda e il calore assorbito viene trasformato in altra forma di energia.

I reattori nucleari vengono classificati in funzione dei parametri che li caratterizzano.

1) Sistema PWR (Pressurized water reactor: reattori ad acqua in pressione)

Nei reattori PWR l'acqua riscaldata nel nocciolo non vaporizza a causa dell'alta pressione (150 bar) alla quale è sottoposta e percorre il circuito primario fino allo scambiatore.

scambiatore di calore per reattore PWR

Scambiatore di calore per reattore PWR

Lo scambiatore di calore è costituito da tubi ripiegati a U, contenuti in un recipiente in pressione nel quale l'acqua calda del circuito primario entra da un lato dell'estremità inferiore, percorre i tubi a U ed esce raffreddata dall'altro lato dell'estremità inferiore.

L'acqua di alimento del circuito secondario riempie lo scambiatore fino al livello indicato, si riscalda e si trasforma in vapore che viene spinto in turbina.

2) Sistema BWR (Boiling water reactor: reattore ad acqua bollente)

In questo reattore il nocciolo e le strutture interne a esso collegate sono sistemate in un recipiente a pressione, costruito in acciaio, che costituisce lo schermo termico.

Reattore nucleare BWR

Reattore nucleare BWR.

L'acqua contenuta nel recipiente fino a un certo livello viene spinta verso il basso da eiettori, la forza di trascinamento dei quali si ottiene inviandovi una parte del refrigerante spinto dalla pompa di ricircolazione; nella parte inferiore il refrigerante inverte la sua direzione e risale entro il nocciolo ove vaporizza.

Successivamente, il vapore si surriscalda e viene poi inviato alla turbina alla pressione di circa 70 bar: poiché il vapore uscente dal reattore è debolmente radioattivo la turbina e i relativi circuiti devono essere schermati.

Lo schermo termico e il sistema di ricircolazione dell'acqua sono in un contenitore a tenuta stagna (vedi immagine seguente) composto da un conglomerato di cemento e materiale ferroso di notevole spessore (all'altezza del nocciolo lo spessore è circa 2,5 m) fasciato da una lamiera di acciaio.

Edificio reattore BWR

Edificio reattore BWR.

Il contenitore ha funzione di schermo biologico in quanto annulla le radiazioni dovute alla fissione e nella parte inferiore è munito di grossi tubi ancorati nel pavimento della camera a secco e che si immergono in una vasca piena d'acqua detta piscina di soppressione.

In caso di rottura del sistema primario del reattore in refrigerante, improvvisamente depressurizzato, tende a vaporizzare.

L'acqua residua e il vapore invadono la camera a secco per poi scaricarsi nella piscina di soppressione ove il vapore condensa.

Il complesso camera a secco e piscina di soppressione costituisce il contenitore primario; quello secondario è l'edificio stesso del reattore.

3) Sistema Magnox

In tale reattore il refrigerante è CO2 in pressione e il moderatore è grafite. Il gas viene riscaldato nel nocciolo e successivamente spinto da pompe nello scambiatore di calore ove cede calore e provoca la vaporizzazione dell'acqua leggera di un circuito secondario.

Lo scambiatore di calore non è munito di schermo biologico in quanto l'anidride carbonica non diventa radioattiva nonostante il passaggio attraverso il nocciolo.

4) Sistema ad acqua pesante

L'acqua pesante (D2O) in pressione, usata come moderatore della velocità dei neutroni in fissione e come refrigerante, viene inviata in uno scambiatore di calore ove genera la vaporizzazione dell'acqua leggera (acqua comune) di un circuito secondario e pertanto nella turbina arriva vapore non radioattivo.

Questo tipo di reattore usa uranio naturale in quanto l'acqua leggera usata nei tipi precedentemente indicati assorbe in misura notevole i neutroni di fissione che risultano pertanto scarsamente disponibili per il proseguimento del processo di fissione.

Invece l'acqua pesante contenente notevoli quantità di deuterio presenta un ridotto assorbimento di neutroni di fissione per cui si può usare uranio non arricchito.

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