Reattori nucleari di nuova generazione - fisica/mente

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Reattori nucleari di nuova generazione 2 1 Descrizione e funzionamento di un reattore nucleare (di Descrizione e funzionamento di un reattore nucleare) Il combustibile nucleare sotto la forma di piccole pastiglie (pellets) di biossido di uranio è incapsulato all’interno di barre di zircaloy (lega a base di zirconio). A loro volta le barre di combustibile sono raggruppate in schiere per esempio da 17x17 a costituire il singolo elemento di combustibile. Circa duecento di questi elementi, distribuiti geometricamente in modo opportuno, formano il nocciolo del reattore. Quando un neutrone colpisce un nucleo di uranio 235(composto cioè da 92 protoni e 143 neutroni) ne provoca la fissione, ossia il nucleo si frantuma in due costituenti più leggeri con l’emissione di due o tre neutroni. Questi nuovi neutroni emessi possono colpire altri nuclei di 235 U, provocando altre fissioni e innescando quindi la reazione a catena, oppure possono essere assorbiti da materiale inerte come il cadmio o sfuggire dal perimetro del nocciolo: in entrambi i casi non generano altre reazioni di fissione e non contribuiscono al sostentamento della reazione a catena. Quando all’interno del nocciolo vengono inserite le barre di controllo, costituite da elementi che assorbono i neutroni, la reazione a catena tende ad estinguersi e la potenza termica prodotta può essere controllata fino eventualmente allo spegnimento totale del reattore. Un dossier di Claudio Sartori, aggiornato al 03.03.2006 Non tutti gli isotopi dell’uranio sono però fissili: per esempio l’isotopo più abbondante di questo elemento, che ha numero di massa 238 (92 protoni e 146 neutroni), non si spacca se viene colpito da un neutrone, ma si trasforma in plutonio 239, che invece è fissile. Tali isotopi sono detti fertili, poiché pur non essendo fissionabili, quando assorbono un neutrone, si trasformano in un isotopo fissile. Generalmente un isotopo che ha numero di massa dispari e che assorbe un neutrone ha una probabilità di generare una fissione molto maggiore di quella di un isotopo di numero di massa pari. Vi è tuttavia un altro fattore che deve essere tenuto in considerazione per poter innescare la reazione a catena. I neutroni che vengono prodotti dalla reazione di fissione hanno velocità elevatissime (superiori a 70 milioni di km/h). In queste condizioni la probabilità che un neutrone colpisca un nucleo è bassissima: per poterla aumentare è necessario diminuire la velocità della particella. A questo scopo il nocciolo è immerso in un mezzo moderatore di neutroni: ad esempio l’idrogeno contenuto nella molecola dell’acqua naturale assolve bene a questo scopo. Se immaginiamo che il neutrone sia una palla da biliardo che urta contro un’altra palla pressoché identica, si verifica che il neutrone trasferisce la maggior parte della sua energia cinetica al protone (nucleo di idrogeno), rallentando quindi notevolmente la sua corsa. Se invece il neutrone urtasse contro una particella molto più massiccia di lui, semplicemente rimbalzerebbe via in un’altra direzione senza alcuna diminuzione apprezzabile della sua velocità. In seguito alle collisioni con i nuclei dell’idrogeno presenti nell’acqua il neutrone diventa termico, ciò significa che la sua velocità si è ridotta a valori dell’ordine di 8000 km/h: in questo regime è alta la probabilità che il neutrone durante il suo cammino incontri un nucleo fissile. http://www.torinoscienza.it/ c○ 2002 Provincia di Torino
Reattori nucleari di nuova generazione 3 Le reazioni di fissione producono calore che viene raccolto dal liquido refrigerante in cui è immerso il nocciolo: nel caso dei reattori PWR il refrigerante è acqua naturale che funge anche da moderatore di neutroni. Esistono tuttavia soluzioni diverse che utilizzano come refrigerante un gas, l’anidride carbonica, e come moderatore la grafite. In altri tipi di reattore viene impiegata l’acqua pesante (deuterio al posto dell’idrogeno nella molecola dell’acqua) e in altri ancora si utilizza come moderatore e refrigerante un metallo allo stato liquido come il sodio (reattori a spettro veloce). Il calore asportato dal nocciolo del reattore aumenta la temperatura del liquido refrigerante che fluisce per mezzo di opportune pompe nel circuito primario, dove viene convogliato in uno scambiatore di calore in cui cede il suo carico termico al fluido circolante nel circuito secondario. In questo secondo circuito viene generato il vapore che farà muovere le pale della turbina, la quale trasferirà la propria energia cinetica all’alternatore che la trasformerà in energia elettrica. 2 Le quattro generazioni dei reattori Gli impianti nucleari sono stati suddivisi in quattro generazioni. Alla generazione I appartengono i primi prototipi di reattore costruiti a cavallo tra gli anni 40 e 50 principalmente con lo scopo di dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica di un impianto nucleare per la produzione di energia elettrica. Le centrali attualmente in esercizio apparten- Un dossier di Claudio Sartori, aggiornato al 03.03.2006 gono invece alla generazione II e sono caratterizzate dal fatto di avere una grande stazione centrale. Proprio gli incidenti di Three Mile Island negli anni settanta e di Chernobyl dieci anni dopo hanno dato la spinta per progettare centrali a sicurezza intrinseca (generazione III). In questa generazione di reattori si introduce una notevole semplificazione impiantistica riducendo il numero dei circuiti e componenti e conseguentemente abbassando la probabilità di guasti. Inoltre viene introdotto un sistema addizionale di spegnimento del reattore completamente passivo: l’ATSS (Additional Temperature-actuated Scram System) in virtù del quale ogni qual volta la temperatura del nocciolo dovesse superare un determinato valore, solamente in base alla dilatazione termica di particolari sensori verrebbe attuato il sistema di leve che sgancia e inserisce per caduta le barre di controllo nel nocciolo, senza bisogno di apporto di energia o di un operatore esterno. I reattori di questa generazione non hanno però avuto una grande diffusione e solamente nel 1999 gli Stati Uniti, attraverso il loro Department of Energy, hanno dato il via al programma Generation IV allo scopo di progettare dei reattori nucleari di nuova concezione che assicurino la sostenibilità ambientale, la sicurezza e la competitività dal punto di vista economico rispetto alle altre fonti di energia. A tale programma hanno aderito altre otto nazioni: Argentina, Brasile, Canada, Francia, Giappone, Sudafrica, Corea del Sud e Gran Bretagna. La Russia è parte attiva nei progetti che riguardano i reattori a spettro veloce. 3 Reattori raffreddati a gas Si è detto nelle sezioni precedenti che esistono, sebbene in numero limitato, dei reattori che adottano come fluido refrigerante un gas: l’anidride carbonica o l’elio. Per la generazione IV è in fase di progettazione il reattore a letto di sfere, raffreddato ad elio, di cui un prototipo dovrebbe incominciare a funzionare nel 2006 in Sudafrica. http://www.torinoscienza.it/ c○ 2002 Provincia di Torino
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