Il dispositivo e il principio di funzionamento di un reattore nucleare si basano sull'inizializzazione e sul controllo di una reazione nucleare autosufficiente. Viene utilizzato come strumento di ricerca, per la produzione di isotopi radioattivi e come fonte di energia per le centrali nucleari.
Reattore nucleare: come funziona (in breve)
Qui viene utilizzato il processo di fissione nucleare, in cui un nucleo pesante si rompe in due frammenti più piccoli. Questi frammenti sono in uno stato altamente eccitato ed emettono neutroni, altre particelle subatomiche e fotoni. I neutroni possono causare nuove fissioni, a seguito delle quali vengono emessi più neutroni e così via. Una tale serie continua e autosufficiente di scissioni è chiamata reazione a catena. Allo stesso tempo, viene rilasciata una grande quantità di energia, la cui produzione è finalizzata all'utilizzo delle centrali nucleari.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare e di una centrale nucleare è tale che circa l'85% dell'energia di fissione viene rilasciata entro un brevissimo periodo di tempo dall'inizio della reazione. Il resto è prodotto inil risultato del decadimento radioattivo dei prodotti di fissione dopo che hanno emesso neutroni. Il decadimento radioattivo è il processo mediante il quale un atomo raggiunge uno stato più stabile. Continua anche dopo che la divisione è stata completata.
In una bomba atomica, la reazione a catena aumenta di intensità fino a quando la maggior parte del materiale viene scissa. Ciò accade molto rapidamente, producendo le potentissime esplosioni caratteristiche di tali bombe. Il dispositivo e il principio di funzionamento di un reattore nucleare si basano sul mantenimento di una reazione a catena a un livello controllato, quasi costante. È progettato in modo tale da non poter esplodere come una bomba atomica.
Reazione a catena e criticità
La fisica di un reattore a fissione nucleare è che la reazione a catena è determinata dalla probabilità di fissione nucleare dopo l'emissione di neutroni. Se la popolazione di quest'ultimo diminuisce, il tasso di fissione alla fine scenderà a zero. In questo caso, il reattore sarà in uno stato subcritico. Se la popolazione di neutroni viene mantenuta a un livello costante, la velocità di fissione rimarrà stabile. Il reattore sarà in condizioni critiche. E infine, se la popolazione di neutroni cresce nel tempo, la velocità e la potenza di fissione aumenteranno. Il nucleo diventerà supercritico.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare è il seguente. Prima del suo lancio, la popolazione di neutroni era vicina allo zero. Gli operatori quindi rimuovono le barre di controllo dal nucleo, aumentando la fissione nucleare, che si traduce temporaneamentereattore allo stato supercritico. Raggiunta la potenza nominale, gli operatori restituiscono parzialmente le barre di comando, regolando il numero di neutroni. In futuro, il reattore viene mantenuto in uno stato critico. Quando deve essere fermato, gli operatori inseriscono completamente le aste. Questo sopprime la fissione e porta il nucleo a uno stato subcritico.
Tipi di reattori
La maggior parte delle installazioni nucleari del mondo genera energia, generando il calore necessario per far girare le turbine che azionano i generatori di energia elettrica. Ci sono anche molti reattori di ricerca e alcuni paesi hanno sottomarini a propulsione nucleare o navi di superficie.
Centrali elettriche
Ci sono diversi tipi di reattori di questo tipo, ma il design ad acqua leggera ha trovato ampia applicazione. A sua volta, può utilizzare acqua pressurizzata o acqua bollente. Nel primo caso, il liquido ad alta pressione viene riscaldato dal calore del nucleo ed entra nel generatore di vapore. Lì, il calore del circuito primario viene trasferito al secondario, che contiene anche acqua. Il vapore eventualmente generato funge da fluido di lavoro nel ciclo della turbina a vapore.
Il reattore di tipo bollente funziona secondo il principio di un ciclo energetico diretto. L'acqua, passando attraverso la zona attiva, viene portata a ebollizione a un livello di pressione medio. Il vapore saturo passa attraverso una serie di separatori ed essiccatori situati nel recipiente del reattore, che lo porta astato surriscaldato. Il vapore acqueo surriscaldato viene quindi utilizzato come fluido di lavoro per far girare una turbina.
Raffreddamento a gas ad alta temperatura
Il reattore raffreddato a gas ad alta temperatura (HTGR) è un reattore nucleare il cui principio di funzionamento si basa sull'uso di una miscela di grafite e microsfere di combustibile come combustibile. Ci sono due design in competizione:
- Sistema "filler" tedesco che utilizza celle a combustibile sferiche da 60 mm di diametro, che sono una miscela di grafite e carburante in un guscio di grafite;
- Versione americana sotto forma di prismi esagonali di grafite che si incastrano per formare una zona attiva.
In entrambi i casi, il liquido di raffreddamento è costituito da elio a una pressione di circa 100 atmosfere. Nel sistema tedesco, l'elio passa attraverso le fessure nello strato di elementi combustibili sferici e, nel sistema americano, attraverso fori nei prismi di grafite situati lungo l'asse della zona centrale del reattore. Entrambe le opzioni possono funzionare a temperature molto elevate, poiché la grafite ha una temperatura di sublimazione estremamente elevata, mentre l'elio è completamente inerte chimicamente. L'elio caldo può essere applicato direttamente come fluido di lavoro in una turbina a gas ad alta temperatura, oppure il suo calore può essere utilizzato per generare vapore nel ciclo dell'acqua.
Reattore nucleare a metallo liquido: schema e principio di funzionamento
I reattori a neutroni veloci con refrigerante al sodio hanno ricevuto molta attenzione negli anni '60 e '70. Quindisembrava che la loro capacità di riprodurre combustibile nucleare nel prossimo futuro fosse necessaria per la produzione di combustibile per l'industria nucleare in rapido sviluppo. Quando negli anni '80 divenne chiaro che questa aspettativa non era realistica, l'entusiasmo svanì. Tuttavia, numerosi reattori di questo tipo sono stati costruiti negli Stati Uniti, in Russia, in Francia, in Gran Bretagna, in Giappone e in Germania. La maggior parte di essi funziona con biossido di uranio o la sua miscela con biossido di plutonio. Negli Stati Uniti, invece, il maggior successo è stato con i combustibili metallici.
CANDU
Il Canada ha concentrato i suoi sforzi sui reattori che utilizzano uranio naturale. Ciò elimina la necessità del suo arricchimento di ricorrere ai servizi di altri paesi. Il risultato di questa politica fu il reattore deuterio-uranio (CANDU). Il controllo e il raffreddamento al suo interno sono effettuati da acqua pesante. Il dispositivo e il principio di funzionamento di un reattore nucleare consiste nell'utilizzare un serbatoio con RE2O freddo a pressione atmosferica. Il nucleo è perforato da tubi in lega di zirconio con combustibile di uranio naturale, attraverso i quali l'acqua pesante lo raffredda. L'elettricità viene prodotta trasferendo il calore di fissione nell'acqua pesante al refrigerante che viene fatto circolare attraverso il generatore di vapore. Il vapore nel circuito secondario passa quindi attraverso il normale ciclo della turbina.
Installazioni di ricerca
Per la ricerca scientifica, viene spesso utilizzato un reattore nucleare, il cui principio è utilizzare il raffreddamento ad acqua eelementi combustibili di uranio lamellare sotto forma di assiemi. Capace di funzionare su un'ampia gamma di livelli di potenza, da pochi kilowatt a centinaia di megawatt. Poiché la generazione di energia non è il compito principale dei reattori di ricerca, sono caratterizzati dall'energia termica generata, dalla densità e dall'energia nominale dei neutroni nel nucleo. Sono questi parametri che aiutano a quantificare la capacità di un reattore di ricerca di condurre indagini specifiche. I sistemi a bassa potenza sono in genere utilizzati nelle università per scopi didattici, mentre i sistemi ad alta potenza sono necessari nei laboratori di ricerca e sviluppo per i test sui materiali e le prestazioni e la ricerca generale.
Il reattore nucleare di ricerca più comune, la cui struttura e principio di funzionamento sono i seguenti. La sua zona attiva si trova sul fondo di una grande pozza d'acqua profonda. Ciò semplifica l'osservazione e il posizionamento dei canali attraverso i quali possono essere diretti i fasci di neutroni. A bassi livelli di potenza, non è necessario spurgare il liquido di raffreddamento, poiché la convezione naturale del liquido di raffreddamento fornisce una dissipazione del calore sufficiente per mantenere una condizione operativa sicura. Lo scambiatore di calore si trova solitamente sulla superficie o nella parte superiore della piscina dove si accumula l'acqua calda.
Installazioni navali
L'uso originale e principale dei reattori nucleari è nei sottomarini. Il loro principale vantaggio èche, a differenza dei sistemi di combustione di combustibili fossili, non necessitano di aria per generare elettricità. Pertanto, un sottomarino nucleare può rimanere immerso per lunghi periodi di tempo, mentre un sottomarino diesel-elettrico convenzionale deve periodicamente salire in superficie per avviare i suoi motori in aria. L'energia nucleare dà un vantaggio strategico alle navi della Marina Militare. Elimina la necessità di fare rifornimento nei porti stranieri o da petroliere vulnerabili.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare su un sottomarino è classificato. Tuttavia, è noto che negli Stati Uniti utilizza uranio altamente arricchito e il rallentamento e il raffreddamento vengono effettuati dall'acqua leggera. Il progetto del primo reattore del sottomarino nucleare USS Nautilus è stato fortemente influenzato da potenti strutture di ricerca. Le sue caratteristiche uniche sono un margine di reattività molto ampio, che garantisce un lungo periodo di funzionamento senza fare rifornimento e la possibilità di ripartire dopo uno stop. La centrale elettrica nei sottomarini deve essere molto silenziosa per evitare il rilevamento. Per soddisfare le esigenze specifiche delle diverse classi di sottomarini, sono stati creati diversi modelli di centrali elettriche.
Le portaerei della US Navy utilizzano un reattore nucleare, il cui principio si crede sia stato preso in prestito dai più grandi sottomarini. Anche i dettagli del loro design non sono stati rilasciati.
Oltre agli Stati Uniti, Regno Unito, Francia, Russia, Cina e India hanno sottomarini nucleari. In ogni caso, il design non è stato divulgato, ma si ritiene che siano tutti molto simili: questoè conseguenza degli stessi requisiti per le loro caratteristiche tecniche. La Russia ha anche una piccola flotta di rompighiaccio a propulsione nucleare che hanno gli stessi reattori dei sottomarini sovietici.
Installazioni industriali
Per la produzione di plutonio-239 per armi, viene utilizzato un reattore nucleare, il cui principio è un'elevata produttività con un basso livello di produzione di energia. Ciò è dovuto al fatto che una lunga permanenza di plutonio nel nucleo porta all'accumulo di 240Pu.
indesiderati
Produzione di trizio
Attualmente, il materiale principale prodotto da tali sistemi è il trizio (3H o T), la carica per le bombe all'idrogeno. Il plutonio-239 ha una lunga emivita di 24.100 anni, quindi i paesi con arsenali di armi nucleari che utilizzano questo elemento tendono ad averne più del necessario. A differenza di 239Pu, il trizio ha un'emivita di circa 12 anni. Pertanto, per mantenere le forniture necessarie, questo isotopo radioattivo dell'idrogeno deve essere prodotto continuamente. Negli Stati Uniti, Savannah River, nella Carolina del Sud, ad esempio, ha diversi reattori ad acqua pesante che producono trizio.
Unità di potenza flottanti
Sono stati creati reattori nucleari in grado di fornire elettricità e riscaldamento a vapore ad aree remote e isolate. In Russia, ad esempio, hanno trovato applicazionepiccole centrali elettriche progettate specificamente per servire le comunità artiche. In Cina, un impianto HTR-10 da 10 MW fornisce calore ed elettricità all'istituto di ricerca in cui si trova. Piccoli reattori controllati con capacità simili sono in fase di sviluppo in Svezia e Canada. Tra il 1960 e il 1972, l'esercito degli Stati Uniti ha utilizzato reattori ad acqua compatti per alimentare basi remote in Groenlandia e in Antartide. Sono state sostituite da centrali elettriche a petrolio.
Esplorazione spaziale
Inoltre, sono stati sviluppati reattori per l'alimentazione e il movimento nello spazio. Tra il 1967 e il 1988, l'Unione Sovietica ha installato piccole installazioni nucleari sui satelliti Kosmos per alimentare apparecchiature e telemetria, ma questa politica è diventata oggetto di critiche. Almeno uno di questi satelliti è entrato nell'atmosfera terrestre, provocando la contaminazione radioattiva di aree remote del Canada. Gli Stati Uniti hanno lanciato un solo satellite a propulsione nucleare nel 1965. Tuttavia, continuano a essere sviluppati progetti per il loro utilizzo nei voli nello spazio profondo, nell'esplorazione con equipaggio di altri pianeti o su una base lunare permanente. Sarà necessariamente un reattore nucleare raffreddato a gas o metallo liquido, i cui principi fisici forniranno la temperatura più alta possibile necessaria per ridurre al minimo le dimensioni del radiatore. Inoltre, un reattore spaziale dovrebbe essere il più compatto possibile per ridurre al minimo la quantità di materiale utilizzatoschermatura e per ridurre il peso durante il lancio e il volo spaziale. La riserva di carburante garantirà il funzionamento del reattore per l'intero periodo del volo spaziale.
