Energia nucleare

La fissione nucleare rilascia una grande quantità di energia termica, consentendo la generazione di elettricità di una turbina a vapore. Il combustibile nucleare è tipicamente un nuclide fissile, come l'uranio-235, che produce in media più di un neutrone per fissione. I neutroni veloci, rilasciati dalla fissione, devono essere rallentati dai moderatori di neutroni, perché i neutroni termici iniziano le reazioni a catena nel combustibile fissile in modo più efficiente.

L'acqua è un buon moderatore, perché i nuclei di idrogeno e i neutroni hanno dimensioni comparabili, garantendo che i neutroni perdano una notevole energia cinetica nella collisione. L'acqua pesante è anche meglio, poiché il deuterio ha già un neutrone ed è improbabile che ne assorba un altro. I moderatori funzionano anche come riflettori di neutroni per mantenere i neutroni nel nucleo in una distribuzione uniforme.

Poiché la fissione spontanea dell'uranio 235 o 238 è imprevedibile, una sorgente di neutroni viene installata in un reattore per garantire l'avvio controllato della reazione a catena. Lo stato della reazione a catena è descritto dal fattore di moltiplicazione dei neutroni, k:il rapporto fra il numero di neutroni prodotti dalla fissione in una generazione e il numero di neutroni prodotti dalla fissione nella generazione precedente. Quando k è inferiore a 1, il reattore è subcritico e la produzione di energia sta diminuendo.

Quando k è 1, il reattore è critico e la produzione di energia è costante. Quando k è maggiore di 1, il reattore è supercritico e la produzione di energia è in aumento. La reazione a catena è controllata con barre di controllo realizzate con materiali che assorbono i neutroni come il boro o il cadmio.

Le barre di controllo completamente inserite assorbono un gran numero di neutroni, mantenendo il reattore subcritico. Ritirare le barre di controllo consente il verificarsi di un numero sempre maggiore di fissioni. Liquidi di raffreddamento, come l'acqua, trasferiscono il calore lontano dal nucleo del reattore per produrre vapore per la turbina.

Quando il reattore si riscalda, i neutroni si muovono più velocemente e hanno meno probabilità di causare fissioni, il che aiuta a evitare il surriscaldamento. Il nucleo è schermato da materiali come l'acqua e spessi strati di cemento. Il design complessivo del nucleo e la struttura di contenimento dipendono entrambi dal tipo specifico di reattore.