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19.7:

Energia nucleare

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Nuclear Power

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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.

19.7:

Energia nucleare

Le reazioni di fissione nucleare controllata sono utilizzate per generare elettricità. Ogni reattore nucleare che produce energia attraverso la fissione di uranio o plutonio mediante bombardamento con neutroni ha sei componenti: combustibile nucleare costituito da materiale fissile, moderatore nucleare, sorgente di neutroni, barre di controllo, refrigerante del reattore e sistema di scudo e contenimento.

Combustibili nucleari

Il combustibile nucleare è costituito da un isotopo fissile, come l’uranio-235, che deve essere presente in quantità sufficiente a fornire una reazione a catena autosufficiente. Nella maggior parte dei reattori ad acqua pressurizzata, ogni assemblaggio del combustibile è costituito da barre di combustibile che contengono molti pellet di combustibile di dimensioni ditale, racchiusi in ceramica e arricchiti (di solito UO2). I moderni reattori nucleari possono contenere fino a 10 milioni di pellet di combustibile.

L’uranio-235 è un combustibile utile perché produce in media più di un neutrone per fissione, ma la sua abbondanza naturale è di circa lo 0,7% in peso. La maggior parte dei reattori di potenza richiede che il loro combustibile sia arricchito ad almeno il 3-5% di uranio-235 in peso.

Moderatori nucleari

I neutroni prodotti dalle reazioni nucleari si muovono troppo velocemente per causare la fissione U-235 in modo affidabile. In primo luogo, devono essere rallentati per essere assorbiti dal combustibile e produrre ulteriori reazioni nucleari. Un moderatore nucleare è una sostanza che rallenta i neutroni ad una velocità abbastanza bassa da causare fissione. I primi reattori utilizzavano la grafite ad alta purezza come moderatore. I reattori moderni in genere usano acqua pesante o acqua leggera come moderatori.

Poiché i neutroni hanno una dimensione simile a quella dei nuclei di idrogeno, quando colpiscono gli atomi di idrogeno nelle molecole d’acqua, perdono una notevole quantità di energia cinetica. L’acqua pesante è un moderatore migliore, poiché il deuterio ha già un neutrone ed è improbabile che assorba un altro neutrone come a volte farà l’idrogeno-1. Moderatori come l’acqua e la grafite funzionano anche come riflettore di neutroni per mantenere i neutroni nel nucleo in una distribuzione uniforme.

Sorgente di neutroni

Sebbene l’uranio-238 e la fissione uranio-235 si fissino spontaneamente, il processo è imprevedibile e queste fonti intrinseche generano pochissimi neutroni. Pertanto, un reattore richiede un emettitore di neutroni per avviare la reazione a catena di fissione. Una sorgente di neutroni come il berillio-9 accoppiata con un emettitore alfa come l’americio-249 o il plutonio-239 è installata in un reattore per produrre neutroni per l’inizio della reazione a catena.

Barre di controllo

Il livello di potenza del reattore è descritto dal fattore di moltiplicazione neutronica, indicato per k. È il rapporto tra il numero di neutroni prodotti dalla fissione in una generazione e il numero di neutroni prodotti dalla fissione nella generazione precedente.

Quando k è minore di 1, il reattore è sottocritico e la produzione di energia sta diminuendo; quando k è uguale a 1, il reattore è critico e la produzione di energia è costante; e quando k è maggiore di 1, il reattore è supercritico e la produzione di energia è in aumento.

I reattori nucleari utilizzano barre di controllo per controllare la velocità di fissione del combustibile nucleare regolando il numero di neutroni lenti presenti per mantenere la velocità della reazione a catena ad un livello sicuro. Le barre di controllo sono fatte di boro, cadmio, afnio o altri elementi in grado di assorbire neutroni.

Quando i gruppi di barre di controllo vengono inseriti nell’elemento di combustibile nel nocciolo del reattore, assorbono una frazione maggiore dei neutroni lenti, rallentando così la velocità della reazione di fissione e diminuendo la potenza prodotta. Al contrario, se le barre di controllo vengono rimosse, si assorbe meno neutroni e aumenta la velocità di fissione e la produzione di energia. In caso di emergenza, la reazione a catena può essere arrestata inserendo completamente tutte le barre di controllo nel nucleo nucleare tra le barre di combustibile.

Refrigeranti del reattore

In un reattore ad acqua pressurizzata, il refrigerante del reattore viene utilizzato per trasportare il calore prodotto dalla reazione di fissione ad una caldaia esterna e a una turbina, dove viene trasformato in elettricità. Due anelli di refrigerante che si scambiano calore vengono spesso utilizzati per impedire il trasferimento di refrigerante contaminato alla turbina a vapore e alla torre di raffreddamento. Più comunemente, l’acqua viene utilizzata come refrigerante. Altri refrigeranti in reattori specializzati includono sodio fuso, piombo, una miscela piombo-bismuto o sali fusi. Una grande torre di raffreddamento iperboloide condensa il vapore nel circuito di raffreddamento secondario e si trova spesso a una certa distanza dal reattore reale.

Sistema di scudo e contenimento

I reattori ad acqua pressurizzata sono dotati di un sistema di contenimento (o scudo) che tipicamente consiste di tre parti: (i) un guscio d’acciaio dello spessore di 3-20 centimetri; il moderatore all’interno del guscio assorbe gran parte della radiazione neutronica prodotta dal reattore; — uno scudo principale di 1-3 metri di calcestruzzo ad alta densità che assorbe i γ e i raggi X; — schermatura supplementare per assorbire le radiazioni incidente provenienti dai processi di schermatura di i) e ii). Inoltre, i reattori ad acqua pressurizzata sono spesso coperti da una cupola di acciaio o cemento progettata per contenere qualsiasi materiale radioattivo che potrebbe essere rilasciato da un incidente del reattore.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 21.4: Trasmutazione ed Energia Nucleare.