I REATTORI A FISSIONE NUCLEARE - 1
Introduzione
Un reattore nucleare a fissione è un sistema complesso in grado
di gestire una reazione a catena in modo controllato. Esistono reattori nucleari
per la ricerca, nei quali l'energia prodotta è trascurabile e reattori
di potenza, utilizzati dalle centrali nucleari nei quali l'energia termica
prodotta sotto forma di vapore acqueo viene convertita in energia elettrica
attraverso turbine.
Allo stato attuale, tutti i reattori nucleari si basano sul processo di fissione
nucleare sebbene vi siano importanti studi su reattori a fusione nucleare
che in futuro dovrebbero sostituire o affiancare gli attuali reattori a fissione.
Storia dei reattori a fissione
Il primo reattore nucleare di cui si ha notizia è quello realizzato
dall'équipe di Enrico Fermi a Chicago, nel reattore CP-1 (Chicago Pile 1), che ottenne la prima reazione a catena controllata ed autosostenuta il 2 Dicembre 1942.
Quasi contemporaneamente venivano allestiti ad Oak Ridge altri due reattori,
l'X-10 (critico nel 1943) ed il MetLab (critico nel 1944), ambedue finalizzati
alla produzione di plutonio, il primo come unità pilota ed il secondo
per la produzione in grande scala.
Nel Dicembre 1954 il reattore di Obinisk, URSS, divenne critico e fu il primo
reattore nucleare per uso civile; esso produceva solo 5 MW elettrici, ma fu
comunque un precursore. Come i successori della filiera sovietica, era un
reattore del tipo gas-grafite, in cui il raffreddamento del nucleo veniva
assicurato da anidride carbonica e il contenimento dello stesso da blocchi
di grafite, ottimo conduttore del calore oltre che efficace moderatore del
flusso neutronico.
Nel 1954 il reattore BORAX (Borax-I) divenne critico, ma questo, non avendo
turbine, non produceva energia elettrica. Dopo l'aggiunta delle turbine (e
il cambio di nome a Borax-II) nel 1955 questo iniziò a produrre commercialmente energia elettrica, fornendo la cittadina che lo ospitava (Arco, Idaho, USA), seppure in piccola quantità (6,4 MW).
Borax, a differenza del predecessore Obinisk-1 e del successore Calder Hall,
era di tipo BWR (Boiling Water Reactor, o reattore ad acqua bollente, in cui il fluido di raffreddamento è acqua leggera). Nel 1956, infine, parte il primo reattore commerciale di grande potenza, e quindi economicamente significativo, quello di Calder Hall, in Cumbria, Regno Unito (50 MW), sempre del tipo gas-grafite.
In Italia, la prima centrale (sempre del tipo gas-grafite GEC-Magnox, acquistata dall'Inghilterra) fu quella di Latina, critica il 27 Dicembre 1962 e che produceva 210 MW, seguita da quella del Garigliano, del tipo BWR General Electric, da 160 MW e da quella di Trino Vercellese, del tipo PWR Westinghouse, da 270 MW.
Descrizione sommaria di un reattore di potenza
Qualunque sia il modello di reattore, esso ha alcune parti componenti fondamentali, come illustrato nello schema. La sorgente di energia è il nucleo di combustibile, composto da materiale fissile (tipicamente una miscela di U235 e U238) che, emettendo neutroni e subendo la fissione ad opera degli stessi, emette energia sotto forma di calore. Questo calore è asportato da un fluido diatermico (gassoso o liquido, o che subisce un cambio di fase nel processo) che lo trasporta ad un utilizzatore, quasi sempre una turbina. Un moderatore, solitamente grafite o acqua, rallenta i neutroni in modo da consentire la gestione del flusso degli stessi a mezzo delle barre di controllo, che sono barre metalliche atte ad assorbire neutroni, ovviamente senza emetterne a loro volta. Il nucleo quindi emette in continuazione una certa quantità (fissa) di neutroni, e quando i sistemi di controllo (le barre) sono sollevate (almeno parzialmente), la quantità statistica di neutroni che colpiscono un atomo di U235 è pari alla quantità di neutroni prodotti dallo stesso: questo è il cosiddetto punto di criticità del reattore. Al di sopra di questo punto il reattore si dice critico.
