Reattore nucleare, principio di funzionamento, funzionamento di un reattore nucleare. Il primo reattore nucleare: chi lo ha inventato

Costruito sotto le tribune occidentali campo da calcio dall'Università di Chicago e acceso il 2 dicembre 1942, il Chicago Pile-1 (CP-1) è stato il primo reattore nucleare al mondo. Era costituito da blocchi di grafite e uranio e aveva anche barre di controllo di cadmio, indio e argento, ma non aveva protezione dalle radiazioni o sistema di raffreddamento. Il direttore scientifico del progetto, il fisico Enrico Fermi, descrisse CP-1 come "un mucchio umido di mattoni neri e tronchi di legno".

I lavori sul reattore iniziarono il 16 novembre 1942. è stato fatto lavoro duro. I fisici e il personale universitario lavoravano 24 ore su 24. Hanno costruito un reticolo di 57 strati di ossido di uranio e lingotti di uranio incorporati in blocchi di grafite. Un telaio di legno sosteneva la struttura. La protetta di Fermi, Leona Woods, l'unica donna coinvolta nel progetto, ha effettuato misurazioni attente man mano che la pila cresceva.

Il 2 dicembre 1942 il reattore era pronto per i test. Conteneva 22.000 lingotti di uranio e utilizzava 380 tonnellate di grafite, oltre a 40 tonnellate di ossido di uranio e sei tonnellate di uranio metallico. Per costruire il reattore ci sono voluti 2,7 milioni di dollari. L'esperimento è iniziato alle 09:45. Hanno partecipato 49 persone: Fermi, Compton, Szilard, Zinn, Heberry, Woods, un giovane falegname che produceva blocchi di grafite e barre di cadmio, medici, studenti comuni e altri scienziati.

Tre persone costituivano la “squadra suicida”: facevano parte del sistema di sicurezza. Il loro compito era spegnere l'incendio se qualcosa fosse andato storto. C'era anche il controllo: aste di controllo manovrate manualmente e un'asta di emergenza legata alla ringhiera del balcone sopra il reattore. In caso di emergenza, la corda doveva essere tagliata da una persona appositamente in servizio sul balcone e l'asta spegneva la reazione.

Alle 15:53, per la prima volta nella storia, iniziò una reazione nucleare a catena autosufficiente. L'esperimento è stato un successo. Il reattore ha funzionato per 28 minuti.

Progettazione e principio di funzionamento

Meccanismo di rilascio dell'energia

La trasformazione di una sostanza è accompagnata dal rilascio di energia gratuita solo se la sostanza ha una riserva di energia. Quest'ultimo significa che le microparticelle di una sostanza si trovano in uno stato con un'energia di riposo maggiore che in un altro possibile stato verso il quale esiste una transizione. Una transizione spontanea è sempre impedita da una barriera energetica, per superare la quale la microparticella deve ricevere una certa quantità di energia dall'esterno - energia di eccitazione. La reazione esoenergetica consiste nel fatto che nella trasformazione successiva all'eccitazione viene rilasciata più energia di quella necessaria per eccitare il processo. Esistono due modi per superare la barriera energetica: o grazie all'energia cinetica delle particelle in collisione, oppure grazie all'energia di legame della particella che si unisce.

Se teniamo presente la scala macroscopica del rilascio di energia, allora tutte o inizialmente almeno una parte delle particelle della sostanza devono avere l'energia cinetica necessaria per eccitare le reazioni. Ciò è ottenibile solo aumentando la temperatura del mezzo fino a un valore al quale l'energia del movimento termico si avvicina alla soglia energetica che limita il corso del processo. Nel caso delle trasformazioni molecolari, cioè reazioni chimiche, tale aumento è solitamente di centinaia di Kelvin, ma nel caso delle reazioni nucleari è almeno di 10 7 a causa dell'altissima altezza delle barriere di Coulomb dei nuclei in collisione. L'eccitazione termica delle reazioni nucleari viene effettuata in pratica solo durante la sintesi dei nuclei più leggeri, in cui le barriere di Coulomb sono minime (fusione termonucleare).

L'eccitazione mediante l'unione delle particelle non richiede molto energia cinetica, e, quindi, non dipende dalla temperatura del mezzo, poiché si verifica a causa di legami non utilizzati inerenti alle particelle di forze attrattive. Ma per suscitare reazioni sono necessarie le particelle stesse. E se intendiamo ancora una volta non un atto di reazione separato, ma la produzione di energia su scala macroscopica, ciò è possibile solo quando si verifica una reazione a catena. Quest'ultimo si verifica quando le particelle che eccitano la reazione ricompaiono come prodotti di una reazione esoenergetica.

Progetto

Qualsiasi reattore nucleare è costituito dalle seguenti parti:

Nucleo con combustibile nucleare e moderatore;
Riflettore di neutroni che circonda il nucleo;
Sistema di controllo della reazione a catena, inclusa la protezione di emergenza;
Protezione dalle radiazioni;
Sistema di controllo remoto.

Principi fisici di funzionamento

Vedi anche gli articoli principali:

Lo stato attuale di un reattore nucleare può essere caratterizzato dall'effettivo fattore di moltiplicazione dei neutroni K o reattività ρ , che sono legati dalla seguente relazione:

I seguenti valori sono tipici per queste quantità:

K> 1 - la reazione a catena aumenta nel tempo, il reattore è dentro supercritico stato, la sua reattività ρ > 0;
K < 1 - реакция затухает, реактор - subcritico, ρ < 0;
K = 1, ρ = 0 - il numero di fissioni nucleari è costante, il reattore è in una stalla critico condizione.

Condizione di criticità per un reattore nucleare:

, Dove

L'inversione del fattore di moltiplicazione all'unità si ottiene bilanciando la moltiplicazione dei neutroni con le loro perdite. In realtà ci sono due ragioni per le perdite: la cattura senza fissione e la fuga di neutroni al di fuori del mezzo di allevamento.

È ovvio che k< k 0 , поскольку в конечном объёме вследствие утечки потери нейтронов обязательно больше, чем в бесконечном. Поэтому, если в веществе данного состава k 0 < 1, то цепная самоподдерживающаяся реакция невозможна как в бесконечном, так и в любом конечном объёме. Таким образом, k 0 определяет принципиальную способность среды размножать нейтроны.

k 0 per i reattori termici può essere determinato mediante la cosiddetta “formula dei 4 fattori”:

, Dove

η è la resa dei neutroni per due assorbimenti.

I volumi dei moderni reattori di potenza possono raggiungere centinaia di m³ e sono determinati principalmente non dalle condizioni di criticità, ma dalla capacità di rimozione del calore.

Volume critico reattore nucleare: il volume del nocciolo del reattore in uno stato critico. Massa critica- la massa del materiale fissile del reattore che si trova in uno stato critico.

I reattori in cui il combustibile sono soluzioni acquose di sali di isotopi fissili puri con un riflettore di neutroni ad acqua hanno la massa critica più bassa. Per 235 U questa massa è 0,8 kg, per 239 Pu - 0,5 kg. È ampiamente noto, tuttavia, che la massa critica del reattore LOPO (il primo reattore al mondo per uranio arricchito), dotato di un riflettore all'ossido di berillio, era di 0,565 kg, nonostante il grado di arricchimento dell'isotopo 235 fosse solo leggermente superiore superiore al 14%. Teoricamente ha la massa critica più piccola, per cui questo valore è di soli 10 g.

Per ridurre la perdita di neutroni, al nucleo viene data una forma sferica o quasi sferica, ad esempio un cilindro corto o un cubo, poiché queste figure hanno il rapporto tra superficie e volume più piccolo.

Nonostante il fatto che il valore (e - 1) sia solitamente piccolo, il ruolo dell'allevamento veloce di neutroni è piuttosto ampio, poiché per i grandi reattori nucleari (K ∞ - 1)<< 1. Без этого процесса было бы невозможным создание первых графитовых реакторов на естественном уране.

Per avviare una reazione a catena, di solito sono sufficienti i neutroni prodotti durante la fissione spontanea dei nuclei di uranio. È anche possibile utilizzare una sorgente esterna di neutroni per avviare il reattore, ad esempio una miscela di e/o altre sostanze.

Pozzo di iodio

Articolo principale: fossa di iodio

La fossa di iodio è uno stato di un reattore nucleare dopo lo spegnimento, caratterizzato dall'accumulo dell'isotopo xenon di breve durata. Questo processo porta alla comparsa temporanea di una significativa reattività negativa, che, a sua volta, rende impossibile portare il reattore alla capacità prevista entro un certo periodo (circa 1-2 giorni).

Classificazione

Intenzionalmente

In base alla natura del loro utilizzo, i reattori nucleari sono suddivisi in:

Reattori di potenza, destinati alla produzione di energia elettrica e termica utilizzata nel settore energetico, nonché alla dissalazione dell'acqua di mare (i reattori di dissalazione sono classificati anche industriali). Tali reattori sono utilizzati principalmente nelle centrali nucleari. La potenza termica dei moderni reattori di potenza raggiunge i 5 GW. Un gruppo separato comprende:
- Reattori da trasporto, progettato per fornire energia ai motori dei veicoli. I più ampi gruppi di applicazioni sono i reattori per il trasporto marittimo utilizzati su sottomarini e varie navi di superficie, nonché i reattori utilizzati nella tecnologia spaziale.
Reattori sperimentali, destinato allo studio di varie quantità fisiche, il cui valore è necessario per la progettazione e il funzionamento dei reattori nucleari; La potenza di tali reattori non supera diversi kW.
Reattori di ricerca, in cui i flussi di neutroni e quanti gamma creati nel nucleo vengono utilizzati per la ricerca nel campo della fisica nucleare, della fisica dello stato solido, della chimica delle radiazioni, della biologia, per testare materiali destinati a funzionare in flussi di neutroni intensi (comprese parti di reattori nucleari) per la produzione di isotopi. La potenza dei reattori di ricerca non supera i 100 MW. L'energia rilasciata solitamente non viene utilizzata.
Reattori industriali (armi, isotopi)., utilizzato per produrre isotopi utilizzati in vari campi. Più ampiamente utilizzato per produrre materiali per armi nucleari, come 239 Pu. Sono classificati come industriali anche i reattori utilizzati per la desalinizzazione dell'acqua di mare.

Spesso i reattori vengono utilizzati per risolvere due o più problemi diversi, nel qual caso vengono chiamati reattori multiuso. Ad esempio, alcuni reattori energetici, soprattutto agli albori dell’energia nucleare, erano progettati principalmente per la sperimentazione. I reattori a neutroni veloci possono produrre contemporaneamente energia e isotopi. I reattori industriali, oltre al loro compito principale, spesso generano energia elettrica e termica.

Secondo lo spettro dei neutroni

Reattore termico (lento) a neutroni ("reattore termico")
Reattore a neutroni veloci ("reattore veloce")

Per posizionamento del carburante

Reattori eterogenei, in cui il combustibile è collocato discretamente nel nocciolo sotto forma di blocchi, tra i quali è presente un moderatore;
Reattori omogenei, dove il combustibile e il moderatore sono una miscela omogenea (sistema omogeneo).

In un reattore eterogeneo, il combustibile e il moderatore possono essere separati spazialmente, in particolare, in un reattore a cavità, il moderatore-riflettore circonda una cavità con combustibile che non contiene un moderatore. Da un punto di vista fisico nucleare, il criterio di omogeneità/eterogeneità non è la progettazione, ma il posizionamento dei blocchi di combustibile ad una distanza superiore alla lunghezza di moderazione dei neutroni in un dato moderatore. Pertanto, i reattori con la cosiddetta “griglia chiusa” sono progettati come omogenei, sebbene in essi il combustibile sia solitamente separato dal moderatore.

I blocchi di combustibile nucleare in un reattore eterogeneo sono chiamati gruppi di combustibile (FA), che si trovano nel nucleo in corrispondenza dei nodi di un reticolo regolare, formando cellule.

Per tipo di carburante

isotopi dell'uranio 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
isotopo di plutonio 239 (239 Pu), anche isotopi 239-242 Pu sotto forma di miscela con 238 U (combustibile MOX)
isotopo del torio 232 (232 Th) (tramite conversione in 233 U)

Per grado di arricchimento:

uranio naturale
uranio debolmente arricchito
uranio altamente arricchito

Per composizione chimica:

metallo U
UC (carburo di uranio), ecc.

Per tipo di liquido refrigerante

Gas, (vedi reattore a gas grafite)
D 2 O (acqua pesante, vedi Reattore nucleare ad acqua pesante, CANDU)

Per tipo di moderatore

C (grafite, vedere reattore gas grafite, reattore grafite-acqua)
H2O (acqua, vedere Reattore ad acqua leggera, Reattore raffreddato ad acqua, VVER)
D 2 O (acqua pesante, vedi Reattore nucleare ad acqua pesante, CANDU)
Idruri metallici
Senza moderatore (vedi Reattore veloce)

In base alla progettazione

Con il metodo di generazione del vapore

Reattore con generatore di vapore esterno (Vedi Reattore acqua-acqua, VVER)

Classificazione dell'AIEA

PWR (reattori ad acqua pressurizzata) - reattore acqua-acqua (reattore ad acqua pressurizzata);
BWR (reattore ad acqua bollente) - reattore ad acqua bollente;
FBR (reattore autofertilizzante veloce) - reattore autofertilizzante veloce;
GCR (reattore raffreddato a gas) - reattore raffreddato a gas;
LWGR (reattore di grafite ad acqua leggera) - reattore grafite-acqua
PHWR (reattore ad acqua pesante pressurizzata) - reattore ad acqua pesante

I più comuni al mondo sono i reattori ad acqua pressurizzata (circa il 62%) e ad acqua bollente (20%).

Materiali del reattore

I materiali con cui sono costruiti i reattori operano a temperature elevate in un campo di neutroni, quanti γ e frammenti di fissione. Pertanto non tutti i materiali utilizzati in altri rami della tecnologia sono adatti alla costruzione del reattore. Quando si scelgono i materiali del reattore, vengono prese in considerazione la loro resistenza alle radiazioni, l'inerzia chimica, la sezione trasversale di assorbimento e altre proprietà.

L'instabilità delle radiazioni dei materiali ha effetti minori alle alte temperature. La mobilità degli atomi diventa così grande che la probabilità del ritorno degli atomi espulsi dal reticolo cristallino al loro posto o della ricombinazione di idrogeno e ossigeno in una molecola d'acqua aumenta notevolmente. Pertanto, la radiolisi dell'acqua è insignificante nei reattori energetici non bollenti (ad esempio VVER), mentre nei potenti reattori di ricerca viene rilasciata una quantità significativa di miscela esplosiva. I reattori dispongono di sistemi speciali per bruciarlo.

I materiali del reattore sono in contatto tra loro (involucro di combustibile con refrigerante e combustibile nucleare, cassette di combustibile con refrigerante e moderatore, ecc.). Naturalmente i materiali a contatto devono essere chimicamente inerti (compatibili). Un esempio di incompatibilità è l'uranio e l'acqua calda che entrano in una reazione chimica.

Per la maggior parte dei materiali, le proprietà di resistenza si deteriorano bruscamente con l'aumentare della temperatura. Nei reattori di potenza, i materiali strutturali operano a temperature elevate. Ciò limita la scelta dei materiali da costruzione, soprattutto per quelle parti del reattore di potenza che devono resistere ad alta pressione.

Burnout e riproduzione del combustibile nucleare

Durante il funzionamento di un reattore nucleare, a causa dell'accumulo di frammenti di fissione nel combustibile, la sua composizione isotopica e chimica cambia e si formano elementi transuranici, principalmente isotopi. Viene chiamato l'effetto dei frammenti di fissione sulla reattività di un reattore nucleare avvelenamento(per frammenti radioattivi) e scorie(per isotopi stabili).

La ragione principale dell'avvelenamento del reattore è , che ha la sezione d'urto di assorbimento dei neutroni più grande (2,6·10 6 barn). Emivita di 135 Xe T 1/2 = 9,2 ore; La resa durante la divisione è del 6-7%. La maggior parte di 135 Xe si forma a seguito del decadimento ( T 1/2 = 6,8 ore). In caso di avvelenamento, Keff cambia dell'1-3%. La grande sezione d'urto di assorbimento di 135 Xe e la presenza dell'isotopo intermedio 135 I portano a due importanti fenomeni:

Ad un aumento della concentrazione di 135 Xe e, di conseguenza, ad una diminuzione della reattività del reattore dopo il suo arresto o la riduzione della potenza (“fossa di iodio”), che rende impossibili arresti a breve termine e fluttuazioni della potenza in uscita . Questo effetto viene superato introducendo una riserva di reattività negli organismi di regolamentazione. La profondità e la durata del pozzo di iodio dipendono dal flusso di neutroni Ф: a Ф = 5·10 18 neutroni/(cm²·sec) la durata del pozzo di iodio è ˜ 30 ore, e la profondità è 2 volte maggiore di quella stazionaria cambiamento in Keff causato dall'avvelenamento da 135 Xe.
A causa dell'avvelenamento, possono verificarsi fluttuazioni spaziotemporali nel flusso di neutroni F e, di conseguenza, nella potenza del reattore. Queste oscillazioni si verificano a Ф > 10 18 neutroni/(cm² sec) e grandi formati reattore. Periodi di oscillazione ˜ 10 ore.

Quando avviene la fissione nucleare gran numero frammenti stabili che differiscono nelle sezioni trasversali di assorbimento rispetto alla sezione trasversale di assorbimento dell'isotopo fissile. Concentrazione di frammenti con grande valore La sezione d'urto di assorbimento raggiunge la saturazione entro i primi giorni di funzionamento del reattore. Si tratta principalmente di barre di combustibile di diverse “età”.

Nel caso di un cambio completo di combustibile il reattore presenta un eccesso di reattività che necessita di essere compensato, mentre nel secondo caso la compensazione è richiesta solo al primo avvio del reattore. Il sovraccarico continuo consente di aumentare la profondità di combustione, poiché la reattività del reattore è determinata dalle concentrazioni medie di isotopi fissili.

La massa del carburante caricato supera la massa del carburante scaricato a causa del "peso" dell'energia rilasciata. Dopo lo spegnimento del reattore, prima principalmente a causa della fissione da parte di neutroni ritardati, e poi, dopo 1-2 minuti, a causa delle radiazioni β e γ dei frammenti di fissione e degli elementi transuranici, il rilascio di energia nel combustibile continua. Se il reattore ha funzionato abbastanza a lungo prima dell'arresto, 2 minuti dopo l'arresto il rilascio di energia è di circa il 3%, dopo 1 ora - 1%, dopo un giorno - 0,4%, dopo un anno - 0,05% della potenza iniziale.

Il rapporto tra il numero di isotopi fissili di Pu formati in un reattore nucleare e la quantità di 235 U bruciato è chiamato tasso di conversione K K. Il valore di K K aumenta con la diminuzione dell'arricchimento e del burnup. Per un reattore ad acqua pesante che utilizza uranio naturale, con un consumo di 10 GW giorno/t K K = 0,55, e con piccoli consumi (in questo caso K K è chiamato coefficiente iniziale del plutonio) K K = 0,8. Se un reattore nucleare brucia e produce gli stessi isotopi (reattore autofertilizzante), viene chiamato il rapporto tra il tasso di riproduzione e il tasso di combustione tasso di riproduzione K V. Nei reattori nucleari che utilizzano neutroni termici K V< 1, а для реакторов на быстрых нейтронах К В может достигать 1,4-1,5. Рост К В для реакторов на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что, особенно в случае 239 Pu, для быстрых нейтронов G cresce e UN cascate.

Controllo del reattore nucleare

Il controllo di un reattore nucleare è possibile solo grazie al fatto che durante la fissione, alcuni neutroni volano fuori dai frammenti con un ritardo, che può variare da diversi millisecondi a diversi minuti.

Per controllare il reattore vengono utilizzate barre assorbitrici, introdotte nel nocciolo, costituite da materiali che assorbono fortemente neutroni (principalmente, e alcuni altri) e/o una soluzione di acido borico, in una certa concentrazione aggiunto al liquido refrigerante (regolazione del boro). Il movimento delle aste è controllato meccanismi speciali, azionamenti funzionanti in base ai segnali dell'operatore o apparecchiature per il controllo automatico del flusso di neutroni.

In caso di diverso situazioni di emergenza In ciascun reattore è prevista l'interruzione di emergenza della reazione a catena, effettuata facendo cadere tutte le barre assorbenti nel nucleo, un sistema di protezione di emergenza.

Calore residuo

Una questione importante direttamente correlata alla sicurezza nucleare è il calore di decadimento. Questa è una caratteristica specifica del combustibile nucleare, che consiste nel fatto che, dopo la cessazione della reazione a catena di fissione e l'inerzia termica tipica di qualsiasi fonte energetica, il rilascio di calore nel reattore continua per molto tempo, il che crea una serie di problemi tecnicamente complessi.

Il calore residuo è una conseguenza del decadimento β e γ dei prodotti di fissione accumulati nel combustibile durante il funzionamento del reattore. I nuclei dei prodotti di fissione, a causa del decadimento, si trasformano in uno stato più stabile o completamente stabile con il rilascio di energia significativa.

Sebbene la velocità di rilascio del calore da decadimento diminuisca rapidamente a valori piccoli rispetto ai valori di stato stazionario, nei potenti reattori di potenza è significativa in valori assoluti. Per questo motivo è necessaria la generazione di calore residuo a lungo garantire la rimozione del calore dal nocciolo del reattore dopo lo spegnimento. Questo compito richiede che la progettazione dell'installazione del reattore includa sistemi di raffreddamento con un'alimentazione elettrica affidabile e richiede anche lo stoccaggio a lungo termine (3-4 anni) del combustibile nucleare esaurito in impianti di stoccaggio con speciali condizioni di temperatura- piscine di raffreddamento, che di solito si trovano in prossimità del reattore.

Guarda anche

Elenco dei reattori nucleari progettati e costruiti nell'Unione Sovietica

Letteratura

Levin V.E. Fisica Nucleare e reattori nucleari. 4a ed. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. “Uranio. Reattore nucleare naturale." “Chimica e Vita” n. 6, 1980, p. 20-24

Appunti

"ZEEP - Il primo reattore nucleare canadese", Museo canadese della scienza e della tecnologia.
Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Scudo nucleare. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

Progettazione e principio di funzionamento

Meccanismo di rilascio dell'energia

Se teniamo presente la scala macroscopica del rilascio di energia, allora tutte o inizialmente almeno una parte delle particelle della sostanza devono avere l'energia cinetica necessaria per eccitare le reazioni. Ciò è ottenibile solo aumentando la temperatura del mezzo fino a un valore al quale l'energia del movimento termico si avvicina alla soglia energetica che limita il corso del processo. Nel caso delle trasformazioni molecolari, cioè delle reazioni chimiche, tale aumento è solitamente di centinaia di Kelvin, ma nel caso delle reazioni nucleari è almeno di 10 7 a causa dell'altissima altezza delle barriere di Coulomb dei nuclei in collisione. L'eccitazione termica delle reazioni nucleari viene effettuata in pratica solo durante la sintesi dei nuclei più leggeri, in cui le barriere di Coulomb sono minime (fusione termonucleare).

L'eccitazione mediante l'unione delle particelle non richiede una grande energia cinetica e, quindi, non dipende dalla temperatura del mezzo, poiché avviene a causa di legami inutilizzati inerenti alle forze attrattive delle particelle. Ma per suscitare reazioni sono necessarie le particelle stesse. E se intendiamo ancora una volta non un atto di reazione separato, ma la produzione di energia su scala macroscopica, ciò è possibile solo quando si verifica una reazione a catena. Quest'ultimo si verifica quando le particelle che eccitano la reazione ricompaiono come prodotti di una reazione esoenergetica.

Progetto

Qualsiasi reattore nucleare è costituito dalle seguenti parti:

Nucleo con combustibile nucleare e moderatore;
Riflettore di neutroni che circonda il nucleo;
Sistema di controllo della reazione a catena, inclusa la protezione di emergenza;
Protezione dalle radiazioni;
Sistema di controllo remoto.

Principi fisici di funzionamento

Vedi anche gli articoli principali:

Lo stato attuale di un reattore nucleare può essere caratterizzato dall'effettivo fattore di moltiplicazione dei neutroni K o reattività ρ , che sono legati dalla seguente relazione:

I seguenti valori sono tipici per queste quantità:

K> 1 - la reazione a catena aumenta nel tempo, il reattore è dentro supercritico stato, la sua reattività ρ > 0;
K < 1 - реакция затухает, реактор - subcritico, ρ < 0;
K = 1, ρ = 0 - il numero di fissioni nucleari è costante, il reattore è in una stalla critico condizione.

Condizione di criticità per un reattore nucleare:

, Dove

k 0 per i reattori termici può essere determinato mediante la cosiddetta “formula dei 4 fattori”:

, Dove

η è la resa dei neutroni per due assorbimenti.

I volumi dei moderni reattori di potenza possono raggiungere centinaia di m³ e sono determinati principalmente non dalle condizioni di criticità, ma dalla capacità di rimozione del calore.

Volume critico reattore nucleare: il volume del nocciolo del reattore in uno stato critico. Massa critica- la massa del materiale fissile del reattore che si trova in uno stato critico.

Pozzo di iodio

Articolo principale: fossa di iodio

Classificazione

Intenzionalmente

In base alla natura del loro utilizzo, i reattori nucleari sono suddivisi in:

Reattori di potenza, destinati alla produzione di energia elettrica e termica utilizzata nel settore energetico, nonché alla dissalazione dell'acqua di mare (i reattori di dissalazione sono classificati anche industriali). Tali reattori sono utilizzati principalmente nelle centrali nucleari. La potenza termica dei moderni reattori di potenza raggiunge i 5 GW. Un gruppo separato comprende:
- Reattori da trasporto, progettato per fornire energia ai motori dei veicoli. I più ampi gruppi di applicazioni sono i reattori per il trasporto marittimo utilizzati su sottomarini e varie navi di superficie, nonché i reattori utilizzati nella tecnologia spaziale.
Reattori sperimentali, destinato allo studio di varie quantità fisiche, il cui valore è necessario per la progettazione e il funzionamento dei reattori nucleari; La potenza di tali reattori non supera diversi kW.
Reattori di ricerca, in cui i flussi di neutroni e quanti gamma creati nel nucleo vengono utilizzati per la ricerca nel campo della fisica nucleare, della fisica dello stato solido, della chimica delle radiazioni, della biologia, per testare materiali destinati a funzionare in flussi di neutroni intensi (comprese parti di reattori nucleari) per la produzione di isotopi. La potenza dei reattori di ricerca non supera i 100 MW. L'energia rilasciata solitamente non viene utilizzata.
Reattori industriali (armi, isotopi)., utilizzato per produrre isotopi utilizzati in vari campi. Più ampiamente utilizzato per produrre materiali per armi nucleari, come 239 Pu. Sono classificati come industriali anche i reattori utilizzati per la desalinizzazione dell'acqua di mare.

Secondo lo spettro dei neutroni

Reattore termico (lento) a neutroni ("reattore termico")
Reattore a neutroni veloci ("reattore veloce")

Per posizionamento del carburante

Reattori eterogenei, in cui il combustibile è collocato discretamente nel nocciolo sotto forma di blocchi, tra i quali è presente un moderatore;
Reattori omogenei, dove il combustibile e il moderatore sono una miscela omogenea (sistema omogeneo).

Per tipo di carburante

isotopi dell'uranio 235, 238, 233 (235 U, 238 U, 233 U)
isotopo di plutonio 239 (239 Pu), anche isotopi 239-242 Pu sotto forma di miscela con 238 U (combustibile MOX)
isotopo del torio 232 (232 Th) (tramite conversione in 233 U)

Per grado di arricchimento:

uranio naturale
uranio debolmente arricchito
uranio altamente arricchito

Per composizione chimica:

metallo U
UC (carburo di uranio), ecc.

Per tipo di liquido refrigerante

Gas, (vedi reattore a gas grafite)
D 2 O (acqua pesante, vedi Reattore nucleare ad acqua pesante, CANDU)

Per tipo di moderatore

C (grafite, vedere reattore gas grafite, reattore grafite-acqua)
H2O (acqua, vedere Reattore ad acqua leggera, Reattore raffreddato ad acqua, VVER)
D 2 O (acqua pesante, vedi Reattore nucleare ad acqua pesante, CANDU)
Idruri metallici
Senza moderatore (vedi Reattore veloce)

In base alla progettazione

Con il metodo di generazione del vapore

Reattore con generatore di vapore esterno (Vedi Reattore acqua-acqua, VVER)

Classificazione dell'AIEA

PWR (reattori ad acqua pressurizzata) - reattore acqua-acqua (reattore ad acqua pressurizzata);
BWR (reattore ad acqua bollente) - reattore ad acqua bollente;
FBR (reattore autofertilizzante veloce) - reattore autofertilizzante veloce;
GCR (reattore raffreddato a gas) - reattore raffreddato a gas;
LWGR (reattore di grafite ad acqua leggera) - reattore grafite-acqua
PHWR (reattore ad acqua pesante pressurizzata) - reattore ad acqua pesante

I più comuni al mondo sono i reattori ad acqua pressurizzata (circa il 62%) e ad acqua bollente (20%).

Materiali del reattore

Burnout e riproduzione del combustibile nucleare

Ad un aumento della concentrazione di 135 Xe e, di conseguenza, ad una diminuzione della reattività del reattore dopo il suo arresto o la riduzione della potenza (“fossa di iodio”), che rende impossibili arresti a breve termine e fluttuazioni della potenza in uscita . Questo effetto viene superato introducendo una riserva di reattività negli organismi di regolamentazione. La profondità e la durata del pozzo di iodio dipendono dal flusso di neutroni Ф: a Ф = 5·10 18 neutroni/(cm²·sec) la durata del pozzo di iodio è ˜ 30 ore, e la profondità è 2 volte maggiore di quella stazionaria cambiamento in Keff causato dall'avvelenamento da 135 Xe.
A causa dell'avvelenamento, possono verificarsi fluttuazioni spaziotemporali nel flusso di neutroni F e, di conseguenza, nella potenza del reattore. Queste oscillazioni si verificano a Ф > 10 18 neutroni/(cm²·sec) e con reattori di grandi dimensioni. Periodi di oscillazione ˜ 10 ore.

La fissione nucleare produce un gran numero di frammenti stabili, che differiscono nelle sezioni trasversali di assorbimento rispetto alla sezione trasversale di assorbimento dell'isotopo fissile. La concentrazione di frammenti con una grande sezione trasversale di assorbimento raggiunge la saturazione entro i primi giorni di funzionamento del reattore. Si tratta principalmente di barre di combustibile di diverse “età”.

Controllo del reattore nucleare

Per controllare il reattore vengono utilizzate barre assorbitrici, introdotte nel nocciolo, costituite da materiali che assorbono fortemente i neutroni (principalmente e alcuni altri) e/o una soluzione di acido borico, aggiunta al liquido refrigerante in una certa concentrazione (controllo del boro) . Il movimento delle aste è controllato da meccanismi speciali, azionamenti, che funzionano secondo i segnali dell'operatore o apparecchiature per il controllo automatico del flusso di neutroni.

In caso di varie situazioni di emergenza, ciascun reattore è dotato di un'interruzione di emergenza della reazione a catena, effettuata facendo cadere tutte le barre assorbenti nel nucleo - un sistema di protezione di emergenza.

Calore residuo

Una questione importante direttamente correlata alla sicurezza nucleare è il calore di decadimento. Questa è una caratteristica specifica del combustibile nucleare, che consiste nel fatto che, dopo la cessazione della reazione a catena di fissione e l'inerzia termica tipica di qualsiasi fonte energetica, il rilascio di calore nel reattore continua per lungo tempo, creando una serie di problemi tecnicamente complessi.

Sebbene la velocità di rilascio del calore da decadimento diminuisca rapidamente a valori piccoli rispetto ai valori di stato stazionario, nei reattori ad alta potenza è significativa in termini assoluti. Per questo motivo, la generazione di calore residuo comporta la necessità di un lungo periodo di tempo per garantire la rimozione del calore dal nocciolo del reattore dopo lo spegnimento. Questo compito richiede che la progettazione dell'impianto del reattore disponga di sistemi di raffreddamento con un'alimentazione elettrica affidabile e richiede anche lo stoccaggio a lungo termine (3-4 anni) del combustibile nucleare esaurito in impianti di stoccaggio con uno speciale regime di temperatura - piscine di raffreddamento, che sono solitamente situato in prossimità del reattore.

Guarda anche

Elenco dei reattori nucleari progettati e costruiti nell'Unione Sovietica

Letteratura

Levin V.E. Fisica nucleare e reattori nucleari. 4a ed. - M.: Atomizdat, 1979.
Shukolyukov A. Yu. “Uranio. Reattore nucleare naturale." “Chimica e Vita” n. 6, 1980, p. 20-24

Appunti

"ZEEP - Il primo reattore nucleare canadese", Museo canadese della scienza e della tecnologia.
Greshilov A. A., Egupov N. D., Matushchenko A. M. Scudo nucleare. - M.: Logos, 2008. - 438 p. -

Nella storia della creazione dei reattori nucleari si possono tracciare tre fasi. Nella prima fase sono state determinate le condizioni necessarie e sufficienti per il verificarsi di una reazione a catena autosufficiente. reazione nucleare divisione. Nella seconda fase, sono stati stabiliti tutti gli effetti fisici che promuovono e ostacolano il verificarsi di una reazione a catena di fissione nucleare autosufficiente, ad es. accelerando e rallentando questo processo. Infine, sono stati effettuati calcoli quantitativi relativi alla progettazione del reattore e ai processi che si verificano in esso.

La creazione di reattori nucleari è stata una soluzione a uno dei compiti integrali del problema atomico generale.

Il primo reattore al mondo, CP-1 (Chicago Physics), fu progettato e costruito da E. Fermi in collaborazione con Anderson, Zinn, L. Woods e J. Weil e si trovava nella sala da tennis sotto le tribune dell'Università di Chicago stadio. Il reattore iniziò a funzionare il 2 dicembre 1942, con una potenza di progetto iniziale di 0,5 W. Il primo reattore di uranio SR-1 era caricato con 6 tonnellate di uranio metallico e una certa quantità (non esattamente nota) di ossido di uranio a causa della mancanza di uranio nella sua forma pura.

Il reattore doveva avere una forma sferica ed era composto da strati orizzontali di blocchi di grafite, che si trovavano tra strati simili di blocchi alternati di grafite e uranio, raffreddati dall'aria. Lo stato critico del reattore, in cui la perdita di neutroni veniva compensata dalla loro produzione (creazione), veniva raggiunto quando la sfera veniva riempita per tre quarti, per cui il reattore non riceveva mai la forma finale di una sfera regolare .

Dopo 12 giorni la potenza è stata aumentata a 200 W e un ulteriore aumento di potenza è stato considerato rischioso a causa delle radiazioni pericolose generate dall'impianto. Il reattore fu spostato fuori città al Laboratorio Argonne, dove fu rimontato e dotato di uno scudo protettivo.

Il reattore veniva controllato manualmente utilizzando barre di cadmio che assorbivano i neutroni in eccesso e si trovavano in canali speciali. Inoltre sono state previste due aste di emergenza ed un'asta di comando automatico.

Il primo impianto pilota ha permesso di condurre uno studio sperimentale sul processo di produzione del plutonio, che ha portato alla conclusione che questo metodo offre una reale possibilità di produrlo in quantità sufficienti per creare una bomba atomica. Nel 1943, presso l'Argonne National Laboratory, fu costruito esattamente lo stesso reattore SR-2 per la ricerca sperimentale (Fig. 17.1), ma con una dimensione critica a forma di cubo, e nel 1944 fu costruito un altro reattore SR-3 ( Fig. 17.2 ), in cui l'acqua pesante fungeva da moderatore, il che ha permesso di ridurre notevolmente le dimensioni del reattore rispetto ai precedenti.

A causa della mancanza di un sistema di raffreddamento, la potenza massima sicura del reattore era di 200 W, ma a poco tempo la potenza potrebbe essere aumentata a 100 kW. Il reattore utilizzava cinque barre di controllo lunghe 5,6 m, realizzate in bronzo rivestito di cadmio. Tre di queste aste erano aste di emergenza, un'asta serviva per la regolazione grossolana e un'altra per la regolazione fine del flusso di neutroni e della potenza del reattore.

Alla fine del 1945, a Mosca, sul territorio del Laboratorio n. 2 dell'Accademia delle Scienze dell'URSS, iniziò la costruzione di un edificio per il reattore fisico F-1 e all'inizio del 1946 la progettazione del primo iniziarono il reattore industriale e il relativo impianto di plutonio a Chelyabinsk-40. Nel dicembre 1946, nel reattore di ricerca sull'uranio-grafite F-1 sotto la guida di I.V. Kurchatov è stato il primo in Europa a realizzare una reazione a catena autosufficiente. Il lancio del reattore F-1, che ancora serve alla scienza, ha permesso di misurare le costanti nucleari necessarie, selezionare il progetto ottimale del primo reattore industriale e studiare questioni di regolamentazione e sicurezza dalle radiazioni.

La storia della fisica del XX secolo comprendeva anche il primo reattore nucleare in Europa, creato in URSS e testato personalmente da I.V. Kurcatov nel dicembre 1946. La sua potenza ha già raggiunto i 4000 kW, il che ha permesso di creare reattori industriali sulla base dell'esperienza acquisita. Il reattore stesso era situato in una fossa di cemento, sul fondo della quale erano posati otto strati di barre di grafite. Sopra di essi furono posati strati con prese-fori, nei quali furono inseriti blocchi di uranio. Sono stati inoltre realizzati tre canali per le aste di cadmio, che consentono la regolazione della reazione e il suo arresto di emergenza, e alcuni canali orizzontali varie forme e dimensioni per strumentazione e scopi sperimentali. Numero totale gli strati di barre di grafite ammontavano a sessantadue.

Nel 1947, in questo reattore fu possibile ottenere le prime dosi di plutonio, che non si trova in natura e che, come l'uranio, è un combustibile nucleare, e in quantità sufficienti per studiare le basi caratteristiche fisiche il suo nucleo. Il primo reattore industriale dell'URSS per la produzione di plutonio fu lanciato da Kurchatov nel giugno 1948.

A metà degli anni '40 del XX secolo, il Laboratorio Scientifico di Los Alamos (USA) fu incaricato di creare un reattore veloce sperimentale con combustibile al plutonio, dimostrando la possibilità di produrre elettricità. Questo reattore, chiamato Clementine, aveva un volume del nocciolo di 2,5 litri di plutonio metallico ed era raffreddato con mercurio. L'assemblaggio del reattore iniziò nel 1946, la criticità fu raggiunta nel novembre 1946. L'avvio della produzione avvenne nel marzo 1949. Il reattore funzionava con una potenza di 25 kW (th).

Come parte del Progetto Manhattan (un piano segreto per creare Bomba americana) tutto il lavoro sulla separazione degli isotopi di uranio fu affidato al laboratorio del famoso fisico americano E. Lawrence. Nel suo rapporto al governo degli Stati Uniti nel luglio 1941, Lawrence scrisse: “Si è aperta una nuova ed estremamente importante opportunità per lo sfruttamento della reazione a catena con isotopi non separati [dell'uranio]. Apparentemente, se si potesse ottenere una reazione a catena, questa potrebbe essere effettuata... per un periodo di tempo specifico per produrre l'elemento con numero atomico 94 [plutonio]... Se disponibile... grandi quantità questo elemento, sarebbe probabilmente possibile effettuare una reazione a catena utilizzando neutroni veloci. In una tale reazione, l’energia verrebbe rilasciata a velocità esplosiva e il sistema corrispondente potrebbe essere caratterizzato… come una “superbomba”.

Il reattore Clementine fu il primo reattore a neutroni veloci e anche il primo a utilizzare il plutonio-239 come combustibile. La zona attiva a forma di cilindro con un'altezza di 15 cm e un diametro di 15 cm era costituita da barre di combustibile verticali in un guscio di acciaio. Naturalmente non c'era nessun moderatore. L'uranio metallico e l'acciaio fungevano da riflettore. Il refrigerante al mercurio aveva una sezione trasversale trascurabile per catturare i neutroni lenti. Il reattore era controllato da barre che rimuovevano parte dell'uranio dal riflettore, poiché il boro o il cadmio utilizzati nei reattori termici non sono adatti ai reattori veloci.

Presso l'Argonne National Laboratory (USA), indipendentemente dagli studi descritti, si è lavorato per creare un reattore sperimentale autofertilizzante per neutroni veloci EBR-1. L'obiettivo principale Questo progetto è stato un test del concetto di una centrale nucleare con un reattore autofertilizzante veloce come unità di potenza. La costruzione del reattore iniziò nel 1951 e la criticità fu raggiunta nell'agosto 1951. Nel dicembre 1951, per la prima volta utilizzando l'energia nucleare, elettricità con una potenza del reattore di 200 kW(e). Gli elementi combustibili del reattore erano tubi di acciaio inossidabile contenenti uranio metallico altamente arricchito. Il nocciolo veniva raffreddato pompando attraverso di esso una lega di sodio e potassio (Fig. 17.3). Il riflettore era costituito da due parti: diverse aste di uranio metallico naturale che circondavano il nucleo e diversi blocchi a forma di cuneo dello stesso materiale. Il reattore veniva controllato introducendo barre di uranio metallico dentro e fuori dal riflettore esterno.

Il reattore generava contemporaneamente l'energia rilasciata durante la fissione sotto l'influenza di neutroni veloci e riproduceva il materiale fissile. A rigor di termini, un reattore autofertilizzante deve utilizzare lo stesso materiale fissile che produce, ad esempio il plutonio-239 nei reattori con uranio-238 come materia prima per la produzione di materiale combustibile secondario (plutonio). Tuttavia, l’uranio-235 è ora utilizzato come materiale fissile in molti reattori a neutroni veloci. Nei reattori a neutroni veloci, il refrigerante non dovrebbe contenere elementi con un numero di massa basso, poiché rallenterebbero i neutroni. La rimozione intensiva del calore da un nucleo piccolo richiede un refrigerante con proprietà di rimozione del calore eccezionalmente elevate.

Solo una sostanza, il sodio liquido, soddisfa queste condizioni.

L'analisi dei materiali del combustibile del riflettore del reattore EBR-1 dopo il suo funzionamento per qualche tempo ha mostrato che il fattore di riproduzione raggiunto, vale a dire il rapporto tra la quantità di plutonio-239 prodotta e la quantità di uranio-235 consumata è leggermente superiore al 100%. Poiché le condizioni nel reattore non erano ideali, si è ritenuto che la produzione di plutonio-239 dovesse essere praticamente redditizia. Ciò è stato confermato nel Regno Unito da esperimenti su un reattore a neutroni veloci a bassissima potenza (2 W), in cui il plutonio-239 fungeva da combustibile. Si è scoperto che per ogni nucleo di plutonio che si divide, ne vengono formati circa due. Pertanto, il guadagno durante la riproduzione è piuttosto significativo. In definitiva, tali reattori dovrebbero appartenere a il ruolo principale nel programma di sviluppo dell’energia nucleare.

I reattori nucleari hanno un compito: dividere gli atomi in una reazione controllata e utilizzare l'energia rilasciata per generare energia elettrica. Per molti anni i reattori sono stati visti sia come un miracolo che come una minaccia.

Quando il primo reattore commerciale statunitense entrò in funzione a Shippingport, in Pennsylvania, nel 1956, la tecnologia fu acclamata come la fonte di energia del futuro e alcuni credevano che i reattori avrebbero reso la generazione di elettricità troppo economica. Attualmente ne sono stati costruiti 442 in tutto il mondo. reattore nucleare, circa un quarto di questi reattori si trovano negli Stati Uniti. Il mondo è diventato dipendente dai reattori nucleari, che producono il 14% della sua elettricità. I futuristi fantasticavano addirittura sulle auto nucleari.

Quando nel 1979 il reattore dell’Unità 2 della centrale elettrica di Three Mile Island in Pennsylvania subì un guasto al sistema di raffreddamento e una parziale fusione del suo combustibile radioattivo, i sentimenti positivi nei confronti dei reattori cambiarono radicalmente. Anche se il reattore distrutto era contenuto e non venivano emesse radiazioni gravi, molte persone cominciarono a considerare i reattori come troppo complessi e vulnerabili, con potenziali rischi. conseguenze catastrofiche. Anche le persone erano preoccupate scorie radioattive dai reattori. Di conseguenza, la costruzione di nuove centrali nucleari negli Stati Uniti è in fase di stallo. Quando si è verificato un incidente più grave Centrale nucleare di Cernobyl nell’Unione Sovietica nel 1986, l’energia nucleare sembrava destinata a fallire.

Ma all’inizio degli anni 2000, i reattori nucleari hanno cominciato a tornare alla ribalta, grazie alla crescente domanda di energia e alla diminuzione delle scorte di combustibili fossili, nonché alle crescenti preoccupazioni sui cambiamenti climatici derivanti dalle emissioni di anidride carbonica.

Ma nel marzo 2011 si è verificata un'altra crisi: questa volta la centrale nucleare di Fukushima 1 in Giappone è stata gravemente danneggiata da un terremoto.

Utilizzo della reazione nucleare

In poche parole, un reattore nucleare divide gli atomi e rilascia l’energia che tiene insieme le loro parti.

Se hai dimenticato la fisica Scuola superiore, ti ricorderemo come fissione nucleare lavori. Gli atomi sono piccoli sistemi solari, con un nucleo come il Sole ed elettroni come i pianeti in orbita attorno ad esso. Il nucleo è costituito da particelle chiamate protoni e neutroni, che sono legate insieme. La forza che lega gli elementi del nucleo è difficile persino da immaginare. È molti miliardi di volte più forte della forza di gravità. Nonostante questa enorme forza, è possibile dividere un nucleo sparandogli contro dei neutroni. Fatto ciò, verrà rilasciata molta energia. Quando gli atomi decadono, le loro particelle si scontrano con gli atomi vicini, dividendoli e questi, a loro volta, sono i successivi, e i successivi, e i successivi. C'è un cosiddetto reazione a catena.

L'uranio, un elemento con atomi di grandi dimensioni, è ideale per il processo di fissione perché la forza che lega le particelle del suo nucleo è relativamente debole rispetto ad altri elementi. I reattori nucleari utilizzano un isotopo specifico chiamato Ucorso-235 . L'uranio-235 è raro in natura, con il minerale proveniente dalle miniere di uranio che contiene solo circa lo 0,7% di uranio-235. Questo è il motivo per cui vengono utilizzati i reattori arricchitoUferite, che viene creato separando e concentrando l'uranio-235 attraverso un processo di diffusione del gas.

È possibile creare un processo di reazione a catena bomba atomica, simili a quelli lanciati sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki durante la seconda guerra mondiale. Ma in un reattore nucleare, la reazione a catena viene controllata inserendo barre di controllo costituite da materiali come cadmio, afnio o boro che assorbono parte dei neutroni. Ciò consente comunque al processo di fissione di rilasciare energia sufficiente per riscaldare l’acqua a circa 270 gradi Celsius e trasformarla in vapore, che viene utilizzato per far girare le turbine della centrale elettrica e generare elettricità. Fondamentalmente, in questo caso, una bomba nucleare controllata funziona al posto del carbone per creare elettricità, tranne per il fatto che l’energia per far bollire l’acqua proviene dalla scissione degli atomi invece che dalla combustione del carbonio.

Componenti del reattore nucleare

Ci sono alcuni vari tipi reattori nucleari, ma tutti ne hanno alcuni Caratteristiche generali. Tutti hanno una fornitura di pellet di combustibile radioattivo - solitamente ossido di uranio - che sono disposti in tubi per formare barre di combustibile in zone attiveereattore.

Il reattore ha anche quanto menzionato in precedenza gestorieastaE- costituito da un materiale che assorbe neutroni come cadmio, afnio o boro, che viene inserito per controllare o arrestare una reazione.

Anche il reattore ha moderatore, una sostanza che rallenta i neutroni e aiuta a controllare il processo di fissione. La maggior parte dei reattori negli Stati Uniti utilizzano acqua normale, ma i reattori di altri paesi a volte utilizzano grafite o grafite pesanteOhacquaA, in cui l'idrogeno è sostituito dal deuterio, un isotopo dell'idrogeno con un protone e un neutrone. Un'altra parte importante del sistema è raffreddamentoe ioliquidoB, Generalmente, acqua naturale, che assorbe e trasferisce il calore dal reattore per creare vapore per far girare la turbina e raffredda l'area del reattore in modo che non raggiunga la temperatura alla quale l'uranio si scioglierà (circa 3815 gradi Celsius).

Infine, il reattore è racchiuso conchiglieA, una struttura grande e pesante, solitamente spessa diversi metri, fatta di acciaio e cemento che mantiene gas e liquidi radioattivi all'interno dove non possono nuocere a nessuno.

Ci sono un numero vari disegni reattori in uso, ma uno dei più comuni è reattore ad acqua pressurizzata (VVER). In un reattore di questo tipo, l'acqua viene costretta a entrare in contatto con il nocciolo e poi rimane lì sotto una pressione tale da non potersi trasformare in vapore. Quest'acqua entra poi in contatto con l'acqua non pressurizzata nel generatore di vapore, che si trasforma in vapore, che fa ruotare le turbine. C'è anche un disegno reattore a canale ad alta potenza (RBMK) con un circuito idraulico e reattore a neutroni veloci con due circuiti di sodio e uno di acqua.

Quanto è sicuro un reattore nucleare?

Rispondere a questa domanda è piuttosto difficile e dipende da chi chiedi e da come definisci “sicuro”. Siete preoccupati per le radiazioni o i rifiuti radioattivi generati nei reattori? O sei più preoccupato per la possibilità di un incidente catastrofico? Quale livello di rischio consideri un compromesso accettabile per i benefici dell’energia nucleare? E quanto ha fiducia nel governo e nell'energia nucleare?

"Radiazioni" è un argomento forte, soprattutto perché sappiamo tutti che grandi dosi di radiazioni, ad esempio, provengono da un'esplosione bomba nucleare, può uccidere molte migliaia di persone.

I sostenitori dell'energia nucleare, tuttavia, sottolineano che siamo tutti regolarmente esposti alle radiazioni provenienti da una varietà di fonti, tra cui Raggi cosmici e la radiazione naturale emessa dalla Terra. La dose media annuale di radiazioni è di circa 6,2 millisievert (mSv), di cui la metà fonti naturali, e la metà da fonti artificiali, che vanno dai raggi X del torace, dai rilevatori di fumo e dai quadranti luminosi degli orologi. Quante radiazioni riceviamo dai reattori nucleari? Solo una piccola frazione percentuale della nostra esposizione annuale tipica è pari a 0,0001 mSv.

Mentre tutte le centrali nucleari inevitabilmente perdono piccola quantità radiazioni, le commissioni di regolamentazione impongono agli operatori delle centrali nucleari requisiti severi. Non possono esporre le persone che vivono intorno all’impianto a più di 1 mSv di radiazioni all’anno e i lavoratori dell’impianto hanno una soglia di 50 mSv all’anno. Potrebbe sembrare molto, ma secondo la Nuclear Regulatory Commission, non ci sono prove mediche che le dosi annuali di radiazioni inferiori a 100 mSv comportino rischi per la salute umana.

Ma è importante notare che non tutti sono d’accordo con questa compiacente valutazione dei rischi da radiazioni. Ad esempio, Medici per la Responsabilità Sociale, da lungo tempo critico dell’industria nucleare, ha studiato i bambini che vivono nei pressi delle centrali nucleari tedesche. Lo studio ha scoperto che le persone che vivevano entro 5 km dalle centrali avevano il doppio del rischio di contrarre la leucemia rispetto a quelle che vivevano più lontano dalle centrali nucleari.

Rifiuti del reattore nucleare

L’energia nucleare è pubblicizzata dai suoi sostenitori come energia “pulita” perché il reattore non emette grandi quantità di gas serra nell’atmosfera rispetto alle centrali elettriche a carbone. Ma i critici sottolineano qualcos’altro problema ambientale- raccolta differenziata scorie nucleari. Parte del combustibile esaurito dei reattori rilascia ancora radioattività. Altro materiale non necessario che dovrebbe essere salvato è scorie radioattive alto livello , un residuo liquido proveniente dal ritrattamento del combustibile esaurito, in cui rimane parte dell'uranio. Al momento, la maggior parte di questi rifiuti viene immagazzinata localmente centrali elettriche nucleari in stagni d’acqua che assorbono parte del calore residuo prodotto dal combustibile esaurito e aiutano a proteggere i lavoratori dall’esposizione alle radiazioni

Uno dei problemi con la spesa combustibile nucleareè che è stato alterato dal processo di fissione. Quando i grandi atomi di uranio vengono divisi, creano sottoprodotti: isotopi radioattivi di diversi elementi leggeri come il cesio-137 e lo stronzio-90, chiamati. prodotti di fissione. Sono caldi e molto radioattivi, ma alla fine, nell'arco di 30 anni, si decompongono in quantità inferiori forme pericolose. Questo periodo è chiamato per loro Pperiodoohmmetà vita. Altri elementi radioattivi avranno emivite diverse. Inoltre, alcuni atomi di uranio catturano anche i neutroni, formando elementi più pesanti come il plutonio. Questi elementi transuranici non creano tanto calore o radiazioni penetranti quanto i prodotti della fissione, ma impiegano molto più tempo a decadere. Il plutonio-239, ad esempio, ha un tempo di dimezzamento di 24.000 anni.

Questi radioattivoesciupareS alto livello dai reattori sono pericolosi per gli esseri umani e altre forme di vita perché possono rilasciare enormi quantità di gas dose letale radiazioni anche da brevi esposizioni. Dieci anni dopo aver rimosso il combustibile rimanente dal reattore, ad esempio, stanno emettendo 200 volte più radioattività all’ora di quella necessaria per uccidere una persona. E se i rifiuti finiscono dentro acque sotterranee o fiumi in cui possono cadere catena alimentare e mettere a rischio un gran numero di persone.

Poiché i rifiuti sono così pericolosi, molte persone si trovano in una situazione difficile. 60.000 tonnellate di rifiuti si trovano nelle vicine centrali nucleari principali città. Ma trovare un posto sicuro dove immagazzinare i rifiuti non è facile.

Cosa può andare storto in un reattore nucleare?

Con gli enti regolatori governativi che guardano indietro alla loro esperienza, gli ingegneri hanno dedicato molto tempo nel corso degli anni a progettare reattori per una sicurezza ottimale. È solo che non si rompono, non funzionano correttamente e non dispongono di misure di sicurezza di riserva se qualcosa non va secondo i piani. Di conseguenza, anno dopo anno, le centrali nucleari sembrano essere abbastanza sicure rispetto, ad esempio, ai viaggi aerei, che uccidono regolarmente tra le 500 e le 1.100 persone all’anno in tutto il mondo.

Tuttavia, i reattori nucleari subiscono gravi guasti. Sulla scala internazionale degli eventi nucleari, che valuta gli incidenti ai reattori da 1 a 7, dal 1957 si sono verificati cinque incidenti con un punteggio da 5 a 7.

L'incubo peggiore è un guasto al sistema di raffreddamento, che porta al surriscaldamento del carburante. Il carburante diventa liquido e poi brucia attraverso il contenitore, fuoriuscendo radiazione radioattiva. Nel 1979, l’Unità 2 della centrale nucleare di Three Mile Island (USA) era sull’orlo di questo scenario. Fortunatamente, un sistema di contenimento ben progettato era abbastanza forte da impedire la fuoriuscita delle radiazioni.

L’URSS è stata meno fortunata. Un grave incidente nucleare si verificò nell'aprile 1986 presso la quarta unità della centrale nucleare di Chernobyl. Ciò è stato causato da una combinazione di guasti del sistema, difetti di progettazione e personale scarsamente addestrato. Durante un test di routine, la reazione si è improvvisamente intensificata e le aste di controllo si sono bloccate, impedendo uno spegnimento di emergenza. L'improvviso accumulo di vapore ha causato due esplosioni termiche, lanciando in aria il moderatore di grafite del reattore. In assenza di qualcosa per raffreddare le barre di combustibile del reattore, queste iniziarono a surriscaldarsi e a collassare completamente, a seguito della quale il combustibile assunse una forma liquida. Morirono molti lavoratori della stazione e liquidatori di incidenti. Un gran numero di la radiazione si diffuse su un’area di 323.749 chilometri quadrati. Il numero di morti causati dalle radiazioni non è ancora chiaro, ma Organizzazione mondiale i funzionari sanitari affermano che potrebbe aver causato 9.000 morti per cancro.

I produttori di reattori nucleari forniscono garanzie basate su valutazione probabilisticae, in cui cercano di bilanciare il potenziale danno di un evento con la probabilità con cui esso effettivamente si verifica. Ma alcuni critici sostengono che dovrebbero invece prepararsi ad eventi rari, inaspettati ma altamente pericolosi. Un esempio calzante è l’incidente del marzo 2011 presso la centrale nucleare di Fukushima 1 in Giappone. Secondo quanto riferito, la stazione è stata progettata per resistere forte terremoto, ma non così catastrofico come il terremoto di magnitudo 9.0 che sollevò un'onda di tsunami di 14 metri su dighe progettate per resistere a un'onda di 5,4 metri. L'assalto dello tsunami ha distrutto i generatori diesel di riserva che avrebbero dovuto alimentare il sistema di raffreddamento dei sei reattori della centrale in caso di interruzione di corrente. Quindi, anche dopo che le barre di controllo dei reattori di Fukushima hanno fermato la fissione, il combustibile ancora caldo ha mantenuto la temperatura salire pericolosamente all’interno dei reattori distrutti.

I funzionari giapponesi ricorsero all'ultima risorsa: inondarono i reattori con enormi quantità di gas acqua di mare con l'aggiunta di acido borico, che è stato in grado di prevenire un disastro, ma ha distrutto l'attrezzatura del reattore. Alla fine, con l'aiuto di autopompe e chiatte, i giapponesi riuscirono a pompare acqua dolce nei reattori. Ma a quel punto il monitoraggio aveva già mostrato livelli allarmanti di radiazioni terreno circostante e acqua. In un villaggio a 40 km dalla centrale nucleare, l’elemento radioattivo Cesio-137 è stato trovato a livelli molto più alti rispetto a quelli riscontrati dopo il disastro di Chernobyl, sollevando dubbi sulla possibilità di insediamenti umani nella zona.