L'acqua leggera, chimicamente nota come acqua ordinaria (H]2]O), è molto più di un semplice refrigerante nelle centrali nucleari. Serve come moderatore di neutroni primario, un ruolo fondamentale per il rilascio controllato di energia nucleare. Rallentando i neutroni veloci prodotti durante la fissione, l'acqua leggera consente una reazione a catena auto-suscente, rendendola una pietra angolare di moderni reattore nucleare.

Il ruolo di un moderatore Neutron nella Fissione Nucleare

In un reattore nucleare, la fissione si verifica quando un nucleo di uranio-235 assorbe un neutrone e si divide in frammenti più piccoli, rilasciando energia sostanziale e neutroni veloci aggiuntivi. Questi neutroni veloci viaggiano a velocità intorno a 20.000 km/s e trasportano energia cinetica nella gamma mega-elettronvolt (MeV). Tuttavia, la maggior parte della probabilità che un neutrone di fissione veloce venga catturato da un altro

Un moderatore di neutroni è un materiale strategicamente collocato all'interno del nucleo del reattore per rallentare questi neutroni veloci attraverso collisioni di dispersione elastica. In ogni collisione, il neutrone trasferisce una parte della sua energia cinetica al nucleo moderatore. Il moderatore ideale possiede un'alta sezione trasversale di dispersione, una sezione di assorbimento di neutroni bassa, e una grande perdita di energia per collisione.

Perché acqua leggera? Basi fisica e chimica

L’efficacia dell’acqua leggera come moderatore neutronico deriva dal suo ricco contenuto di idrogeno e dalle proprietà nucleari dell’isotopo di idrogeno-1. L’acqua contiene due atomi di idrogeno per molecola, ognuno dei quali ha una massa quasi uguale a quella di un neutrone.

Capacità di moderatore unica dell'idrogeno

Il nucleo dell’atomo di idrogeno (un singolo protone) ha essenzialmente la stessa massa di un neutrone. Nel classico spargimento di biliardo-ball, il massimo trasferimento di energia si verifica quando le masse sono uguali. Ecco perché i materiali contenenti idrogeno – acqua, idrocarburi e polietilene – fanno sì che i moderatori eccellenti. Altri nuclei leggeri come il deuterio, il berillio e il carbonio anche neutroni moderati, ma con minore efficienza per collisione3)

Cattura termica di neutroni trasmittente: un commercio chiave

L'idrogeno è superbo nel rallentare i neutroni, ma ha anche una sezione trasversale non neutrale per i neutroni termici, circa 0.33 barni. Questo assorbimento rimuove i neutroni dalla reazione della catena, riducendo la reattività.

Come l'acqua leggera modera i neutroni: il processo di collisione

Il processo di moderazione in un reattore ad acqua leggera avviene continuamente durante il funzionamento. Quando un neutrone è nato dalla fissione, entra nell'acqua occupando lo spazio tra barre di combustibile.

Una volta che il neutrone raggiunge l'equilibrio termico con le molecole dell'acqua circostante (energia ~0.025 eV a temperatura ambiente e fino a ~0.1 eV a temperature di funzionamento del reattore di circa 300 °C), si diffonde attraverso il nucleo. La popolazione di neutroni termici ha quindi un'alta probabilità di essere catturata da 235]]]]U per indurre la fissione, sostenendo così la reazione della catena.

Progettazione del reattore ad acqua leggera: PWR e BWR

I reattori ad acqua leggera commerciali (LWR) sono dotati di due configurazioni principali: il reattore ad acqua pressurizzata (PWR) e il reattore ad acqua bollente (BWR). In entrambi i progetti, l'acqua leggera serve un duplice scopo sia come moderatore di neutroni che come refrigerante del reattore.

Reattore ad acqua pressurizzato (PWR)

In un PWR, il refrigerante primario (acqua leggera) è tenuto sotto pressione alta (circa 15,5 MPa) per evitare l'ebollizione nel recipiente del reattore, anche se la temperatura dell'acqua raggiunge circa 320 °C. L'acqua primaria calda trasferisce il calore attraverso un generatore di vapore ad un loop secondario, dove il vapore guida la turbina.

Reattore ad acqua bollente (BWR)

In un BWR, l'acqua leggera è consentita di bollire all'interno del recipiente del reattore stesso. Il vapore prodotto nel nucleo è separato e inviato direttamente alla turbina. L'assenza di un generatore di vapore semplifica la pianta e riduce i costi, ma la densità del moderatore varia spazialemente all'interno del nucleo a causa dei vuoti di vapore.

Vantaggi dell'acqua leggera come moderatore

  • Eccellente potere di rallentamento:[] L'acqua leggera ha la più alta potenza di rallentamento di qualsiasi moderatore comune (per volume unitario), grazie all'uguaglianza di massa dell'idrogeno, che consente un design compatto del nucleo, riducendo i costi di capitale.
  • Funzionalità di tipo:[] Utilizzando la stessa acqua per la moderazione e il raffreddamento elimina la necessità di un sistema di moderatore separato, semplificando l'architettura del reattore e riducendo il numero di penetrazioni attraverso il recipiente di pressione del reattore.
  • L'abbondanza e il basso costo:[] L'acqua leggera è prontamente disponibile in tutto il mondo e non richiede particolari processi di produzione, che mantiene bassi i costi operativi rispetto all'acqua pesante o al berillio.
  • Stabilità e sicurezza chimica:[ L'acqua è chimicamente inerte in condizioni di reattore, non tossico e non infiammabile. Fornisce un ottimo trasferimento termico e ha una elevata capacità di calore, che aiuta a assorbire il calore di decomposizione dopo l'arresto.
  • Trasparenza ai neutroni:[] Mentre l'idrogeno assorbe alcuni neutroni, l'acqua leggera permette ancora un flusso neutronico sufficiente per sostenere una reazione a catena con combustibile arricchito.
  • Rispondenze di sicurezza:[ Il coefficiente di vuoto negativo in BWRs e il coefficiente di temperatura moderatore negativo in entrambi i PWR e BWRs forniscono stabilità intrinseca: se il reattore si riscalda o i vuoti d'acqua aumentano, la moderazione diminuisce, riducendo automaticamente la reattività.

Sfide e limitazioni

Nonostante i suoi vantaggi, l'acqua leggera ha notevoli svantaggi. l'assorbimento del neutrone è superiore a quello dell'acqua pesante o della grafite, che richiede il combustibile arricchito. Il processo di arricchimento aggiunge costi e complessità, e crea un ciclo di combustibile gestito che deve essere accuratamente gestito per prevenire i rischi di proliferazione.

I prodotti di corrosione, gas disciolti e impurità possono essere attivati o depositati sulle superfici del combustibile, che influiscono sul trasferimento termico e sull'aumento della dose di radiazione ai lavoratori delle piante. La chimica dell'acqua deve essere strettamente controllata con additivi come l'acido borico (per il controllo della reattività) e l'idrossido di litio (per la regolazione del pH) nei PWRs.

Inoltre, l’acqua leggera ha un rapporto di moderazione inferiore rispetto all’acqua pesante; nei reattori ad acqua pesante, l’economia di neutroni è così buona che l’uranio naturale può essere utilizzato. L’assorbimento parassita dell’acqua leggera significa che il combustibile deve essere arricchito, che porta tipicamente ad un maggiore brunimento e ad un uso più efficiente delle risorse dell’uranio, ma anche ad una strategia di gestione del combustibile più complessa.

Confronto con altri moderatori

I moderatori di gas di grandi dimensioni sono stati utilizzati nei reattori nucleari commerciali: acqua leggera, acqua pesante e grafite. L'acqua leggera fornisce il nucleo più compatto ma ha bisogno di combustibile arricchito. L'acqua pesante (D]2]O) ha un'intersezione molto inferiore, consentendo il combustibile naturale dell'uranio, ma la sua produzione è ad alta intensità di energia e raffreddato.

Rispettive di sicurezza e di funzionamento

La sicurezza dei reattori ad acqua leggera è strettamente legata alle proprietà dell'acqua come moderatore e refrigerante. Il coefficiente di temperatura negativo della reattività fornisce un meccanismo di auto-regolazione: come il combustibile e il calore refrigerante, la densità dell'acqua diminuisce (o si formano dei vuoti in BWR), riducendo la moderazione e causando la velocità di fissione a cadere.

Un incidente di perdita di raffreddamento (LOCA) riduce sia il raffreddamento che la moderazione, portando ad un complesso gioco di neutroni e idraulica termica. In caso di perdita totale di refrigerante, il nucleo può diventare vuoto, e senza acqua, la moderazione diventa trascurabile: la reazione a catena si ferma, ma il calore di decadimento dei prodotti di fissione continua.

Conclusioni

La combinazione unica di proprietà nucleari, fisiche e chimiche dell’acqua leggera, la sua combinazione di massa quasi perfetta con i neutroni, l’alta densità di idrogeno, la stabilità termica e il duplice ruolo di refrigerante, lo rendono il moderatore di neutroni più utilizzato nelle centrali nucleari.

Per i lettori interessati ad approfondire questo argomento, le seguenti risorse forniscono informazioni autorevoli: