I reattori nucleari sono meravigliati dell'ingegneria moderna, sfruttando l'immensa energia rilasciata dalla fissione nucleare per generare energia elettrica. Al centro di ogni reattore si trova la necessità di sostenere e controllare una reazione a catena, una sequenza autopropagante di eventi di fissione. Senza una gestione attenta, una reazione simile potrebbe o spegnere o escalare pericolosamente. La chiave di questo equilibrio è il moderatore di neutroni, un materiale che rallenta i neutroni per esplorare precisamente il giusto livello di energia.

La Fisica della Moderazione di Neutron

Quando un uranio-235 o plutonio-239 subisce una fissione, esso rilascia in genere due o tre neutroni ad alta energia, viaggiando a velocità di circa 20.000 km/s (energie di circa 2 MeV). Questi neutroni di acqua leggera sono relativamente bassi]] sono in grado di dividere altri nuclei fissili, ma la probabilità (sezione trasversale) di luce è relativamente bassa

La moderazione avviene attraverso collisioni elastiche tra neutroni e nuclei del materiale moderatore. In ogni collisione, il neutrone trasferisce una frazione della sua energia cinetica al nucleo di destinazione. L'idrogeno più leggero assorbe il nucleo di destinazione (cioè, più vicino in massa al neutrone), maggiore è la perdita di energia per collisione.

Materiali di moderatore comuni

Solo una manciata di materiali soddisfano i severi requisiti per un moderatore di neutroni: massa atomica bassa, sezione trasversale a basso assorbimento di neutroni, sezione trasversale ad alta dispersione, stabilità chimica e termica, e convenienza.

Acqua leggera (H2O)

L'acqua leggera è il moderatore più comune, utilizzato nei reattori ad acqua pressurizzata (PWRs) e nei reattori ad acqua bollente (BWRs), che insieme rappresentano la maggior parte delle centrali nucleari del mondo. I suoi vantaggi includono basso costo, alta efficienza moderante e l'uso simultaneo come un refrigerante. Tuttavia, l'idrogeno normale ha una sezione trasversale di assorbimento relativamente alta per neutroni termici (0.332-23

Acqua pesante (D2O)

L'acqua pesante (ossido di deuterio) sostituisce l'idrogeno ordinario con il deuterio, un isotopo di idrogeno con un neutrone. Il deuterio ha una sezione trasversale di assorbimento molto inferiore (0.0005 barni) rispetto all'idrogeno, permettendo all'acqua pesante di essere un moderatore altamente efficiente con una perdita di neutroni minima.

Grafite (Carbon)

I reattori di sicurezza di Graphite (Cyrkos) di Enrico Fermi (Cycule-1 (1942) si basano su un mucchio di blocchi di grafite come moderatore.

Altri materiali moderatori

Il bio-reattore a gas (FLT:1] offre un eccellente rapporto di moderazione ma è costoso e tossico, limitando il suo uso a determinati reattori di ricerca e sistemi nucleari spaziali.

Criteri di selezione moderatori

La scelta di un moderatore per un reattore comporta il bilanciamento di diversi fattori:

  • Potenza di riduzione[[[] – la perdita media dell'energia logaritmica per lunghezza del percorso unitario (ξ Σs).
  • Rapporto di modifica[[] – il potere di rallentamento diviso dalla sezione trasversale di assorbimento macroscopico (ξ Σs / Σa).
  • Sezione trasversale di assorbimento di neutroni[[[] – materiali che assorbono troppi neutroni rendono il reattore inefficiente o richiedono combustibile arricchito.
  • Compatibilità coolant[[] – in molti progetti, il moderatore serve anche come refrigerante (ad esempio acqua leggera); in altri, sono separati (ad esempio, CANDU, reattori raffreddati a gas).
  • Costo e disponibilità[[] – l'acqua leggera è economica; l'acqua pesante e il berillio sono costosi; la grafite è moderata ma richiede volumi di grandi dimensioni.
  • Stabilità della radiazione[[[] – il moderatore non deve degradare rapidamente sotto l'irradiazione dei neutroni. Il grafite subisce cambiamenti dimensionali (effetto del fulcro); l'acqua può subire la radiolisi (splitting in idrogeno e ossigeno), che richiedono sistemi di ricombinazione.
  • caratteristiche di sicurezza[[[]] – il moderatore dovrebbe contribuire a una temperatura negativa o un coefficiente di vuoto, aiutando il reattore a rallentare o a spegnere se l'energia aumenta.

Queste considerazioni spiegano perché l'acqua leggera domina i reattori commerciali nonostante il suo assorbimento più elevato: è economica, prontamente disponibile, e serve il doppio dovere come refrigerante, che semplifica il sistema generale. L'acqua pesante viene utilizzata dove non è desiderato l'arricchimento del carburante.

Moderatori in Reactor Design

Il ruolo del moderatore varia in modo significativo tra i tipi di reattore. Di seguito è un riassunto di come i moderatori si integrano nelle principali famiglie di reattori.

Reattori per acqua pressurizzata (PWR) e reattori per acqua di boiling (BWRs)

Entrambi sono reattori ad acqua leggera (LWRs). In PWRs, il moderatore di temperatura dell'acqua/raffreddante è tenuto sotto pressione alta (circa 15.5 MPa) per evitare che l'ebollizione del calore venga spostata tramite un generatore di vapore.

Reattori CANDU

I reattori CANDU utilizzano acqua pesante come moderatore e refrigerante, ma in sistemi separati. Il moderatore è in un grande serbatoio (calandria) che circonda i canali di combustibile ed è tenuto a bassa temperatura e pressione. L'acqua pesante refrigerante scorre attraverso i tubi di pressione che contengono il combustibile, che operano a temperatura e pressione più elevate.

RBMK e Reattori a gas

I reattori RLTMK (Soviet-designed) usano ] come moderatore e acqua leggera come il refrigerante. I blocchi di grafite sono disposti in un grande pila perforato da tubi di pressione che contengono il combustibile e il refrigerante ad alta efficienza.

Reattori di ricerca e di sviluppo

I reattori TRIGA utilizzano ]zirconium hydride] come moderatore, intimamente mescolato con il combustibile dell'uranio nelle barre di combustibile. Questo dà un coefficiente di temperatura negativo estremamente forte: come il combustibile si riscalda, gli atomi di idrogeno del moderatore si muovono più velocemente e sono meno efficaci, rapidamente diminuendo la reattività.

Sicurezza e controllo attraverso la moderazione

Il moderatore non è solo un componente passivo, le sue proprietà fisiche influiscono direttamente sulla sicurezza del reattore. Tre concetti importanti sono il coefficiente di reattività [, il coefficiente void[[]], e l'interazione ]] dell'asta di controllo.

In LWRs, il coefficiente di temperatura moderatore è negativo: come aumenta la temperatura dell'acqua, la sua densità diminuisce, riducendo il numero di atomi di idrogeno per volume e riducendo così la moderazione. Questo riduce il flusso di neutroni termici e abbassa il tasso di fissione. Questo feedback negativo è una caratteristica di sicurezza cruciale che aiuta a prevenire le escursioni di potenza in fuga.

I reattori a gas grafite possono avere un coefficiente di vuoto positivo se il refrigerante è acqua (come nel RBMK), perché la grafite continua a moderare efficacemente anche se i vuoti di raffreddamento ad acqua.

Le barre di controllo, che contengono in genere materiali di assorbimento dei neutroni come il boro o il cadmio, sono inserite per assorbire neutroni in eccesso e regolare la reazione della catena. L'efficienza del moderatore influenza quanti barre di controllo sono necessari e dove sono posizionate. In alcuni disegni, il moderatore stesso può essere regolato (ad esempio, variando il livello di acqua pesante in un reattore CANDU) per controllare la reattività senza barre di controllo in movimento.

Concetti Moderatori avanzati e futuri

La ricerca nei reattori di prossima generazione sta esplorando nuove tecnologie di moderatore I reattori di neutroni ad alta temperatura (MSRs) possono usare una miscela di fluoro di litio e fluoruro di berillio (FLiBe) come trasportatore di neutroni e moderatore—il litotipo-7 (che significa ridurre la produzione di tritium) e il berillium hanno sezioni di neutroni ad alto assorbimento.

Un altro viale è ] moderatori di idruro di metallo] come zirconio idruro (già usato in TRIGA) per piccoli reattori modulari (SMR) e microreattori. Questi forniscono alta densità di idrogeno per volume, portando a nuclei di sicurezza molto compatti.

Infine, il concetto di un moderatore come elemento di controllo[[]] sta guadagnando interesse: dai fluidi di controllo della temperatura o variando la densità effettiva del moderatore (ad esempio, inserendo vuoti o controllando un livello moderatore liquido), i reattori possono ottenere un controllo di reattività fine senza spostare parti meccaniche, che potrebbero semplificare il design e migliorare l'affidabilità .

Conclusioni

I moderatori di neutroni sono fondamentali per il rilascio controllato dell’energia nucleare. Riducendo l’energia cinetica dei neutroni fissili ai livelli termici, consentono reazioni efficienti e stabili della catena nei reattori che utilizzano spettro di neutroni termici. La scelta del moderatore, dell’acqua leggera, dell’acqua pesante, della grafite o dei materiali avanzati come idridi di berillio, determina aspetti chiave del progetto di un reattore, dei requisiti di combustibile, delle caratteristiche operative, delle caratteristiche di sicurezza e dei costi.

Per ulteriori informazioni, vedere l'articolo Wikipedia sui moderatori di neutroni[, l' U.S. NRC glossario [[, e una discussione dettagliata della fisica dei moderatori in ]ScienceDirect’s engineering Overview.