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 UO_2). 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.