Domande e risposte sui reattori nucleari a fissione

Questo articolo non vuole sostituire la serie di articoli completi circa i vari tipi di reattori nucleari che avevamo pubblicato tempo fa (reattori a fissione, fusione, l'energia nucleare e l'arricchimento dell'uranio), ma vuole solo raccogliere una serie di domande e possibilmente risposte che la gente si sta ponendo in questi momenti di tensione a causa dell'emergenza nucleare in Giappone (Live-blogging).

Se avete altre domande che non sono ancora elencate qui sotto, potete chiedere nel box dei commenti.

Elenco delle domande e risposte:

• Come si spegne un reattore nucleare?
• Perché ci vuole così tanto a spegnere un reattore nucleare?
• Cosa è e come funziona una centrale intrinsecamente sicura?
• Quale combustibile usano i reattori in emergenza in Giappone?
• Cosa succede se si fonde il nucleo?
• Come è fatto un reattore nucleare e come è protetto?
• Cos'è la vasca di soppressione (suppression pool)? E a cosa serve?  
• Come mai esce vapore se il contenimento è stagno? 
• Perché il combustibile spento viene tenuto in piscine o vasche? 
• E' possibile che le barre di combustibile spento si riaccendano? 
• Perché solo adesso hanno iniziato a iniettare acqua del mare? 
• L'acqua di raffreddamento che è in contatto che con le barre diventa radioattiva? Produce vapore radioattivo? 
• Perché ci sono iodio e cesio? 
• Perché gli operatori indossano tute e maschere? 

 

• Come si spegne un reattore nucleare?

Spegnere un reattore significa interrompere la reazione a catena in cui un atomo di combustibile (in genere uranio) rompendosi in due parti emette anche un certo numero di neutroni che andranno a colpire e rompere altri atomi di combustibile. Per spegnere il reattore è necessario abbassare il flusso dei neutroni, così non ci saranno più fissioni, questo è possibile utilizzando le cosiddette barre di controllo, ovvero dei cilindri di materiale che cattura neutroni e che nel reattore sono posizionate tra due o più barre di combustibile.
Lo spegnimento di emergenza, anche noto come SCRAM, avviene inserendo simultaneamente e il più velocemente possibile le barre di controllo all'interno del nocciolo. Una volta che le barre sono nel reattore, questo si spegne quasi istantaneamente (questione di frazioni di secondo) passando dal 100% della sua potenza termica ad un 10% circa. Questa potenza residua non è infatti dovuta alla reazione a catena, ma al decadimento dei prodotti di fissione, ovvero agli altri isotopi radioattivi prodotti dalla fissione nucleare. Il reattore SCRAMmato continuerà a produrre calore per un tempo che va da ore a giorni a seconda del tipo di reattore, della sua potenza e per quanto tempo ha operato a piena potenza. Per questo motivo necessita di essere continuamente raffreddato.

• Perché ci vuole così tanto a spegnere un reattore nucleare?

Decadimento della potenza dopo lo spegnimento
del reattore

Se avete letto la risposta alla domanda precedente, allora avrete già scoperto anche parte di questa risposta. Per interrompere la reazione a catena, che è la principale fonte di calore all'interno del reattore nucleare è una questione di istanti. Ma poi il reattore non è completamente spento: nel senso che non solo è caldo, ma continuerà a produrre calore per svariato tempo. In altre parole, quando spegnete il forno di casa, allora questo resterà caldo, ma nel giro di poche decine di minuti disperderà il suo calore riscaldando l'ambiente e tornerà ad essere freddo. Quando si esegue lo SCRAM di un reattore è come se riducessi la potenza del tuo forno da quella iniziale al 10%, è per questo che ci vuole molto più tempo per raffreddarlo.
Nel caso di un reattore appena spento come quello di Fukushima, la sua potenza termica passa da oltre un 1GW a qualche decina di Megawatt, per poi diminuire piuttosto lentamente come vedete nel grafico qui a fianco. Dopo una settimana dallo spegnimento, il reattore continua a produrre da 5 a 10 Megawatt di potenza che deve essere dissipata se non si vogliono correre rischi di danneggiare il nocciolo.

• Cosa è e come funziona una centrale intrinsecamente sicura? (Domanda di Anonima Prof)?

Si definisce intrinsecamente sicura una centrale nucleare a coefficiente di vuoto negativo. In questo modo avrei forse passato l'esame di ingegneria nucleare, ma di certo non risposto alla tua domanda, cara Anonima Prof.
Come prima cosa dobbiamo definire la reattività di un reattore. Questa è il parametro fondamentale di ogni reattore nucleare perché ci dice come fare per mantenere la potenza termica, ovvero il calore generato dal combustibile, stabile. Facciamo un esempio. Sei in automobile e stai andando a 50 km/h perché sei una cittadina modello che rispetta i limiti di velocità; ad un certo punto incontri una discesa e senza che tu faccia nulla, la velocità dell'auto aumenta. Per mantenerla costante devi come prima cosa togliere il piede dall'acceleratore ed eventualmente pigiare il pedale del freno. La stessa cosa succede per un reattore. Mantenere costante la potenza del reattore significa monitorare il fattore di moltiplicazione, che è un altro modo di dire per il numero di neutroni nel reattore, e che - fatta ancora più semplice - rappresentano il numero di reazioni di fissione che stanno avvenendo. Ora se la densità del liquido di raffreddamento che scorre vicino alle barre di combustibile, oppure le proprietà delle barre di controllo o quelle dello stesso combustibile cambiano (è l'equivalente della discesa, in auto) allora bisogna correggere il fattore di moltiplicazione cambiando per esempio la posizione delle barre di controllo.

Immagine rubata da Wikipedia
alla voce BWR dove trovate anche
la legenda

Veniamo al coefficiente di vuoto. Nei reattori nucleari si deve utilizzare un refrigerante che scorre vicino alle barre perché queste non fondano. Questo refrigerante può essere liquido o gassoso, non necessariamente acqua. Tutti i reattori di Fukushima I sono BWR, ovvero ad acqua bollente, il che significa che acqua bollente ad alta pressione viene fatta scorrere vicino alle barre. L'acqua che bolle è piena di bolle, appunto, e queste sono piene di niente, ovvero vuote. Ora cosa succede quando un neutrone passa attraverso una bolla vuota? Assolutamente nulla, a differenza di quando passa attraverso l'acqua che tende a rallentarlo. Questa differenza tra i pieni e i vuoti deve essere corretta per poter mantenere costante la potenza del reattore. I reattori a coefficiente di vuoto negativo sono quelli in cui se il sistema di raffreddamento presenta più vuoti del normale, cioè l'acqua sta bollendo di più, oppure sta uscendo da qualche parte, allora la potenza del reattore tende a diminuire perché i neutroni non sono moderati a sufficienza. I reattori a coefficiente di vuoto positivo, come il tristemente famoso caso di Chernobyl, si comportano esattamente all'opposto, ovvero scaldano sempre di più in presenza di vuoti.
I reattori BWR sono generalmente a coefficiente di vuoto negativo e quindi intrinsecamente sicuri.

Per i più esperti

In un reattore di tipo BWR, la potenza è essenzialmente regolata tramite il flusso di moderatore (acqua) nel core. Le barre di controllo sono utilizzate per grosse modifiche di reattività. Questo è possibile perché il moderatore è lo stesso liquido che produce il vapore bollente che passerà nelle turbine.

Nel momento in cui si aumenta il flusso nel core per aumentare la potenza, si permette ad un maggior quantitativo di moderatore freddo (quindi, a maggiore densità) di circolare nel vessel: in questo modo l'efficacia del moderatore aumenta (diminuisce la probabilità di leakage dei neutroni) e di conseguenza la reattività (e il calore) aumenta.

Inversamente, quando si vuole diminuire la potenza generata, si riduce il flusso di moderatore che di conseguenza aumenta di temperatura (e la frazione di vapore), la densità del moderatore si riduce e di conseguenza aumenta la probabilità di leakage. Questo tende a ridurre l'efficacia della reazione nucleare.

In pratica, quando si aumenta la potenza generata dalla centrale, il reattore si stabilizza ad una temperatura superiore; quando si riduce la potenza, il reattore si stabilizza ad una temperatura più bassa.

Possiamo definire la reattività = (K_eff - 1)/K_eff, dove k_eff è il fattore di moltiplicazione effettivo. Quando la reattività = 0, il reattore è esattamente critico. 

fonte Valeriano

• Quale combustibile usano i reattori in emergenza in Giappone?

Il reattore 1 della centrale Fukushima I, quello dove è avvenuta l'esplosione, è alimentato con diossido di uranio (in gergo UOX), mentre il reattore 3, l'altro che sta avendo seri problemi, è alimentato con MOX, ovvero una miscela di ossidi di materiali fissili o fertili. In genere è una miscela di ossidi di uranio (naturale, impoverito e riprocessato) e di plutonio.

• Cosa succede se si fonde il nucleo?

Ho deciso di riformulare questa risposta perché come era scritta in precedenza poteva essere interpretata in modo troppo catastrofico. Mai come in questi giorni, mi sto rendendo conto che anche le virgole contano. 

Questa è forse la domanda più terribile che la gente in questi momenti si sta domandando. Il nucleo è quella parte del reattore che contiene le barre di combustibile disposte secondo una precisa geometria in modo da poter sostenere la reazione a catena quando non ci sono barre di controllo e di interromperla quando le barre sono inserite. Il nucleo è incapsulato in altri due sistemi di contenimento (vedi domanda seguente). Una volta che la reazione è iniziata le barre si scaldano e questo calore viene regolato da un refrigerante (in generale acqua) che a sua volta viene utilizzato per produrre energia.
Quando viene progettata una centrale si ipotizza che il disastro peggiore che può succedere è che il nucleo si fonde, quindi perché il reattore possa operare in sicurezza serve progettare un sistema che prevenga il fatto che il nucleo fuso possa creare un pericolo per l'uomo e l'ambiente. 
Se dovesse mancare il raffreddamento o se questo per qualsiasi motivo non dovesse essere sufficiente allora la temperatura delle barre potrebbe superare il punto di fusione (meltdown) trasformandosi in una sorta di magma. Questo combustibile fuso cambia la forma e la geometria delle barre e potrebbe riconfigurarsi in modo tale da re-iniziare la reazione a catena nonostante la presenza delle barre di controllo.
Il combustibile fuso è come una sorta di magma radioattivo a separarlo dall'ambiente restano ancora due barriere protettive. Se la prima (il vessel) dovesse rompersi e lasciarlo uscire, allora entrerebbe in azione la terza ed ultima linea di difesa, il confinamento stagno che è dotato di un dispositivo - il core catcher - in grado di ingabbiare il nucleo fuso. Dopo parecchio tempo, il magma si raffredda e il contenimento diventa una cassaforte piena di metallo fuso altamente radioattivo. Questo è quello previsto dal progetto del reattore, l'unico elemento che non può fallire è l'ultima linea di difesa: il contenitore stagno.
Voi però probabilmente vi starete domandando cosa succede se anche questo fallisse. Questa sarebbe la situazione più catastrofica possibile e anche una vera e propria apocalisse, alti livelli di radiazione, contaminazione e sarebbe una nuova Chernobyl, però al momento siamo molto lontani da questo punto.
Giusto per tranquillizzare i più paurosi: anche se dovesse fondere il nocciolo questo non esplode come una bomba atomica.
Per meglio comprendere come la sicurezza di un reattore nucleare sia garantita dai tre livelli di contenimento vi consiglio di leggere la risposta alla domanda seguente.

• Come è fatto un reattore nucleare e come è protetto?

Visto che stiamo parlando di noccioli che fondono, barre di uranio e vasche di contenimento, forse è meglio chiarire di cosa stiamo parlando anche guardando questo disegno che vi vado a spiegare nel dettaglio. Sottolineo che il discorso è valido per i reattori di Fukishima I, ma piuttosto facilmente estensibile ad ogni BWR.

Schema di un BWR dove sono visibili sia il contenimento del nocciolo sia quello secondario
esploso a Fukushima

Partiamo dal combustibile. Questo è diossido di uranio, che potete immaginare come una ceramica che fonde a circa 3000 gradi della forma di una grossa pastiglia, il termine tecnico è pellet, proprio come quelli della stufa, ma di UOX anziché legno. Questi pellets sono infilati in un tubo di Zircaloy (temperatura di fusione 2200 gradi), una lega di zirconio altamente resistente alla corrosione. Questo è il primo confinamento, la divisione tra il combustibile e il mondo esterno. Queste barre di zircaloy sono raggruppate secondo una specifica geometria e disposte all'interno del reattore. Questo è il nocciolo o nucleo.
Il nucleo è quindi inserito nel cosiddetto vessel, ovvero un pentolone estremamente resistente che contiene le barre e in cui viene fatta circolare l'acqua di raffreddamento. All'interno del vessel possono essere inserite le barre di controllo per modificare il fattore di moltiplicazione, ovvero la potenza termica del reattore ed eventualmente arrestarlo. Il vessel è appoggiato su un grosso piedistallo di cemento riempito con materiali speciali che servono a formare il cosiddetto "core-catcher" di cui vi parlerò nel prossimo paragrafo.
Il vessel con tutti i servizi (tubi, condotte, riserve d'acqua, ecc) sono inseriti in un ulteriore contenitore. Questo è una struttura a tenuta stagna realizzata in acciaio e la sua ragione di esistere è quella di contenere il nucleo in caso di una fusione parziale o completa. In linea di principio questo terzo contenimento dovrebbe essere in grado di contenere l'intero nucleo fuso per tempo indeterminato. Infatti in caso di completa fusione del nucleo e successiva rottura del vessel, il magma di combustibile viene catturato dalla grafite che agisce da moderatore e interrompe la reazione a catena, fermandone l'espansione.
Il terzo contenimento è circondato da un edificio, che è quello che è esploso nei reattori 1 e 3 di Fukushima e che agisce solo da protezione contro gli agenti atmosferici.
(Parte delle informazioni in questa risposta sono state riadattate da questo bell'articolo in inglese).

• Cos'è la vasca di soppressione (suppression pool)? E a cosa serve?

Le ultime notizie riguardo l'esplosione che ha colpito il reattore 2 di Fukushima 1 parlano di un boato proveniente dalla vasca di soppressione (in inglese suppression pool). Se guardate il diagramma del reattore rappresentato nell'immagine qui sopra, noterete che nella centrale al di sotto del nocciolo c'è una struttura a forma di ciambella (si chiama toro in linguaggio tecnico). Questa contiene acqua che può essere utilizzata per far condensare vapore in eccesso in caso di emergenza. Quando è avvenuta l'esplosione la pressione all'interno della vasca è scesa di circa due atmosfere suggerendo che ci fosse una perdita. Questo sospetto è aumentato quando è stato misurato un picco di radioattività (8 mSv/h) sul bordo della centrale, ma poi è subito scesa. Verifiche effettuate non appena possibile hanno però confermato che non ci sono stati danni al confinamento esterno che è la parte più importante per eventualmente contenere il nocciolo fuso.

• Come mai esce vapore se il contenimento è stagno? (domanda di Anonimo 42)

Perché viene lasciato uscire attraverso delle apposite valvole. Cerchiamo di capire il perché. Nel caso di nucleo caldo e perdita di raffreddamento, l'acqua che è vicina alle barre tende a evaporare, formando del vapore acqueo. Questo vapore, in condizioni di funzionamento normale viene fatto condensare nella vasca di soppressione, ma in caso di LOCA (incidente da perdita di raffreddamento) il vapore è troppo per essere smaltito. Bisogna far uscire dal vessel pressurizzato questo vapore perché altrimenti si va ad accumulare ed impedisce all'acqua di tornare a circolare qualora il raffreddamento venisse riattivato. Ci sono delle valvole di emergenza che servono allo scopo e permettono di ridurre la pressione rilasciando nell'ambiente il vapore acqueo. Tutti i fumi emessi dal reattore vengono fatti passare attraverso filtri, ma qualcosa che scappa c'è sempre.
Se il combustibile è ben isolato nelle barre, allora il vapore emesso è sì radioattivo, ma non contiene prodotti di fissione. Questo è importante perché gli isotopi che si creano nell'acqua di raffreddamento hanno una vita media talmente breve che difficilmente possono arrecare danni all'ambiente e all'uomo. In caso contrario, ci può essere dispersione di elementi molto più pericolosi, tra i quali, ma non solo, i molto volatili Cesio-137 e Iodio-131 di cui tanto si parla.
L'esplosione che è avvenuta al reattore 2 è stata verosimilmente causata (la causa verrà confermata solo quando l'emergenza sarà terminata e inizierà l'indagine vera e propria) da una di queste valvole di ventilazione di emergenza che non si è aperta.

• Perché il combustibile spento viene tenuto in piscine o vasche?

Il combustibile spento, ovvero quello che è già stato utilizzato e che altre volte viene chiamato altamente irraggiato, contiene tutti i prodotti di fissione, ovvero gli atomi più piccoli in cui l'uranio si è spaccato. La gran parte di questi è radioattiva ed ha un tempo di dimezzamento molto breve, non tutti a dire la verità, ce ne sono alcuni che ci resteranno sullo stomaco per molti anni se non secoli (ahi le scorie!). Fin tanto che le barre sono dentro al reattore, il fatto che siano altamente radioattive non è un problema, perché il contenimento del reattore scherma bene, e queste radiazioni aiutano a scaldare l'acqua e produrre energia. Ma quando togliamo il combustibile, per mettercene di nuovo, tutta questa attività diventa un duplice problema. Il primo è che vogliamo abbattere la dose che producono e quindi ci serve uno schermo, la seconda è che vorremmo tenerle al fresco per evitare che questi decadimenti radioattivi possano surriscaldarle e rovinarle. L'acqua è la soluzione ad entrambi i problemi: è uno buono schermo e si può tenere al fresco! Il fatto che queste piscine abbiano un tipico colore blu "nucleare" dipende dall'effetto Cerenkov.

• E' possibile che le barre di combustibile spento si riaccendano?

Il termine tecnico è diventino critiche. La criticalità è una configurazione geometrica di materiale fissile in cui il campo di neutroni è in grado di sostenere in modo autonomo la reazione a catena. In principio il combustibile spento può raggiungere la criticità, una criticità accidentale perché chiaramente non voluta, ma è piuttosto improbabile, perché c'è molto spazio tra di loro, il combustibile non è più così ricco di U-235 come lo era quando era fresco e soprattutto contiene molti elementi chiamati "veleni" prodotti dalla reazione a catena e che catturano i neutroni.

• Perché solo adesso hanno iniziato a iniettare acqua del mare?

Utilizzare l'acqua del mare per raffreddare i noccioli dei reattori e anche i contenitori è l'ultima spiaggia. L'acqua di mare contiene tantissime impurezze, sale in primo luogo, che andranno a danneggiare tutti i sistemi di servizio e di controllo del reattore. In pratica nel momento in cui viene iniettata acqua di mare si firma la dichiarazione di morte del reattore che dopo non potrà più essere utilizzato. Insieme all'acqua viene iniettato anche boro, un elemento in grado di assorbire neutroni e che quindi dovrebbe interrompere eventuali reazioni di fissione che sono ripartite a causa della parziale fusione e riconfigurazione del combustibile.

• L'acqua di raffreddamento che è in contatto che con le barre diventa radioattiva? Produce vapore radioattivo? (domanda di Anonimo 29)

Le barre di combustibile sono dei tubi di zircalloy che contengono pastiglie di ossido di uranio arricchito. L'acqua di raffreddamento non entra mai in contatto con l'uranio e quindi non può portare via i prodotti di fissione che sono altamente radioattivi. Questo però non significa che l'acqua non diventi radioattiva. Infatti nonostante quell'acqua sia particolarmente pura e privata di quasi tutti i minerali (demineralizzata), contiene una minima parte di impurezze che possono attivarsi sotto l'effetto dell'enorme flusso di neutroni all'interno del reattore. In genere questi isotopi hanno tempi di dimezzamento molto brevi e quindi non sono mai un problema per l'uomo o per l'ambiente, anche perché si tratta di un circuito chiuso che viene svuotato solo in casi eccezionali.
Se facendo un'analisi della radioattività dell'acqua dovessi scoprire Cesio o Iodio che sono indiscutibilmente prodotti di fissione, allora avrei una prova provata che che le barre di zircalloy sono compromesse e che l'acqua è venuta in contatto con il combustibile nucleare.
Iniettare acqua di mare significa avere molte più impurezze e di conseguenza il rischio di avere molta più radioattività nell'acqua ed eventualmente nel vapore prodotto.

• Perché ci sono iodio e cesio?

Durante la reazione di fissione un atomo di uranio si spacca in due piccoli. Tra questi, ci sono e sono particolarmente pericolosi per la salute iodio e cesio.

• Perché gli operatori indossano tute e maschere?

Questi dispositivi di protezione non servono tanto a schermare dalle radiazioni, dovrebbero essere di piombo e sarebbe impossibile compiere qualsiasi attività, ma piuttosto servono per evitare la contaminazione con sostanze tossiche e radioattive prodotte all'interno della reazione. Il fatto che molti Giapponesi vadano in giro indossando una mascherina non è molto significativo, o meglio non è necessariamente collegato alla contaminazione, visto che le indossano regolarmente anche in situazioni normali.

Avete altre domande? Fatele (scrivete nel box qui sotto) e cercherò di rispondervi!