Piccola nota sul calore di decadimento dei combustibili nucleari

Perché il nocciolo è ancora così tanto caldo e per quanto tempo lo resterà? E' una domanda che viene spesso ripetuta nei vari commenti e quindi vale la pena riprenderla e rispondere una volta per tutte.

Quando il reattore viene spento, ovvero quando si arresta la reazione a catena di fissione nucleare, il nocciolo con tutto il suo combustibile non è solamente caldo come il forno di casa appena spento, ma continua scaldarsi a causa del calore prodotto dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione. Per continuare nell'analogia del forno di casa è un po' come se al momento dello spegnimento, girassimo la manopola verso lo spegnimento, ma non completamente.

Il calore prodotto dal decadimento è una grandezza che può facilmente essere modellizzata e quindi possiamo andare a ricostruire un grafico che ci mostra la potenza residua prodotta dai tre reattori che erano in funzione a Fukushima al momento dello spegnimento d'emergenza SCRAM. Il grafico è preso in prestito dal MIT.

Vedete che ci sono due righe colorate, quella blu si riferisce all'unità 1 che è più piccola e contiene nel nocciolo meno barre di combustibile (400), quella rossa invece si riferisce agli altri 2 che sono più grandi (548 barre). Nel momento in cui la reazione viene interrotta, la potenza termica prodotta crolla a circa il 7% del suo valore iniziale per diminuire molto velocemente nelle prime ore. Dopo un paio di giorni è già sotto l'1%, ma da qui in avanti l'andamento a diminuire è molto lento e dopo un anno si arriva intorno allo 0.2% della potenza iniziale.

Dire 0.2%, o 2 per mille che dir si voglia, sembra un numero estremamente piccolo, ma il punto è che è molto grande il livello di partenza, si parla di 1380 MWt per il numero 1 e 2381 MWt per gli altri due. Così dopo un anno la potenza termica è ancora di qualche MWt.

Voglio stressare nuovamente il concetto, il combustibile continua a produrre calore anche dopo un anno con una potenza di qualche megawatt: non è semplicemente caldo, ma tende a scaldarsi ed è per questo che è fondamentale raffreddarlo. Se non venisse raffreddato allora la sua temperatura tenderebbe a salire con il tempo e potrebbe raggiungere tre livelli particolarmente importanti.

• A 1200 gradi centigradi si osserva una rapida ossidazione del rivestimento in zircaloy delle barre di combustibile. Questa ossidazione può causare l'insorgenza di fessurazioni e quindi il rilascio de materiale volatile contenuto all'interno della barra stessa. 
• A 1800 gradi circa si verifica la fusione della lega di zirconio che non è quindi più in grado di contenere i pellets di combustibile.
• Tra 2400 e 2800 gradi l'ossido di uranio si fonde.

Altra nota da tenere in considerazione è la bassa conducibilità termica dell'UO2 (diossido di uranio), ovvero il combustibile. Per questo motivo si viene ad instaurare una grande variazione di temperatura tra la superficie esterna del combustile e la sua parte più interna. Non a caso il combustibile viene confezionato in pellets, ovvero pastiglie compresse di ossido di uranio dalle dimensioni di un centimetro o poco più.