Che cosa è il reattore ad acqua pressurizzata (PWR)

L'energia nucleare è una fonte vitale di energia e i reattori ad acqua pressurizzata (PWR) sono la sua implementazione più comune. Questi reattori utilizzano una reazione a catena controllata per generare calore, che aziona le turbine che producono elettricità.

Questo articolo approfondisce il funzionamento interno dei PWR, discutendone componenti, processi e caratteristiche. Esamineremo come la fissione produce energia ed esploreremo come sono progettati i sistemi del reattore e i vantaggi e gli svantaggi di questa progettazione.

Che cosa è un reattore ad acqua pressurizzata

Un reattore ad acqua pressurizzata (PWR) è un tipo di reattore nucleare che utilizza acqua ordinaria, nota come acqua leggera, sia come refrigerante che come moderatore di neutroni. Questo design è caratterizzato dal mantenimento dell'acqua nel circuito di raffreddamento primario ad alta pressione. Ciò impedisce all'acqua di bollire, anche a temperature di esercizio elevate. Il calore generato viene quindi trasferito a un circuito secondario, producendo vapore per la generazione di elettricità. I PWR sono il tipo più comune di reattore nucleare utilizzato nelle centrali nucleari a livello globale.

Come funzionano i reattori ad acqua pressurizzata

Il funzionamento di un PWR coinvolge diversi processi chiave, tra cui la fissione nucleare, il trasferimento di calore, la generazione di vapore, la generazione di elettricità e il riciclaggio dell'acqua.

Fissione nucleare

La fissione nucleare è il processo al centro della produzione di energia in un PWR. Comporta la scissione di nuclei atomici pesanti, come l'uranio, quando vengono bombardati con neutroni. Questo processo di scissione rilascia una grande quantità di energia sotto forma di calore e rilascia anche più neutroni. Questi neutroni rilasciati possono quindi indurre ulteriori reazioni di fissione, creando una reazione a catena autosostenuta all'interno del nucleo del reattore. Questa reazione a catena è attentamente controllata utilizzando barre di controllo che assorbono neutroni, assicurando che la velocità di reazione sia stabile e sicura.

Trasferimento di calore

Il calore generato tramite fissione nucleare nel nocciolo del reattore viene trasferito al circuito di raffreddamento primario. Questo circuito contiene acqua mantenuta ad alta pressione per impedirne l'ebollizione. L'acqua riscaldata viene fatta circolare attraverso il nocciolo del reattore e poi verso il generatore di vapore. Nel generatore di vapore, quest'acqua riscaldata passa attraverso tubi, trasferendo il suo calore all'acqua nel circuito secondario. Il circuito di raffreddamento primario funziona come un sistema chiuso, facendo circolare ripetutamente la stessa acqua.

Generazione di vapore

Il circuito secondario in un PWR è dove viene generato il vapore. Il calore trasferito dal circuito primario al circuito secondario riscalda l'acqua nel circuito secondario. Quest'acqua si converte in vapore ad alta pressione. Questo vapore ad alta pressione viene utilizzato per azionare le turbine. La separazione dei circuiti dell'acqua primario e secondario assicura che tutti i materiali radioattivi rimangano contenuti nel circuito primario, migliorando la sicurezza.

Generazione di elettricità

Il vapore ad alta pressione prodotto nel generatore di vapore viene diretto a una turbina. La forza del vapore fa ruotare le pale della turbina, che è collegata a un generatore di elettricità. Il generatore converte l'energia meccanica della turbina rotante in energia elettrica. Questa elettricità viene quindi distribuita tramite reti elettriche alle case e alle industrie.

Condensa e riciclo dell'acqua

Dopo essere passato attraverso la turbina, il vapore viene raffreddato e condensato nuovamente in acqua in un condensatore. Questo processo consente all'acqua di essere riciclata nuovamente nel circuito secondario. Viene preriscaldata e restituita al generatore di vapore per essere riutilizzata. Questo sistema a circuito chiuso riduce al minimo il consumo di acqua e massimizza l'efficienza.

Componenti dei reattori ad acqua pressurizzata

Diversi componenti chiave costituiscono un PWR:

Nucleo del reattore

Il nocciolo del reattore è il luogo in cui avviene la fissione nucleare ed è costituito da:

• Barre di combustibile e gruppi: Le barre di combustibile, contenenti il combustibile nucleare, sono disposte in insiemi. Questi insiemi sono immersi in acqua all'interno del nocciolo del reattore.
• Carburante: L'uranio arricchito viene utilizzato come combustibile. Di solito si presenta sotto forma di pellet di ceramica.
• Barre di controllo: Queste barre sono realizzate in materiali che assorbono neutroni, come boro o cadmio. Sono inserite nel nucleo per regolare la velocità di fissione nucleare assorbendo neutroni e mantenendo una reazione a catena stabile.

Reattore a pressione

Il recipiente a pressione del reattore è un contenitore grande e robusto che ospita il nocciolo del reattore, il refrigerante e altri componenti interni. È progettato per resistere a temperature e pressioni elevate.

Moderatore e refrigerante

L'acqua comune (acqua leggera) funge sia da moderatore di neutroni che da refrigerante in un PWR. Come moderatore, rallenta i neutroni rilasciati durante la fissione, rendendoli più inclini a causare ulteriori reazioni di fissione. Come refrigerante, rimuove il calore generato dalla fissione.

Pressurizzatore

Il pressurizzatore è un recipiente collegato al circuito primario che mantiene il sistema a una pressione elevata e costante. Utilizza riscaldatori e acqua per controllare la pressione del refrigerante primario, impedendone l'ebollizione.

Generatore di vapore

Il generatore di vapore trasferisce calore dal circuito primario del refrigerante al circuito secondario. L'acqua nel circuito secondario viene trasformata in vapore, che viene poi utilizzato per azionare le turbine.

Circuito di raffreddamento primario

Il circuito di raffreddamento primario è un sistema chiuso contenente il nocciolo del reattore, il pressurizzatore e il generatore di vapore. Fa circolare acqua ad alta pressione per trasferire calore dal nocciolo del reattore al generatore di vapore.

Circuito di raffreddamento secondario

Il circuito di raffreddamento secondario contiene il generatore di vapore, la turbina, il condensatore e le relative tubazioni. È separato dal circuito primario. Trasporta il vapore alla turbina e restituisce l'acqua al generatore di vapore.

Caratteristiche principali dei reattori ad acqua pressurizzata

Diverse caratteristiche chiave definiscono i PWR:

• Sistema idrico pressurizzato:Il circuito di raffreddamento primario viene mantenuto ad alta pressione per evitare che l'acqua bolla, consentendo un efficiente trasferimento di calore ad alte temperature.
• Sistema a due loop: La separazione dei circuiti di raffreddamento primario e secondario impedisce che i materiali radioattivi raggiungano la turbina a vapore e garantisce la sicurezza.
• Reattore ad acqua leggera:I PWR utilizzano acqua comune sia come moderatore di neutroni che come refrigerante, che è facilmente reperibile ed efficace per il processo.

Vantaggi dei reattori ad acqua pressurizzata

• Funzionamento stabile: L'uso di un coefficiente di temperatura negativo assicura che il reattore sia autoregolante. Se la temperatura aumenta, il tasso di fissione diminuisce, impedendo picchi di potenza incontrollati.
• Trasferimento termico efficace: L'acqua è un ottimo refrigerante, che rende efficiente la rimozione del calore dal nocciolo del reattore.
• Separazione dei loop: La separazione dei circuiti primario e secondario impedisce che materiali radioattivi entrino nel sistema della turbina a vapore, aumentando la sicurezza.

Svantaggi dei reattori ad acqua pressurizzata

• Alta pressione: L'elevata pressione nel circuito di raffreddamento primario richiede sistemi di contenimento robusti e costosi.
• Uranio arricchito: I PWR necessitano di combustibile all'uranio arricchito, la cui produzione è più costosa e complessa.
• Corrosione: Le elevate temperature e pressioni all'interno del sistema del reattore possono nel tempo provocare la corrosione dei componenti, rendendo necessaria una manutenzione e delle ispezioni regolari.
• Potenziale di incidenti: Nonostante siano state adottate misure di sicurezza, la possibilità di un grave incidente con rilascio di radiazioni continua a destare preoccupazione, il che richiede misure di sicurezza avanzate e una pianificazione di emergenza.
• Gestione dei rifiuti: Gli impianti PWR producono rifiuti radioattivi che richiedono un'attenta gestione, conservazione e smaltimento, rappresentando una sfida ambientale a lungo termine.