Un reattore nucleare è un dispositivo in cui ha luogo una reazione nucleare a catena controllata e viene rilasciata energia. I reattori nucleari vengono utilizzati nelle centrali nucleari per generare elettricità e anche nella propulsione di navi o sottomarini.

Esistono anche reattori che producono isotopi per usi medici e industriali, reattori per la produzione di plutonio per armamenti e altri reattori usati esclusivamente per la ricerca.

L'energia viene rilasciata nei reattori nucleari sotto forma di calore. Questo calore può essere convertito in una forma di energia utilizzabile dalla società. In una tipica centrale nucleare, ciò può essere semplice come far bollire l'acqua per produrre vapore che fa girare le turbine per azionare i generatori elettrici.

La prima centrale nucleare commerciale fu aperta nel 1956 a Sellafield, in Inghilterra, con una capacità iniziale di 50 MW. La figura qui sotto mostra i componenti principali di una tipica centrale nucleare: Legenda: (A) struttura di contenimento, (B) barre di controllo, (C) recipiente del reattore, (D) generatore di vapore, (E) linea del vapore, (F) turbina a vapore, (G) generatore, (H) elettricità ai consumatori, (I) condensatore, (J) spruzzatore, (K) vapore acqueo, (L) torre di raffreddamento.

La reazione a catena in un reattore nucleare è esattamente critica, quindi, in media, solo un neutrone da ogni nucleo che fissiona porta alla fissione in un altro nucleo. Per rendere ciò possibile, il cuore del reattore contiene diversi componenti che vengono utilizzati per mantenere le condizioni di criticità.

I neutroni rilasciati nella fissione hanno circa 1-2 MeV di energia. Tali neutroni veloci hanno una probabilità molto bassa di causare la fissione di ²³⁵U e quindi questi neutroni passeranno accanto a molti, molti nuclei prima di essere assorbiti da uno di essi e indurre la fissione. Una soluzione è rallentarli, in modo che abbiano energie dell'ordine di una frazione di eV.

Si può pensare alla maggiore probabilità come derivante dal fatto che i neutroni lenti trascorrono più tempo a contatto con il nucleo di Uranio. Chiamiamo tali neutroni neutroni termici, perché le loro energie cinetiche sono prossime alle energie cinetiche delle molecole nell'aria che ci circonda. Per rallentare i neutroni in un reattore a fissione, ad esempio, si riempiono i vuoti tra il materiale fissile con un cosiddetto moderatore, ad esempio acqua o grafite.

Un reattore che funziona con neutroni termici è chiamato reattore termico. Il diagramma a destra mostra i componenti principali (1-3) e i processi (A-D) in un reattore termico: (1) barra di combustibile, (2) moderatore, (3) barra di controllo, (A) fissione, (B) moderazione, (C) assorbimento nella barra di controllo, (D) cattura nel materiale fissile.

Se un neutrone collide con un nucleo, il neutrone potrebbe diffondersi in qualsiasi direzione, anche fuori dall'area attiva. Pertanto, circondare il materiale fissile con una sostanza non assorbente che diffonderà i neutroni indietro aumenta il numero di possibili collisioni.

Tale materiale che circonda il materiale fissile nei reattori nucleari è chiamato riflettore. Un riflettore di neutroni può rendere una massa altrimenti sottocritica di materiale fissile critica.

L'acciaio, il berillio o la grafite sono materiali riflettori comuni. Un riflettore fatto di un materiale leggero come grafite o berillio fungerà anche da moderatore di neutroni, riducendo l'energia cinetica dei neutroni, mentre un materiale pesante come il piombo avrà un effetto minore sull'energia dei neutroni.

L'animazione a sinistra illustra l'effetto di un materiale riflettore.

Vogliamo che la produzione di energia sia il più efficiente possibile. Tuttavia, se l'efficienza è troppo alta, si potrebbe finire con un'esplosione nucleare, una situazione da evitare! I reattori nucleari sono costruiti in modo che un'esplosione nucleare non sia possibile. Per raggiungere questo obiettivo è necessario avere la possibilità di ostacolare una reazione a catena se si sviluppa troppo rapidamente. Ciò si ottiene dividendo il materiale fissile in masse inferiori alla cosiddetta massa critica, in modo che i neutroni non trovino nuclei fissili così facilmente. I pezzi di uranio in questione sono poi chiamati sottocritici.

I neutroni possono facilmente sfuggire dalle superfici dell'uranio, prima che si possa verificare un accumulo di energia pericoloso. Inoltre, tra i blocchi di materiale fissile si possono posizionare le cosiddette barre di controllo che assorbono fortemente i neutroni. Più le barre di controllo sono inserite tra il materiale fissile (barre di combustibile), più è difficile per i neutroni prodotti dalla fissione collidere con un altro nucleo di uranio, risultando in una reazione a catena più limitata e in una diminuzione della produzione di energia.

L'animazione a destra illustra l'effetto delle barre di controllo al cadmio in un reattore a fissione.

La maggior parte dei reattori nucleari termici usa ²³⁵U come combustibile. Tuttavia, la sua bassa abbondanza in natura (0,72% dell'uranio naturale, principalmente ²³⁸U) rende impossibile la reazione a catena quando si usa l'uranio naturale. Pertanto il combustibile del reattore deve essere arricchito con ²³⁵U. Il grado di arricchimento nei reattori nucleari di potenza e di ricerca varia da circa il 2% a circa il 40%. In reattori di tipo più vecchio, specialmente quelli usati nei sottomarini, l'arricchimento potrebbe anche superare il 90%.

Il combustibile può essere preparato sotto forma di pellet di UO₂, spessi alcuni centimetri. Questi pellet sono disposti sotto forma di barre di combustibile. Si possono usare anche varie leghe di uranio con altri metalli, ad esempio l'alluminio. Una proposta recente è quella di usare elementi di combustibile nucleare sferici appositamente progettati.

Esistono anche reattori che impiegano neutroni veloci. In tali reattori, l'assorbimento di un neutrone da parte di ²³⁸U porta alla formazione di ²³⁹Pu fissile. Questo isotopo di plutonio può essere estratto dal combustibile esausto e usato per la produzione del cosiddetto combustibile MOX contenente i due materiali fissili, ²³⁵U e ²³⁹Pu.

Di gran lunga i reattori più diffusi usano l'acqua come moderatore e refrigerante. Il Reattore ad Acqua Pressurizzata (PWR o la versione russa VVER) è di questo tipo. Proprio come la pressione in una pentola a pressione aumenta il punto di ebollizione dell'acqua, così avviene in un PWR... tranne che la pressione è enorme, circa 15 MPa, quindi l'acqua nel circuito di raffreddamento primario raggiunge temperature fino a 600 K senza bollire! Quello che bolle nei generatori di vapore è l'acqua di un circuito secondario al quale viene trasferito il calore dal circuito primario. Un'altra versione di reattore, il Reattore a Pressione ad Acqua Pesante Moderata (PHWR), usa acqua pesante (D₂O) come moderatore. Esistono anche i cosiddetti Reattori ad Acqua Bollente (BWR), in cui l'acqua bolle direttamente all'interno del reattore.

Esistono altri tipi di reattori che sfruttano i neutroni termici:

Reattori Raffreddati a Gas in cui biossido di carbonio (CO₂) o elio vengono utilizzati per il raffreddamento. Il gas viene pompato attraverso canali nel moderatore di grafite.

Reattore canadese al deuterio-uranio (CANDU) in cui l'acqua pesante svolge il ruolo di moderatore e refrigerante. A causa delle perdite di neutroni trascurabili in D₂O, tali reattori possono usare uranio naturale come combustibile.

Schema di un reattore CANDU: 1 - fascio di combustibile, 2 - cuore del reattore, 3 - barre di controllo, 4 - serbatoio a pressione D₂O, 5 - generatore di vapore, 6 - pompa dell'acqua, 7 - pompa D₂O, 8 - servomeccanismi di carica combustibile, 9 - moderatore D₂O, 10 - tubo a pressione, 11 - vapore alla turbina, 12 - acqua fredda dalla turbina, 13 - edificio di contenimento (Crediti immagine: Creative Commons)

Reattori ad alta potenza con tubi a pressione (RBMK) con moderatori a grafite erano diffusi nell'ex Unione Sovietica perché potevano essere usati per la produzione di plutonio per armamenti (²³⁹Pu). Questo tipo di reattore fu coinvolto nell'incidente di Chernobyl nel 1986.

I reattori nucleari possono utilizzare neutroni veloci con energie di 50-100 keV. Tali reattori tipicamente non hanno moderatori e possono produrre efficacemente ²³⁹Pu fissile che può poi essere riutilizzato come combustibile. Possono essere raffreddati da elio o sodio liquido e possono essere resi abbastanza compatti, per esempio per essere usati sui sottomarini. Un esempio di centrale nucleare che funziona con un reattore a neutroni veloci era SUPERPHENIX, che operò in Francia dal 1985 al 1997. Un altro reattore di tipo simile, anche se non identico, di tipo riproduttore (cioè un reattore che produce il proprio combustibile) è in funzione a Sverdlovsk in Russia dal 1981.

La maggior parte dei reattori attualmente in funzione sono di II Generazione. Reattori molto sicuri di III Generazione sono stati recentemente progettati e i reattori di IV Generazione sono già pianificati. In quest'ultima categoria ci si può aspettare sia reattori raffreddati a gas che ad acqua, nonché una varietà di reattori che lavorano con neutroni veloci.

Un progetto particolarmente interessante riguarda un reattore raffreddato a gas ad alta temperatura con un cuore composto da 330.000 elementi di combustibile sferici, di 60 mm di diametro, ognuno composto da circa 15.000 granuli di UO₂.

Ogni granulo, di 0,5 mm di diametro, è ricoperto da un certo numero di strati ad alta densità, incluso uno strato ceramico silicio-grafite per bloccare i frammenti di fissione. Il flusso di neutroni, la distribuzione della potenza termica e la temperatura in tale cuore del reattore sono determinati da circa 100.000 sfere di grafite che sono mescolate con gli elementi di combustibile. Mentre i reattori odierni funzionano tipicamente a circa 600 K, i materiali usati in tale reattore consentirebbero temperature molto più elevate. In tal caso il refrigerante del reattore sarebbe elio. Una volta raggiunta una temperatura di 1200 K, il gas elio fluente farebbe muovere la turbina a gas e il generatore di energia elettrica con un'efficienza di circa il 40%. L'intera progettazione del reattore è molto più semplice di quella dei reattori attualmente in funzione. Inoltre, le alte temperature a cui funzionano consentono di produrre idrogeno dall'acqua o da altri materiali senza causare inquinamento atmosferico. I materiali di costruzione proposti possono resistere a temperature fino a 1900 K, un aspetto molto importante dal punto di vista della sicurezza del reattore.

Inoltre, i reattori raffreddati ad acqua di IV Generazione offrono anche nuove caratteristiche di sicurezza. Westinghouse Electric ha elaborato l'idea di un "reattore internazionale innovativo e sicuro" (IRIS in breve). In tale reattore l'intero circuito di raffreddamento primario è collocato all'interno del reattore, quindi una grave perdita di refrigerante è praticamente impossibile. Si potrebbe anche pensare di far funzionare il reattore a una temperatura e pressione superiori al punto critico per l'acqua, cioè in condizioni in cui non vi è differenza tra un gas e un liquido. L'eccellente conducibilità termica dell'acqua in tale stato consentirebbe di raggiungere un'efficienza del 45% e, attraverso il lavoro svolto ad alte temperature, di produrre combustibile a idrogeno.

Si stanno prendendo in considerazione anche reattori riproduttori raffreddati da metalli liquidi che offrono un'elevata conducibilità termica. Il refrigerante in questo caso verrebbe mantenuto a pressione atmosferica, quindi un rilascio violento del refrigerante in caso di rottura del sistema primario è escluso. Tuttavia, le difficoltà tecniche nella manipolazione dei metalli liquidi hanno ostacolato lo sviluppo di questi reattori. Rimangono tuttavia un forte candidato per il futuro ciclo sostenibile del combustibile nucleare.

Come alcune semplici regole per mantenere un reattore sicuro si deve:
  1) Essere in grado di spegnerlo quando necessario
  2) Mantenere il cuore coperto d'acqua
  3) Mantenere il contenimento intatto
Per mettere in pratica questi principi generali si utilizzano le leggi naturali della fisica. Se vengono utilizzati dispositivi meccanici, bisogna fornire almeno due tipi di dispositivi, in modo che lo stesso guasto non possa verificarsi contemporaneamente in entrambi.

L'immagine illustra i dispositivi di sicurezza passivi: 1 - scarico dell'aria per convezione naturale, 2 - serbatoio d'acqua scaricato per gravità, 3 - evaporazione del film d'acqua, 4 - recipiente di contenimento in acciaio, 5 - valvola di depressurizzazione automatica, 6 - serbatoio d'acqua di rifornimento alimentato per gravità, 7 - raffreddamento con aria esterna (Crediti immagine: Westinghouse 2011). Durante un'interruzione di corrente, l'acqua di emergenza viene convogliata nel cuore del reattore per gravità e riciclatata attraverso convezione passiva e condensazione.

I reattori nucleari dispongono di molteplici e ridondanti strati di sicurezza. Il schermo biologico attorno al reattore protegge le persone dalle radiazioni ionizzanti prodotte nel cuore del reattore. L'acqua nei reattori PWR o PHWR è accuratamente purificata (distillata) poiché eventuali impurità nell'acqua potrebbero diventare radioattive durante il funzionamento del reattore. Il reattore stesso è tipicamente circondato da calcestruzzo pesante e spesso e situato all'interno di un edificio appositamente costruito le cui pareti possono resistere all'onda di pressione del vapore che si formerebbe in un grave incidente. Inoltre, l'edificio che ospita il reattore ha di nuovo pareti pesanti e spesse. I tetti, spesso emisferici, sono abbastanza robusti da resistere all'impatto di un aereo. Particolare attenzione è prestata alla meccanica e al controllo del sistema di raffreddamento.

I sistemi di sicurezza del reattore sono spesso triplici, riducendo la probabilità di guasto simultaneo di tutti i sistemi a praticamente zero. Ecco perché ci sono stati così pochi incidenti nella storia dell'energia nucleare. Gli incidenti a Three Mile Island negli USA, Chernobyl nell'ex URSS e Fukushima Daiichi in Giappone sono effettivamente eccezioni in cui catene di guasti multipli di sistemi, compoundati da errori umani o cataclismi naturali, hanno sopraffatto i sistemi di sicurezza in atto.

Infine, ma non meno importante, si pone particolare attenzione sia ai rifiuti nucleari che al materiale fissile conservato vicino al reattore, per proteggere contro il furto e l'uso improprio del materiale (ad es. per armi nucleari).

Esiste una differenza fondamentale tra l'esplosione di una bomba nucleare e un'esplosione in un reattore nucleare! In realtà, le esplosioni nucleari sono effettivamente impossibili in un reattore nucleare, sebbene meccanismi ordinari termici (dal vapore) e chimici (dall'idrogeno che reagisce con l'ossigeno) abbiano portato agli incidenti nucleari a Chernobyl e nelle centrali di Fukushima. La principale conseguenza di un'esplosione del reattore è il rilascio di materiale radioattivo nell'atmosfera che poi forma ricadute radioattive. La distribuzione delle ricadute dipenderà dalle condizioni meteorologiche (vento e pioggia in particolare).

Gli incidenti di Chernobyl e Fukushima hanno mostrato che in caso di catastrofe nucleare, la contaminazione del suolo potrebbe diffondersi su grandi aree, dove l'esposizione alle radiazioni scenderebbe poi a una frazione del livello naturale e non potrebbe portare a conseguenze serie. Questo è diverso dal caso di un'esplosione nucleare, dove vaste aree possono essere contaminate sopra livelli letali di esposizione.

E le conseguenze di un attacco aereo terroristico a una centrale nucleare? La struttura di contenimento non subirebbe molti danni in tale eventualità e certamente il cuore del reattore non dovrebbe essere influenzato. Tuttavia, i sistemi di raffreddamento e di alimentazione elettrica potrebbero subire danni se colpiti. Nonostante gli attuali dispositivi di sicurezza, questo tipo di danno potrebbe, nel peggiore dei casi, portare a un surriscaldamento e alla fusione del cuore del reattore. Anche in tal caso, tuttavia, i materiali radioattivi rimarrebbero all'interno del recipiente in pressione del reattore. Ciò che può essere più pericoloso è un attacco riuscito al deposito di rifiuti ad alta attività situato presso la centrale nucleare. Sebbene un tale attacco sarebbe difficile a causa delle dimensioni piuttosto ridotte di questi depositi, non è tuttavia impossibile. Si può prevedere che i materiali radioattivi verrebbero dispersi in seguito, anche se il problema rimarrebbe su scala locale.