Il coefficiente di moderazione o coefficiente termico di moderazione , o anche coefficiente di vuoto , è una grandezza utilizzata nella fisica dei reattori nucleari . Caratterizza l'evoluzione della reattività del reattore in caso di diminuzione della densità del liquido di raffreddamento . Un esempio potrebbe essere un'escursione di potenza o una grossa perdita che porta alla formazione di bolle di vapore nell'acqua utilizzata come refrigerante.
Nel senso della fisica del reattore, la reattività misura la tendenza del reattore ad aumentare la propria potenza, a diminuirla oa rimanere in uno stato stabile ( stato critico ). Il coefficiente di vuoto misura uno dei fattori di reattività.
I reattori con un moderatore di liquido o refrigerante hanno generalmente un coefficiente di vuoto negativo o positivo. I reattori senza liquidi (es. moderati a grafite e raffreddati a gas) hanno coefficiente di vuoto nullo.
Un coefficiente di vuoto negativo (caso di reattori ad acqua pressurizzata della flotta francese) corrisponde ad un effetto autostabilizzante della reazione nucleare: se la potenza dei neutroni aumenta, la densità dell'acqua diminuisce, il che ha l'effetto di ridurre la densità del moderatore ( l'acqua è sia refrigerante che moderatore), con conseguente riduzione della potenza.
Ad un coefficiente di vuoto positivo corrisponde invece una potenziale auto fuga del reattore; questo è uno dei fattori che hanno portato al disastro di Chernobyl .
Nei reattori la fissione nucleare opera con reazioni nucleari a catena , in cui ogni nocciolo che subisce la fissione rilascia calore e neutroni . Ogni neutrone può colpire un altro nucleo e provocarne la fissione. La velocità di questo neutrone influisce sulla sua probabilità di provocare un'ulteriore fissione, così come la presenza di materiale che assorbe i neutroni . Da un lato, i neutroni lenti vengono assorbiti più facilmente dai nuclei fissili rispetto ai neutroni veloci , quindi un moderatore di neutroni che rallenta i neutroni aumenterà la reattività di un reattore nucleare. D'altra parte, un assorbitore di neutroni ridurrà questa reattività. Questi due meccanismi vengono utilizzati per controllare la potenza termica di un reattore nucleare.
Per mantenere intatto e funzionante un reattore nucleare, e per estrarne energia utile, è necessario utilizzare un sistema di raffreddamento. Alcuni reattori fanno circolare acqua in pressione; alcuni usano metalli liquidi, come sodio , NaK (una lega di sodio e potassio), piombo o mercurio , altri usano gas . Se il refrigerante è un liquido, può bollire se la temperatura all'interno del reattore aumenta. Questa ebollizione porta a dei vuoti all'interno del reattore (per vuoto si intende l' assenza di liquido poiché si è trasformato in vapore). Possono formarsi dei vuoti anche se il refrigerante viene rilasciato dal reattore in un incidente (chiamato incidente con perdita di refrigerante, che presenta altri pericoli). Alcuni reattori funzionano con il liquido di raffreddamento in costante stato di ebollizione , utilizzando il vapore generato all'interno del reattore stesso per far girare le turbine.
Il refrigerante può agire come assorbitore di neutroni, moderatore di neutroni, di solito entrambi, ma con uno dei ruoli più influenti. In entrambi i casi, la quantità di vuoto all'interno del reattore può influenzare la reattività del reattore. La variazione di reattività causata da una variazione del vuoto all'interno del reattore è direttamente proporzionale al coefficiente di vuoto .
Un coefficiente di vuoto positivo significa che la reattività aumenta all'aumentare del contenuto di vuoto all'interno del reattore a causa dell'aumento dell'ebollizione o della perdita di refrigerante; per esempio, se il fluido termovettore agisce principalmente come assorbitore di neutroni. Questo coefficiente di vuoto positivo provoca un ciclo di feedback positivo, a partire dalla prima comparsa di bolle di vapore. Questo può far bollire rapidamente tutto il refrigerante nel reattore, se non è contrastato da un meccanismo di controllo (automatico), o se il tempo di risposta di tale meccanismo è troppo lento. Ciò è accaduto nel reattore RBMK che è stato distrutto nel disastro di Chernobyl perché il meccanismo di controllo automatico è stato in gran parte disabilitato (e gli operatori stavano cercando in modo un po' avventato di ripristinare rapidamente un livello di potenza elevato. A causa della scarsa progettazione delle barre di controllo, gli operatori hanno Non so che c'era un livello massimo di avvelenamento da neutroni nel nucleo, in questo caso Xenon 135 .
Un coefficiente di vuoto negativo significa che la reattività diminuisce all'aumentare del contenuto di vuoto all'interno del reattore, ma significa anche che la reattività aumenta se si riduce il contenuto di vuoto all'interno del reattore. Nei reattori ad acqua bollente con elevati coefficienti di vuoto negativi, un improvviso aumento di pressione (causato, ad esempio, dalla chiusura inaspettata di una valvola di linea) porterà ad un'improvvisa diminuzione del contenuto di vuoto: l'aumento di pressione costringerà alcune bolle di vapore a condensare ("collasso"); e la potenza termica aumenterà probabilmente fino a quando non sarà interrotta da sistemi di sicurezza, aumento della formazione di vuoto a causa della maggiore potenza, componenti di rilascio della pressione (valvole) o, eventualmente, guasti del sistema, causando un aumento del contenuto di vuoto e una diminuzione della potenza.
I reattori ad acqua bollente sono tutti progettati (necessariamente) per gestire questo tipo di transitori. D'altra parte, se un reattore è progettato per funzionare senza vuoto, un grande coefficiente di vuoto negativo può fungere da sistema di sicurezza. Una perdita di refrigerante in un tale reattore diminuisce la potenza termica, ma ovviamente il calore che si genera non viene più evacuato, quindi la temperatura potrebbe aumentare (se tutti gli altri sistemi di sicurezza si guastassero contemporaneamente).
Pertanto, un coefficiente di vuoto elevato, positivo o negativo, può essere un problema di progettazione (che richiede sistemi di controllo più attenti e ad azione più rapida) o una qualità desiderata a seconda della progettazione del reattore. I reattori raffreddati a gas non hanno problemi con la formazione di vuoti.
I reattori ad acqua bollente hanno generalmente un coefficiente di vuoto negativo e, nel normale funzionamento, il coefficiente di vuoto negativo viene utilizzato per regolare la potenza del reattore modificando il flusso d'acqua attraverso il cuore. Il coefficiente di vuoto negativo può causare un aumento imprevisto della potenza del reattore durante eventi (come l'improvvisa chiusura di una valvola di linea) in cui la pressione del reattore aumenta improvvisamente. Inoltre, il coefficiente di vuoto negativo può causare oscillazioni di potenza in caso di brusca riduzione del flusso al cuore, come potrebbe essere causato da un guasto della pompa di ricircolo. I reattori ad acqua bollente sono progettati per garantire che il tasso di aumento della pressione dovuto alla chiusura improvvisa della valvola di linea sia limitato a valori accettabili e includono diversi sistemi di sicurezza progettati per garantire che qualsiasi aumento improvviso della potenza del reattore o oscillazioni instabili di potenza si chiudano prima che si possano verificare danni al carburante o alle tubazioni.
I reattori ad acqua pressurizzata funzionano con una quantità relativamente piccola di vuoto e l'acqua funge sia da moderatore che da refrigerante. Pertanto, un grande coefficiente di vuoto negativo assicura che se l'acqua bolle o viene persa, la potenza termica diminuirà. È la tecnologia più utilizzata oggi al mondo.
I reattori CANDU hanno coefficienti di vuoto positivi abbastanza piccoli da consentire ai sistemi di controllo di rispondere facilmente all'ebollizione del refrigerante prima che il reattore raggiunga temperature pericolose.
I reattori RBMK , come i reattori di Chernobyl, hanno un coefficiente di vuoto positivo pericolosamente alto. Questo progetto era essenziale per il funzionamento con uranio non arricchito e non richiedeva acqua pesante , il che ha la conseguenza (o la causa) di ridurre i costi (inoltre, a differenza di altri reattori principali russi VVER , gli RBMK avevano un secondo uso: essere in grado di produrre di livello militare plutonio. Prima dell'incidente di Chernobyl, questi reattori avevano un coefficiente di vuoto positivo di 4,7 beta , che dopo l'incidente è stato abbassato a 0, 7 beta in modo che possano stare al sicuro in servizio.
L' allevatore veloce non usa moderatori, perché lavorano con neutroni veloci, ma il calore (spesso piombo o sodio) può fungere da assorbitore e riflettore di neutroni. Per questo motivo hanno un coefficiente di vuoto positivo.
I reattori Magnox , i reattori avanzati raffreddati il gas ei reattori a letto di ciottoli (o letto di ciottoli) sono raffreddati a gas e quindi i coefficienti di vuoto non sono un problema. Alcuni, infatti, possono essere progettati in modo tale che la completa perdita di refrigerante non provochi la fusione del nocciolo anche in assenza di sistemi di controllo attivi. Come con qualsiasi progetto di reattore, la perdita di raffreddamento è solo uno dei tanti possibili guasti che possono potenzialmente portare a un incidente. In caso di ingresso accidentale di acqua liquida nel nocciolo dei reattori a letto di ciottoli, può apparire un coefficiente di vuoto positivo. I reattori Magnox e Natural Uranium Graphite Gas sono stati progettati con il duplice obiettivo di produrre energia elettrica e plutonio di livello militare.