Reattore termico a neutroni

Un reattore a neutroni termici (o reattore a neutroni lenti ) è un tipo di reattore nucleare che utilizza neutroni rallentati, chiamati anche termici. I neutroni rallentati ( termalizzati ) hanno quindi una maggiore probabilità di interagire in modo efficiente con gli atomi di uranio o qualsiasi altro atomo fissile . La maggior parte delle piante è di questo tipo.

La fissione nucleare avviene preferenzialmente con neutroni di energia moderata (di velocità ridotta), che si ottiene ponendo nel nucleo un materiale che rallenta i neutroni (diciamo anche moderatori) fino allo stato "termico" o loro. I neutroni hanno l'energia ( velocità) corrispondente all'agitazione termica degli atomi nel mezzo di diffusione ( moto browniano ). Questo è chiamato un reattore a neutroni termici.

Come in qualsiasi centrale nucleare , il calore prodotto all'interno del nucleo viene trasferito a un fluido (gas o liquido) che aziona le turbine di un alternatore e quindi produce elettricità.

Promemoria generali sulla fissione nucleare

Sotto l'effetto di una collisione con un neutrone , il nucleo di alcuni grandi atomi, chiamati fissili, ha la proprietà di rompersi in due. Il materiale fissile che costituisce il cuore dei reattori è generalmente l' uranio o il plutonio .

Assorbendo un neutrone, un 235 U atomo nucleo si trasforma così in 236 U, un isotopo di uranio, in uno stato eccitato di 6,2 Mega-elettronvolt (MeV) ( 1 MeV = 1.6.10- 13 joule ). Questa energia è sufficiente affinché il nucleo sia in grado di attraversare la barriera di fissione da 5,7 MeV e frammentarsi in altri due nuclei come Krypton 93 ( 93 Kr) e Bario 140 ( 140 Ba): ${} _ {{92}} ^ {{235}} {\ mathrm {U}} + {} _ {0} ^ {1} n \ rightarrow {} _ {{92}} ^ {{236}} { \ mathrm {U}} \ rightarrow {} _ {{36}} ^ {{93}} {\ mathrm {Kr}} + {} _ {{56}} ^ {{140}} {\ mathrm {Ba} } + 3 ~ {} _ {0} ^ {1} n$

o stronzio e xeno : + γ ${} _ {{92}} ^ {{235}} {\ mathrm {U}} + {} _ {0} ^ {1} n \ rightarrow {} _ {{92}} ^ {{236}} { \ mathrm {U}} \ rightarrow {} _ {{38}} ^ {{94}} {\ mathrm {Sr}} + {} _ {{54}} ^ {{140}} {\ mathrm {Xe} } + 2 ~ {} _ {0} ^ {1} n$

Durante questa fissione viene rilasciata una grande quantità di energia, dell'ordine di 200 MeV per un nucleo di uranio 235. La parte principale di questa energia è costituita dall'energia cinetica dei due atomi creati. È generalmente accompagnato dall'emissione di uno o più neutroni veloci (generalmente 2 o 3) che hanno un'energia cinetica media di 2 MeV . Questi reagiscono con i nuclei che incontrano e sono o diffusi, cioè restituiti in una direzione diversa, oppure assorbiti. Finché la probabilità di assorbimento rimane bassa, i neutroni sono praticamente conservati in numero, ma la loro energia diminuisce gradualmente ad ogni diffusione. I nuclei sono tanto più efficaci nel rallentare i neutroni quanto più bassa è la loro massa, tanto più vicina a quella del neutrone. Questo è in particolare il caso dell'acqua ordinaria (che contiene idrogeno, il miglior moderatore / ritardante di neutroni), acqua pesante (acqua in cui è stato mantenuto, grazie ad una separazione isotopica, solo l'isotopo pesante dell'idrogeno, deuterio ), berillio o il suo ossido, glucina e infine grafite (carbonio puro). Con un moderatore efficiente, i neutroni rallentano fino a quando la loro energia cinetica è approssimativamente uguale all'energia di agitazione termica del mezzo di diffusione ( 0,025 eV a una temperatura di 300 K ) senza essere assorbiti. La maggior parte delle fissioni si verificano quindi a questa energia e si dice che il reattore sia neutrone termico . Altrimenti, si dice che il reattore sia neutrone veloce.

Necessità di rallentamento (moderazione) dei neutroni in un reattore di neutroni termici

Il motivo principale per cui si cerca in un reattore termico di rallentare i neutroni derivanti dalla fissione per portarli al livello di energia termica (velocità) è legato al fatto che la probabilità che un incontro di un neutrone termalizzato con un atomo fissile dia L'aumento alla fissione dell'atomo incontrato è significativamente 250 volte superiore rispetto al caso in cui il neutrone ha un'energia (una velocità) elevata prossima alla sua energia iniziale.

Equilibrio dei neutroni

Alcune catture di neutroni non danno luogo alla fissione del nucleo e l'importanza relativa di queste catture parassitarie deve essere strettamente limitata per ottenere una reazione a catena, divergente o stazionaria. Per mantenere una reazione a catena, uno degli n neutroni prodotti in ciascuna fissione deve a sua volta essere assorbito nel carburante, gli n - 1 che rimangono possono essere persi catturando negli altri costituenti del mezzo, o per perdita all'esterno. dispositivo. n dipende dall'energia dei neutroni. Nel caso dei neutroni termici è pari a 2,08 per 235 U e 239 Pu, a 1,8 per l'uranio arricchito, ma solo 1,36 per l'uranio naturale. Il controllo della reazione a catena è assicurato dall'inserimento di barre di controllo contenenti materiali molto assorbenti dei neutroni, generalmente noti: "assorbitori mobili di controllo della reattività del cuore". I materiali assorbenti utilizzati sono tipicamente: boro , cadmio , argento, indio e altri non elencati qui.

Produzione di calore per fissione - Ordini di grandezza

La fissione di tutti gli atomi di uranio 235 contenuti in una tonnellata di uranio naturale fornisce più di 10.000 volte più energia della combustione di una tonnellata equivalente di petrolio : 570.000 GJ contro 42 GJ (giga-joule).

1 Megawatt * giorno di energia termica prodotta da un reattore nucleare a neutroni termici corrisponde all'incirca a 1,09 grammi di uranio 235 fessurato.

La fissione di tutti gli atomi di uranio 235 presenti in 1 g di uranio naturale produrrebbe 159 kWh .

Vedi anche

Reattore a neutroni veloci

Riferimenti

Questo articolo è parzialmente o interamente tratto dall'articolo intitolato " Reattore termico a neutroni " (vedere l'elenco degli autori ) .

" Il funzionamento di un reattore nucleare " [PDF] , sul sito CEA (consultato il 10 aprile 2011 )
" Alcune notizie sulla fissione " [PDF] , sul sito del Laboratorio di fisica subatomica e cosmologia di Grenoble (accesso 10 aprile 2011 ) p 18
" Nuclear Physics & Physics & Astrophysics " [PDF] , su www.ucation.polytechnique.fr/ (visitato il 12 aprile 2011 ) dia 2
" Elements on nucleare energy " [PDF] , sul sito della French Society of Physics (accesso 11 aprile 2011 ) p 4
P. Reuss, " I reattori nucleari " [PDF] , su www.energethique.com (accessibile 11 Aprile 2011 )
[PDF] " Nuclear Physics & Physics & Astrophysics " , su www.ucation.polytechnique.fr/ (visitato il 12 aprile 2011 ) dia 9
[PDF] " Alcune notizie sulla fissione " , sul sito del Laboratorio di Fisica Subatomica e Cosmologia di Grenoble (consultato il 12 aprile 2011 ) p 23