Una centrale nucleare è un impianto industriale in cui l'energia nucleare viene trasformata in energia termica ed elettrica. Generalmente le centrali nucleari operano come centrali elettriche quindi un impianto di questo tipo può essere indicato più precisamente come centrale nucleotermoelettrica o più brevemente come centrale elettronucleare. Una centrale nucleare è caratterizzata dalla presenza di uno o più reattori nucleari, impianti che consentono di scaldare un fluido termovettore attraverso l'energia liberata dalle reazioni nucleari. Analogamente alle centrali termoelettriche, in una centrale nucleare il fluido caldo in uscita dal reattore è inviato a un sistema che attraverso un ciclo termodinamico consente la produzione di energia elettrica.

Tutte le centrali nucleari operative sfruttano nei loro reattori le reazioni di fissione nucleare dell'uranio-235 e del plutonio-239 contenuti nel combustibile composto principalmente da uranio-238. I reattori a fissione caratterizzano le centrali nucleari principalmente in base al fluido termovettore (il refrigerante del reattore) e al moderatore che impiegano e alle temperature e pressioni a cui operano. Al 2022 circa il 94% dei reattori delle centrali nucleari in attività impiegano sia come refrigerante sia come moderatore l'acqua, in particolare 307 sono reattori ad acqua pressurizzata (PWR), 61 ad acqua bollente (BWR) e 48 ad acqua pesante pressurizzata (PHWR). Gli altri reattori invece sono moderati a grafite e in particolare 11 sono raffreddati ad acqua leggera (LWGR), 10 a gas (GCR) e 1 a gas ad alta temperatura (HTGR). Esistono infine 3 reattori nucleari veloci autofertilizzanti (FBR) privi di moderatore e raffreddati a metallo liquido. Sono ancora in fase sperimentale centrali nucleari che sfruttano in appositi reattori la fusione nucleare tra deuterio e trizio (il progetto più avanzato è ITER) e quelli che consentono la fissione dell'uranio-233 ricavato dal torio-232 (TBR).

Descrizione

Le centrali nucleari sono impianti industriali complessi e in generale di grandi dimensioni, caratterizzati dalla presenza di uno o più reattori nucleari. Ogni centrale ha due sezioni principali: l'isola nucleare e l'isola convenzionale; la prima consente di scaldare il fluido termovettore attraverso l'energia liberata dalle reazioni nucleari, mentre la seconda riceve l'energia termica del termovettore e la converte in energia elettrica. L'isola nucleare è specifica per ogni centrale ed è costituita principalmente dall'edificio di contenimento, in cui sono presenti il reattore e il sistema di alimentazione del vapore, dall'edificio per la gestione del combustibile e dagli edifici di controllo e sicurezza. L'isola convenzionale invece ha una costruzione analoga a quella di una generica centrale termoelettrica e ospita la sala della turbina, la sottostazione elettrica e il sistema di raffreddamento..

Reattore nucleare

Il reattore nucleare è l'impianto di maggiore rilevanza all'interno della centrale, qui infatti avvengono le reazioni a catena di fissione nucleare necessarie a scaldare il fluido termovettore, che quindi rispetto al reattore assume la funzione di fluido refrigerante. I reattori si suddividono in due categorie principali: i reattori a neutroni veloci e i reattori a neutroni termici. In un reattore a neutroni veloci, neutroni ad alta energia fissionano il combustibile senza che la loro velocità sia moderata, viceversa in un reattore a neutroni termici il combustibile è fissionato da neutroni a bassa energia in equilibrio termico con gli atomi circostanti..

Il nocciolo del reattore, detto anche nucleo, in inglese core, è costituito dal combustibile nucleare, dal moderatore (assente nei reattori a neutroni veloci) e dal fluido refrigerante.. Il combustibile, generalmente in forma solida, è composto principalmente da carburi e ossidi di uranio e plutonio, che per ragioni strutturali possono trovarsi in lega con metalli come lo zirconio, l'alluminio e l'acciaio.. Indipendentemente dal fatto che si impieghi l'uranio naturale o l'uranio arricchito, il combustibile deve contenere una massa critica di isotopi fissili, quali uranio-235 e plutonio-239, in modo tale che le reazioni a catena di fissione nucleare si autosostengano. La quantità di isotopi fissili costituiscono comunque una piccola percentuale della massa totale del combustibile, che rimane costituita principalmente da materiale fertile, specialmente uranio-238. La fissione del combustibile consente l'emissione di neutroni veloci che per poter essere sfruttati dai reattori a neutroni termici devono essere rallentati dal moderatore, un materiale caratterizzato dal basso peso atomico e costituito generalmente da acqua, acqua pesante o grafite. Il fluido refrigerante infine ha lo scopo di rimuovere il calore generato dalle fissioni e può essere costituito da acqua (fungendo quindi anche da moderatore), gas o metallo liquido nel caso dei reattori a neutroni veloci.

Intorno al nucleo può essere presente il mantello, in inglese blanket, un rivestimento di materiale fertile che riceve i neutroni in uscita dal nocciolo. L'assorbimento neutronico da parte del mantello consente la trasmutazione dei suoi atomi in isotopi utili in altre tecnologie nucleari come il cobalto-60 o il plutonio-239, oppure nel caso dei reattori autofertilizzanti in isotopi fissionabili che partecipano attivamente alle reazioni a catena di fissione; in questo caso anche il mantello deve essere refrigerato. Adiacente al nocciolo, o al mantello se presente, si trova il riflettore neutronico uno strato di materiale moderatore che ha lo scopo di riflettere i neutroni in uscita dal nucleo verso il nucleo stesso. In questo modo molti dei neutroni che altrimenti andrebbero dispersi partecipano alle reazioni di fissione, consentendo quindi di utilizzare una piccola quantità di materiale fissile per raggiungere la massa critica. Per controllare le reazioni, avviarle e arrestarle in sicurezza il reattore deve essere provvisto delle barre di moderazione, dette anche barre di controllo. Le barre sono costituite da una lega specializzata nell'assorbimento neutronico e possono essere interamente estratte o inserite nel nocciolo in modo che a una maggiore profondità di inserimento corrisponda una certa diminuzione delle fissioni. Tutti gli elementi del reattore infine sono inseriti in un recipiente, in inglese reactor vessel, che può anche essere un recipiente in pressione. Il recipiente può essere soggetto a forti stress termici dovuti ai raggi gamma emessi dal nocciolo quindi per proteggersi può essere rivestito all'interno da uno scudo termico.. Durante il normale funzionamento della centrale tutte le radiazioni ionizzanti emesse devono essere schermate per garantire la sicurezza degli operatori.. A questo scopo il reattore e tutte le componenti del sistema nucleare di alimentazione sono collocate in un'ampia struttura di cemento armato generalmente riempita d'acqua..

I reattori si classificano in base al fluido refrigerante e al moderatore che impiegano, e alle temperature e alle pressioni a cui operano. Al 2022 circa il 94% dei reattori delle centrali nucleari in attività impiegano sia come refrigerante sia come moderatore l'acqua, in particolare 306 sono reattori ad acqua pressurizzata (PWR), 61 ad acqua bollente (BWR) e 48 ad acqua pesante pressurizzata (PHWR). Gli altri reattori invece sono moderati a grafite e in particolare 12 sono raffreddati ad acqua leggera (LWGR), 10 a gas (GCR) e 1 a gas ad alta temperatura (HTGR). I reattori elencati sono tutti a neutroni termici, ma esistono anche 3 reattori a neutroni veloci autofertilizzanti (FBR) privi di moderatore e raffreddati al sodio liquido.

Sistema di alimentazione del vapore Il sistema di alimentazione del vapore, è un impianto idraulico che attraverso uno o più fluidi termovettori trasferisce l'energia termica del reattore alla turbina del generatore elettrico. La struttura e gli elementi che costituiscono il sistema di alimentazione del vapore dipendono dalla tipologia di reattore a cui sono collegati, ma sono caratterizzati da elementi comuni. Il circuito primario è l'impianto idraulico in cui scorre il refrigerante del reattore: se in uscita dal recipiente del reattore si trova in forma di vapore allora può essere inviato direttamente in turbina, altrimenti se ancora in forma liquida o gassosa entra in un generatore di vapore in cui scambia calore con l'acqua contenuta nel circuito secondario trasformandola quindi in vapore. Il vapore in uscita dalla turbina poi torna poi sotto forma di liquido nel sistema di alimentazione del vapore passando per il condensatore del sistema di raffreddamento..

Nei reattori ad acqua pressurizzata (PWR) l'acqua contenuta nel circuito primario viene fatta fluire dalle pompe nel recipiente in pressione del reattore a una temperatura di circa . Passando per il nocciolo l'acqua si scalda fino a a una pressione controllata di , in modo che non entri in ebollizione. L'acqua calda del primario entra nel generatore di vapore passando prima per l'evaporatore, in cui cede calore all'acqua fredda del secondario trasformandola in vapore saturo umido.. Il vapore quindi entra in un separatore di umidità dove viene convertito in vapore saturo secco e viene infine inviato alla turbina a circa a una pressione di . Siccome l'acqua è sostanzialmente un fluido incomprimibile, allora una piccola diminuzione del suo volume provocherebbe una forte diminuzione di pressione causando la vaporizzazione del liquido e danneggiando gravemente l'impianto. Nei PWR è quindi necessario usare un pressurizzatore che controbilanci la pressione mantenendola stabile anche in caso di perdita del fluido refrigerante dal circuito primario (in inglese loss-of-coolant accident, LOCA).. I reattori ad acqua pesante pressurizzata (PHWR) hanno un sistema di alimentazione del vapore analogo ai PWR, ma impiegano l'acqua pesante nel circuito primario in modo da poter utilizzare come combustibile l'uranio naturale al posto di quello arricchito. Siccome necessitano di un recipiente del reattore di maggiori dimensioni rispetto a quello di un PWR allora il combustibile è contenuto o in dei tubi resistenti all'alta pressione in modo da contenere le spese di costruzione del recipiente del reattore e consentire il rifornimento del combustibile senza spegnere il reattore...

I reattori a gas (GCR), analogamente ai PWR sono dotati di circuito primario, circuito secondario e generatore di vapore. Nei GCR il gas contenuto nel circuito primario viene fatto fluire da un circolatore nel recipiente in pressione del reattore dove passando per il nocciolo si scalda fino a consentendo così la generazione di vapore surriscaldato a , migliorando il rendimento dell'impianto. Il gas impiegato è l'anidride carbonica, siccome non assorbe molta radioattività, non reagisce con il combustibile e il moderatore di grafite e risulta stabile alla temperatura di lavoro.. Nei reattori a gas ad alta temperatura (HTGR) invece è usato l'elio, che essendo un gas nobile non reagisce, non diventa radioattivo (a meno dei gas radioattivi di fissione),. e consente al reattore di lavorare a oltre .