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L'arma segreta delle barre di controllo: perché bloccano così rapidamente le reazioni nucleari?
Le barre di controllo svolgono un ruolo fondamentale nei reattori nucleari. La loro funzione principale è quella di regolare la velocità di fissione del combustibile nucleare (come l'uranio o il plutonio). Queste barre di controllo sono costituite da elementi chimici che sono efficaci assorbitori di neutroni, come boro, cadmio, argento, afnio o indio, che possono assorbire un gran numero di neutroni senza decadere. Elementi diversi hanno sezioni d'urto di cattura dei neutroni diverse, il che rende la progettazione delle barre di controllo strettamente correlata al tipo di reattore nucleare.
Principio di funzionamento
Le barre di controllo vengono inserite nel nocciolo di un reattore nucleare. Regolando la profondità di inserimento delle barre di controllo, si controlla la velocità della reazione nucleare a catena, che a sua volta influenza la potenza termica in uscita del reattore, la velocità di generazione del vapore e la potenza in uscita della centrale elettrica. Il numero di barre di controllo inserite e la loro profondità influenzano notevolmente la reattività del reattore. Cioè, quando la reattività supera 1, la velocità della reazione a catena nucleare aumenterà esponenzialmente; al contrario, quando la reattività è inferiore a 1, diminuirà esponenzialmente.
Con tutte le barre di controllo completamente inserite, la reattività può essere mantenuta a livelli prossimi allo zero, consentendo di rallentare rapidamente un reattore in funzione e di tenerlo spento.
Per mantenere stabile la potenza in uscita è necessario mantenere il fattore di moltiplicazione medio dei neutroni a lungo termine vicino all'unità. Quando si assembla un nuovo reattore, le barre di controllo vengono inserite completamente e poi gradualmente ritirate per avviare la reazione nucleare a catena e aumentare la potenza fino al livello richiesto.
Selezione dei materiali
La scelta del materiale per le barre di controllo è fondamentale, poiché deve avere un'elevata sezione d'urto di cattura dei neutroni. Tra i materiali più comunemente utilizzati ci sono l'argento, l'indio e il cadmio, ma anche altri elementi come il boro, l'alluminio, l'afnio, il cerio, il titanio, il silicio, ecc. sono considerati potenziali materiali. Inoltre, le barre di controllo sono solitamente realizzate in leghe o composti, come acciaio ad alto contenuto di boro, lega di argento-indio-cadmio, ecc.
Le barre di controllo, che devono essere in grado di resistere all'espansione indotta dai neutroni e possedere buone proprietà meccaniche, sono solitamente sotto forma di strutture tubolari riempite con particelle o polvere che assorbono neutroni.
Ad esempio, nei reattori ad acqua pressurizzata vengono ampiamente utilizzate leghe di argento-indio-cadmio (tipicamente 80% argento, 15% indio e 5% cadmio). Questi materiali presentano caratteristiche diverse nell'intervallo di assorbimento dei neutroni, rendendo questa lega un eccellente mezzo di assorbimento dei neutroni. Allo stesso tempo, questi materiali devono anche prevenire la corrosione dovuta alle elevate temperature dell'acqua.
Considerazioni sulla sicurezza
Per motivi di sicurezza, nella maggior parte dei progetti di reattori, le barre di controllo sono collegate ai macchinari di sollevamento tramite dispositivi elettromagnetici. In questo modo, se si verifica un'interruzione di corrente, le barre di controllo possono cadere automaticamente per gravità ed essere inserite completamente nel reattore per interrompere rapidamente la reazione. Questo processo di spegnimento rapido di un reattore è chiamato "scramming".
Altri mezzi di regolazione della reattività
In alcuni reattori, la reattività può essere regolata anche aggiungendo al refrigerante assorbitori di neutroni solubili, come l'acido borico. Questo dispositivo di fissazione chimica, insieme ai veleni neutronici combustibili utilizzati nelle particelle di combustibile, può essere utilizzato per regolare la reattività dei reattori nucleari sul lungo termine. Inoltre, gli operatori che gestiscono un BWR eseguono il controllo della reattività regolando la velocità delle pompe di circolazione del reattore.
Prevenzione degli incidenti critici
La cattiva gestione o il guasto delle barre di controllo sono spesso considerati la causa di incidenti nucleari, come l'esplosione dell'SL-1 e il disastro di Chernobyl. Per gestire queste crisi vengono spesso utilizzati assorbitori di neutroni uniformi. L'implementazione di questi metodi è fondamentale per la sicurezza dell'energia nucleare.
Conclusione
Considerando attentamente la progettazione delle barre di controllo, i materiali e la regolazione della reattività, possiamo contribuire a creare un ambiente di reazione nucleare controllato per garantire l'uso sicuro dell'energia nucleare. Tuttavia, secondo lei, quali sono gli spazi e le opportunità per migliorare la tecnologia nucleare futura?
