come si accende un reattore nucleare per la prima volta?

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La centrale nucleare di Flamanville e il suo EPR (in basso) / Immagine: EDF, modificata da RE.

Mentre l’avvio dell’EPR di Flamanville è previsto tra poche settimane, come viene avviata la reazione nucleare per la prima volta in un nuovo reattore? Lungi dalla semplice pressione di un pulsante, l’operazione coinvolge materiali molto specifici che costituiscono un’intera sezione della tecnologia nucleare.

L’Autorità per la Sicurezza Nucleare (ASN) ha appena trasmesso il 7 maggio 2024 la sua autorizzazione per la messa in servizio del reattore EPR di Flamanville. Questa autorizzazione consentirà di effettuare le molteplici operazioni necessarie all’avvio del reattore: caricamento del combustibile nucleare nel reattore, esecuzione dei test di avvio e infine esercizio commerciale del reattore.

EDF sarà quindi finalmente in grado di presentare il suo calendario, 17 anni dopo la prima introduzione. Quest’ultima prevede l’avvio del reattore durante l’estate del 2024. La sua potenza verrà poi gradualmente aumentata, fino a raggiungere il 100% della potenza nominale entro la fine dell’anno. Ma come fanno gli ingegneri ad avviare la primissima reazione nucleare per “accendere” un reattore nuovo di zecca?

Neutroni, fondamentali per innescare la reazione a catena

Quando avvii l’auto, giri una chiave o, sui modelli più recenti, premi un pulsante e il motore si avvia. Tuttavia, le cose sono meccanicamente più complesse. Consideriamo il caso di un motore diesel. Per quest’ultimo è necessario utilizzare uno starter per avviare il motore, e consentire, tramite una candeletta, di produrre la prima fiamma. Il motore viene quindi adescato e il ciclo di combustione è quindi autosufficiente. Come produrre l’equivalente di questa prima fiamma per l’EPR di Flamanville, e più in generale per un reattore nucleare?

Ricordiamo il funzionamento fondamentale di un reattore nucleare: si basa sulla reazione a catena della fissione nucleare. Nel caso di un reattore ad acqua pressurizzata (PWR) come quelli della flotta francese, un neutrone reagisce con un nucleo di un atomo di uranio-235. Questa reazione produrrà una grande quantità di energia, nuclei atomici più leggeri (i prodotti della fissione), nonché diversi neutroni. Il numero di neutroni varia ad ogni fissione; è pari a circa 2,5 neutroni in media. Quest’ultimo potrà a sua volta reagire con altri nuclei di uranio-235, producendo sempre più neutroni, e quindi sempre più fissioni, e così via, portando ad una crescita esponenziale del numero delle fissioni. Da qui il nome, ovviamente, reazione a catena.

Questa crescita della “popolazione di neutroni” si traduce in una crescita altrettanto esponenziale della quantità di calore generato, e quindi in definitiva della potenza del reattore. Attraverso l’azione di numerosi fattori (temperatura dei componenti del nucleo, assorbimento dei neutroni da parte degli assorbitori di neutroni disciolti nel liquido di raffreddamento e quelli contenuti nei cluster di controllo), la popolazione di neutroni viene regolata. Ciò si traduce nella stabilizzazione del numero di fissioni, e quindi della potenza, al livello desiderato.

In questo diagramma non abbiamo menzionato un punto, anche se essenziale: da dove viene il primo neutrone? Come produrre “la prima fiamma”, per usare l’analogia precedente con il motore di un’automobile?

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Entrano in gioco le sorgenti di neutroni

Infatti, è necessario un primo neutrone per produrre la prima fissione che darà inizio alla reazione a catena. Per fare ciò, utilizziamo quella che chiamiamo “sorgente di neutroni”. Si tratta di un materiale radioattivo che, durante la sua disintegrazione, produrrà un neutrone, espulso con grande energia, cioè con grande velocità. Questo neutrone può quindi reagire con un atomo di uranio-235 vicino e avviare la reazione di fissione.

In pratica, è meglio avere una sorgente di neutroni molto radioattiva, in modo che generi fin dall’inizio un numero molto elevato di neutroni. Ciò consente al reattore di avviarsi più rapidamente. Altrimenti, infatti, nonostante la reazione proceda a ritmo esponenziale, dovremmo attendere molto tempo affinché la popolazione di neutroni sia sufficiente a produrre potenze sensibili alla nostra scala.

Ad esempio, viene utilizzata una fonte di californio-252. Questo elemento sintetico, che non esiste più in natura sulla Terra, ha un breve tempo di dimezzamento radioattivo di 2,6 anni e produce una grandissima quantità di neutroni. Secondo una pubblicazione di Martin et al., una sorgente grande quanto un mignolo e contenente 50 mg di californio, produce fino a cento miliardi di neutroni al secondo. È importante sottolineare che l’energia di questi neutroni, vale a dire in media 2,1 megaelettronvolt (MeV), è del tutto compatibile con quella dei neutroni nei reattori nucleari. È quindi abbastanza adatto per reagire con l’uranio-235 e produrre la fissione nucleare.

Il processo di avvio del reattore

Prima dell’avvio, i fasci di controllo vengono abbassati nei gruppi di combustibile, che costituiscono il nocciolo del reattore. Contengono un assorbitore di neutroni che impedisce l’avvio della reazione a catena, nonostante la presenza di fonti primarie nel nucleo. La situazione è quindi stabile e la potenza è pari a zero. All’avvio, i cluster vengono sollevati per consentire ai neutroni emessi dal californio di reagire con l’uranio-235. L’altezza dei cluster, il numero di cluster attivati ​​e la concentrazione dell’assorbitore di neutroni diluito in acqua vengono calcolati con precisione per controllare l’aumento di potenza e il livello di potenza desiderato. Così, poco a poco, la potenza del reattore aumenterà. Raggiungerà la piena potenza dopo un lungo periodo di prova per verificare, ad ogni livello di potenza, il corretto funzionamento dell’installazione.

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Le fonti sono state consegnate a Flamanville all’inizio dell’anno

Le sorgenti di californio sono integrate nei cosiddetti cluster “primari”, la cui geometria è simile a quella dei cluster di controllo del reattore. Questi cluster sono costituiti da un insieme di tubi allungati, destinati a muoversi in canali dedicati situati nei gruppi di combustibile. Per l’EPR di Flamanville le sorgenti di californio sono state consegnate e installate all’inizio di febbraio. E si tratta ovviamente di operazioni estremamente delicate, a causa della loro altissima radioattività.

Oltre all’adescamento del reattore, le sorgenti primarie verranno utilizzate anche per testare e calibrare i mezzi di misurazione della popolazione di neutroni nel nocciolo, dispositivi complessi essenziali per il controllo del reattore. Dopo un ciclo operatorio verranno rimossi dal cuore. Il relè sarà poi fornito dalle cosiddette fonti “secondarie”, costituite da antimonio e berillio. Questi ultimi non sono radioattivi, ma, dopo un ciclo operativo, si attiveranno e genereranno a loro volta un gran numero di neutroni. Le fonti secondarie verranno a loro volta rimosse dopo diversi cicli. Il nucleo sarà quindi diventato abbastanza radioattivo da generare i propri neutroni, necessari per avviare le fissioni dopo lo spegnimento del reattore.

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