Il ruolo del moderatore neutronico nei reattori nucleari
Nel funzionamento di un reattore nucleare, il moderatore neutronico è un elemento essenziale per garantire l'efficienza della reazione a catena. Il suo scopo principale è rallentare i neutroni veloci prodotti dalla fissione nucleare, trasformandoli in neutroni termici, che hanno una maggiore probabilità di essere catturati dai nuclei fissili e quindi di innescare nuove fissioni.
Quando un atomo di uranio-235 o plutonio-239 subisce una fissione, rilascia neutroni con un’energia elevata, tipicamente di alcuni megaelettronvolt. Tuttavia, questi neutroni veloci hanno una probabilità molto più bassa di interagire con altri nuclei e provocare ulteriori fissioni. Per rendere la reazione autosufficiente e controllabile, è necessario ridurre la loro energia fino a valori prossimi a quelli dell’ambiente circostante, generalmente inferiori a un elettronvolt. Questa operazione avviene attraverso il processo di moderazione, in cui i neutroni subiscono numerosi urti elastici con nuclei leggeri che li rallentano progressivamente senza assorbirli.
Il materiale scelto come moderatore deve avere proprietà specifiche. In primo luogo, deve contenere nuclei leggeri, poiché il trasferimento di energia da un neutrone a un nucleo più leggero è più efficiente. Inoltre, deve avere una bassa tendenza ad assorbire i neutroni per evitare di ridurre eccessivamente il numero di neutroni disponibili per la fissione. Tra i materiali più utilizzati come moderatori ci sono l’acqua leggera, l’acqua pesante e la grafite.
L’acqua leggera, cioè l’acqua comune, è il moderatore più utilizzato nei reattori nucleari commerciali, in particolare nei reattori ad acqua pressurizzata e ad acqua bollente. Il vantaggio principale di questo moderatore è la sua abbondanza e facilità di gestione, anche se ha un certo grado di assorbimento neutronico, che impone l’uso di combustibile con una concentrazione più elevata di uranio-235 rispetto ad altri tipi di reattori.
L’acqua pesante, costituita da molecole di ossido di deuterio, ha la particolarità di essere molto meno assorbente rispetto all’acqua leggera. Questo permette ai reattori che la utilizzano, come quelli a acqua pesante pressurizzata, di operare con uranio naturale senza necessità di arricchimento. Tuttavia, la produzione e la gestione dell’acqua pesante sono più costose e complesse rispetto all’acqua leggera.
La grafite è un altro moderatore molto efficace, impiegato in alcuni tipi di reattori storici e in alcune tecnologie moderne. Poiché non assorbe significativamente i neutroni, consente un’elevata efficienza nella moderazione, ma il rischio principale è che, in determinate condizioni, possa reagire con l’ossigeno e diventare infiammabile, come dimostrato nell’incidente di Chernobyl.
Il moderatore neutronico è quindi un elemento chiave per il funzionamento dei reattori termici. Senza un sistema efficace di moderazione, la reazione a catena non potrebbe essere sostenuta in modo controllato, riducendo l’efficienza del reattore e compromettendo la produzione di energia. La scelta del moderatore dipende da numerosi fattori, tra cui il tipo di combustibile, le esigenze di sicurezza e l’efficienza complessiva del sistema.