Combustibile nucleare: cos'è, come si gestisce e quanto dura.

Questa mattina mi è stata posta la domanda che ha preso il titolo del post.
Ho pensato bene di rispondere a tutti i letttori del blog con qualche riga appositamente dedicata, sempre con l'intenzione di fornire la maggior preparazione per seguire al meglio quanto sta accadendo in Giappone.
Ciò detto, cominciamo con... il sapere che "a differenza di quanto avviene per un combustibile tradizionale (come il carbone, il petrolio, il metano o la legna), in un reattore nucleare il consumo del combustibile è molto lento e una volta caricato dura generalmente, a seconda del tipo di reattore e del suo utilizzo, parecchi anni. D'altra parte le operazioni di ricarica sono notevolmente più complesse.
A differenza di quanto avviene con altri tipi di combustibili il prodotto della reazione (le cosiddette scorie) non vengono disperse, ma rimangono principalmente all'interno delle barre stesse o degli elementi immediatamente confinanti.

Con l'avanzare del tempo le barre diventano sempre più povere di materiale fissile, fino ad arrivare ad un punto in cui non è più efficiente sfruttarle e devono essere sostituite. A seconda delle geometrie del reattore può succedere che una parte del combustibile si esaurisca più velocemente di altre parti: tipicamente le parte centrale si esaurisce più in fretta di quella esterna. La configurazione a barre è utile in questo caso perché permette la sostituzione soltanto delle parti più esaurite.

Le barre esaurite, così come il materiale nelle immediate vicinanze, sono diventate altamente radioattive a causa della presenza dei prodotti di fissione generati dalle reazioni nonché di altro materiale che si può essere attivato durante il processo per cattura neutronica o in conseguenza di altri processi analoghi. Lo smaltimento delle barre esaurite è pertanto la parte più complessa dello smantellamento delle scorie del reattore."

Per completare l'informazione ritengo corretto anche riportare questo breve trattato:

"Il combustibile nucleare è costituito dal materiale fissile che viene collocato nei noccioli dei reattori per alimentare la reazione di fissione. La reazione di fissione è quella in cui un nucleo di Uranio 235, di Plutonio 239 o di altri atomi pesanti adatti allo scopo, viene frammentato, da bombardamento di neutroni, in nuclei più leggeri liberando energia.

Da quanto detto si capisce che il termine combustibile nucleare è fortemente improprio in quanto la combustione è una reazione di ossidazione ossia una reazione che lega ossigeno mentre nei reattori nucleari avvengono solo processi di tutt'altra natura.

Quando una reazione di fissione nucleare si innesca i neutroni che si generano possono colpire altri nuclei di U 235 e generare altre reazioni di fissione. Se i neutroni che generano altre reazioni sono in numero maggiore di 1 si ha quella che viene detta reazione a catena ossia quella delle bombe atomiche.

Nei reattori nucleari invece il numero di neutroni viene mantenuto pari ad uno e la reazione si auto alimenta e procede in maniera controllata.

Il combustibile nucleare prima di essere introdotto all'interno del reattore viene preparato a forma di barre in maniera da renderne più semplice la carica e l'accostamento all'elemento moderatore (che controlla il numero di neutroni generati dalla reazione ed ne impedisce l'aumento esponenziale che innescherebbe la reazione a catena).

Le barre di combustibile sono costituite dall'elemento fissile (generalmente U 235 o Plutonio 239) miscelato ad altre sostanze. E' importante notare che la disposizione geometrica degli atomi di materiale fissile nelle barre deve essere attentamente studiata in quanto l'efficienza della reazione è fortemente influenzata dalla disposizione geometrica degli atomi.

La massima efficienza si otterrebbe con una configurazione complessiva a forma di sfera ma generalmente si opta per un compromesso cilindrico che rende più agevole l'estrazione delle barre di materiale fissile esausto e l'introduzione delle nuove.

In una comune reazione di combustione il consumo del combustibile è molto rapido. Nelle reazioni di fissione invece è molto più lento. Una carica del nocciolo dura anche diversi anni.

Ma le operazioni di carica e scarica sono però estremamente complesse. Complessità introdotta dalla radioattività del materiale. Radioattività che è estremamente alta per le barre di combustibile esausto e che pertanto vanno confinate in speciali siti dove devono restare per tempi dell'ordine delle centinaia di migliaia di anni.

Prima però di detto confinamento, essendo ad elevata temperatura, vengono raffreddate per un anno in speciali piscine d'acqua.
La radioattività delle scorie è causata dai prodotti di fissione generati dalla reazione.
Recentemente si è avuto un ripensamento dell'abbandono del nucleare. Dismissione decisa in tutto il pianeta in seguito ad una serie di gravi incidenti di cui il più ferale era stato quello di Chernobyl in Ucraina.

Conseguenza di tale ripensamento sono la messa a punto dei trattamenti per il riprocessamento e riutilizzo del combustibile nucleare esausto.

L'idea di riprocessare le barre estratte dai reattori nucleari nasce dalla considerazioni che queste contengono ancora una quantità di Uranio sotto forma di U235 che è pari a poco meno del 90% del valore iniziale. Quantità che una volta riprocessato potrà essere nuovamente riutilizzata come combustibile. Inoltre il riprocessamento delle scorie riduce la quantità di materiale radioattivo da stoccare in siti speciali.

Questi processi uniti alla costruzione di reattori di quarta generazione che bruciano insieme all'Uranio 235, anche il plutonio e gli attinidi prodotti dalla reazione di fissione potrebbero portare un notevole contributo al problema delle scorie radioattive in quanto ridurrebbero i tempi di decadimento della radioattività dai centomila anni attuali a tempi inferiori ai 500 anni."

Spero di aver fornito una risposta esauriente.
Buono studio.
GAGiuliani
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FONTI
Wikipedia - combustibile nucleare
energia360 - combustibile nucleare