Il nocciolo è composto da tre elementi
fondamentali.
Il combustibile, il moderatore e le barre di controllo.
Il nocciolo viene di
solito (in un Pwr) assemblato con elementi come questi.
In ognuno si trovano dei gruppi di
17 X 17 barre, in ognuna delle quali vengono infilate delle pastiglie di
Uranio preparate in forma di cilindro retto (o quasi), con altezze e diametri
di circa 1-1,5 cm.
Queste vengono impilate in guaine rigide fatte di una lega di zirconio,
lunghe circa 3 metri e mezzo. Queste vengono montate negli elementi,
lasciando qualche spazio vuoto per le barre di controllo.
Per fare un nocciolo completo servono circa 150 di questi elementi.
Il combustibile nelle barre è spesso Uranio arricchito al 3%.
L'uranio che si trova in natura è composto per il 99,3% di Urano 238, e per
lo 0,7% da Uranio 235.
L'Uranio 235 è fissile, cioè, se viene
colpito da un neutrone lento (termico) si spezza in due frammenti, producendo
circa 200 Megaelettronvolt (100 milioni di volte l'energia di una reazione
chimica), e mediamente due neutroni veloci, che vanno a colpire altri nuclei.
Si crea così una reazione a catena: quando il numero di reazioni (e quindi di
neutroni) resta costante nel tempo si dice che il reattore è in condizioni di
criticità.
L'uranio 238 non si rompe con l'urto di un neutrone lento, ma può assorbire un
neutrone e diventare, attraverso alcune reazioni spontanee, Plutonio 239, che è
fissile e ha proprietà anche migliori dell'Uranio 235.
I neutroni generati dalla fissione possono quindi fare quattro cose: fuggire
fuori dal reattore, essere assorbiti da qualche materiale strutturale o dallo
schermo, rimbalzare sul moderatore o essere assorbiti dall'uranio 238.
Il moderatore è un materiale (può essere acqua, acqua pesante, o grafite) che
ha lo scopo di rallentare i neutroni e di metterli quindi in condizione di
essere assorbiti dal 235.
L'accoppiamento tra
combustibile e moderatore è la caratteristica che definisce il tipo di
reattore.
Il primo reattore fu fatto da Fermi nel 1942 usando uranio naturale e grafite
come moderatore.
Tra gli impianti industriali la configurazione più usata è uranio
arricchito al 3% (quello che resta, Uranio 238, è detto Uranio depleto o
impoverito) con acqua come moderatore.
In alternativa si può usare uranio naturale con grafite o acqua pesante.
Reattori di questo tipo sono presenti in ex Urss (a grafite) in India e
in Canada (CANDU, ad acqua pesante)
La potenza del reattore viene controllata
controllando il flusso di neutroni che alimenta la reazione a catena.
Quindi si costruisce un reattore che, con solo combustibile e moderatore,
tenderebbe a raggiungere una potenza molto superiore a quella per cui è
costruito, instaurando quindi una reazione a catena con molti più neutroni (e
più fissioni) del consentito, e si installano dei meccanismi che inseriscono
nel reattore materiali che assorbono neutroni, smorzando così la reazione.
Questo permette di salire o scendere di potenza, e, volendo, di spegnere il
reattore, anche in modo molto rapido, se necessario.
Questi dispositivi sono in
generale costituiti dalle barre di controllo, che sono barre solide di
argento, Indio e Cadmio che assorbono neutroni.
A seconda che vengano più o
meno estratte la potenza aumenta o diminuisce.
Le barre di controllo, in un Pwr, vengono spesso inserite negli alloggiamenti
delle barre di combustibile lasciati liberi apposta (vedi figura sopra)
In caso di emergenza le barre vengono tuffate completamente nel nocciolo,
fermando la reazione a catena e fermando praticamente del tutto la
generazione di energia.
Nei reattori moderati ad Acqua (tipicamente i Pwr o i
Bwr) si usa anche acqua
in cui è disciolto Boro, anche lui assorbitore di neutroni.
Contrariamente a quanto si dice spesso,
se si perde il controllo del reattore non si attiva una reazione a catena come
quella di una bomba a fissione.
In alcuni tipi di reattori, la cui installazione è vietatissima negli Usa e in
Europa occidentale, si possono verificare condizioni tali per cui, quando la
temperatura sale, la reazione tende ad aumentare, non all'infinito, ma
abbastanza da portare, se non intervengono i sistemi di sicurezza (che in una
centrale nucleare di solito sono ossessivi) a un aumento di potenza di un
fattore 100 in qualche decina di secondi, che porta alla fusione del nocciolo.
E' quello che è accaduto a Chernobyl. In quel caso
erano stati esclusi 3 stadi di sistemi di sicurezza che avrebbero spento il
reattore. E sono state perpetrate 6 violazioni dei protocolli di sicurezza.
Nella maggioranza dei reattori commerciali, (Es. Pwr) se la temperatura sale
oltre certi limiti di progetto la reazione tende a spegnersi.
