Calore di Decadimento

Traduzione italiana dell’articolo “What is Decay Heat” dal Blog del MIT NSE.

Traduzione di Stefano Passerini, MIT PhD Student.

Gli impianti nucleari producono elettricità in modo simile ad impianti a carbone convenzionali, generando vapore e inviandolo ad una turbina a vapore che mette in funzione il generatore. Tuttavia, si differenziano per il modo in cui viene prodotto il calore che produce il vapore. Gli impianti a carbone bruciano il combustibile in una caldaia per generare tale vapore, mentre gli impianti nucleari utilizzano l’energia della fissione nucleare come sorgente di calore. I reattori presenti a Fukushima sono cosiddetti reattori ad acqua bollente (BWR – Boiling Water Reactor) e producono il vapore che viene poi inviato alla turbina direttamente all’interno del reattore nucleare.

Il calore in un reattore in funzione e’ prodotto principalmente dalla fissione di isotopi fissili come Uranio-235 e Plutonio-239. Quando un neutrone provoca la scissione di uno di questi isotopi viene rilasciata una grande quantità di energia che e’ depositata nel combustibile, nelle guaine che contengono il combustibile, nel fluido termovettore stesso e nei materiali strutturali. In media, circa l’80% dell’energia rilasciata dal processo di fissione e’ ripartita tra due o più prodotti di fissione che, muovendosi per distanze molto brevi, la depositano interamente all’interno del combustibile stesso. Il resto dell’energia e’ prodotta sotto forma di neutroni ed altre radiazioni.

Quando vi e’ uno SCRAM (la procedura di spegnimento rapido del reattore), tutte le barre di controllo vengono inserite e le reazioni di fissione vengono sostanzialmente fermate. La potenza prodotta scende drasticamente ed in brevissimo tempo (1 secondo) a circa il 7% della potenza originaria. La potenza prodotta non si azzera completamente per via degli isotopi radiattivi prodotti dalle fissioni precedenti. Questi isotopi radioattivi, chiamati prodotti di fissione, continuano ad emettere nel loro decadimento delle radiazioni come i raggi gamma, particelle beta e particelle alfa. Durante il decadimento, un numero sempre maggiore di questi isotopi raggiunge uno stato stabile e cessa l’emissione di radiazione e quindi anche di calore di decadimento.

Il calore di decadimento deve essere rimosso in misura uguale a quanto ne viene prodotto, o il reattore vede aumentare la sua temperatura. La rimozione di questo calore e’ parte delle funzioni di diversi sistemi di raffreddamento del reattore stesso tramite appositi circuiti idraulici che utilizzano acqua come fluido di raffreddamento. Tuttavia, al sito di Fukushima, l’integrità di tali sistemi e’ stata compromessa dall’inondazione seguita allo tsunami prodotto dal terremoto e questo ha reso difficile per gli operatori la rimozione del calore di decadimento.

L’andamento quantità di calore di decadimento a diversi istanti temporali susseguenti lo SCRAM del reattore e’ ben noto in letteratura. La figura e la tabella seguente mostrano una stima del calore di decadimento per le Unita’ 1, 2 e 3 dell’impianto di Fukushima-Daiichi dal momento in cui si e’ scatenato il terremoto. Questi dati non sono stati prodotti da misurazioni dirette sui reattori, ma usando un modello consolidato e comunemente impiegato per valutare il calore di decadimento prodotto da impianti nucleari.

decadimento di calore

Stima del calore di decadimento in funzione del tempo trascorso dallo SCRAM del reattore (inserzione rapida e completa delle barre di controllo) avvenuto immediatamente dopo il sisma.

Data/Ora

(Orario di Fukushima)

Fukushima Daiichi-1 Calore di Decadimento(MW)

Fukushima Daiichi-2 & 3 Calore di Decadimento (MW)

Frazione della Potenza Nominale del Reattore
3/11/11 2:46 PM 92.0 156.8 6.60%
3/11/11 2:47 PM 44.7 76.2 3.21%
3/11/11 2:48 PM 36.9 62.8 2.64%
3/11/11 2:50 PM 31.4 53.5 2.25%
3/11/11 3:00 PM 24.1 41.0 1.73%
3/11/11 3:30 PM 19.1 32.5 1.37%
3/11/11 8:00 PM 12.8 21.9 0.92%
3/12/11 8:00 AM 10.1 17.3 0.73%
3/12/11 8:00 PM 9.1 15.5 0.65%
3/13/11 8.5 14.5 0.61%
3/14/11 7.8 13.2 0.56%
3/16/11 6.9 11.8 0.50%
3/20/11 6.1 10.5 0.44%
4/1/11 5.2 8.8 0.37%
7/1/11 3.7 6.3 0.26%
10/1/11 3.3 5.6 0.23%
3/11/12 2.9 5.0 0.21%

L’Unita’ 1 ha una taglia di 460 Megawatt elettrici mentre le Unita’ 2 e 3 di 784 Megawatt elettrici. Tuttavia l’efficienza degli impianti e’ di circa il 33% per cui la potenza nominale termica (Megawatt termici) e’ circa tre volte la potenza elettrica ed e’ la potenza termica l’energia che deve essere asportata ed e’ quella mostrata nella figura e nella tabella soprastanti. Il calore di decadimento diminuisce molto lentamente dopo un giorno, quando il livello di potenza e’ inferiore al 2% della potenza di funzionamento nominale del reattore. Dopo un anno il calore di decadimento ammonta a circa lo 0.2% della potenza nominale.

Se tale calore non viene asportato, il combustibile del reattore aumenta di temperatura e si possono innescare fenomeni indesiderabili quali l’ossidazione rapida delle guaine (che avviene oltre i 1200C), la fusione delle guaine stesse (a circa 1850C) ed infine del combustibile (tra i 2400C e i 2860C a seconda della composizione).