Dopo aver descritto nel dettaglio i diffusissimi PWR e BWR, oggi parliamo di un tipo di reattore un po’ più particolare… nobile? Hipster? Lascio a voi l’aggettivo migliore per descriverlo, noi ci limitiamo a raccontarvi come funziona.

Stiamo parlando, come avrete intuito dal titolo, del CANDU (CANadian Deuterium Uranium).

In realtà, si tratta dei PHWR, acronimo di Pressurized Heavy Water Reactor, di cui il Candu è il più comune design (nato ovviamente in Canada e poi esportato con successo in altri paesi, inclusa la Romania nell’UE).

Con 48 reattori all’attivo nel mondo si piazza al terzo posto per diffusione, dietro ai BWR e PWR.

Probabilmente vi saranno saltate all’occhio le parole “acqua pesante” e “deuterio”, che per i nostri scopi indicano la stessa cosa, ovvero il tipo di moderatore di questo reattore.

Per rinfrescarvi la memoria su cosa sia effettivamente un moderatore, ecco un articolo di Luca.

In breve, il moderatore è quella sostanza che viene usata nei reattori per rallentare i neutroni. Questi ultimi, sbattono contro gli atomi del moderatore come dentro ad un flipper finché non hanno perso gran parte della loro energia, raggiungendo velocità adatte per mantenere stabile la fissione nucleare all’interno del nocciolo.

Il deuterio è l’isotopo dell’idrogeno che ha un neutrone nel nucleo: l’acqua contenente deuterio al posto del normale idrogeno (detto anche “prozio”) si chiama appunto “acqua pesante” e la molecola si chiama D₂0 e non più H₂0.

Quindi un PHWR è tipo un PWR, ma con acqua pesante al posto di acqua “normale” (o “leggera”) come moderatore, giusto?

No! Come sempre le cose sono più complicate di così.

Ci sono svariati parametri che influiscono sulle prestazioni di un moderatore, ma la differenza sostanziale tra l’idrogeno e il deuterio è che il primo ha sia una probabilità più alta di effettuare delle collisioni che una probabilità più alta di assorbire neutroni (trasformandosi proprio in deuterio), mentre il secondo ha un migliore rapporto tra le probabilità di collisione e assorbimento: in pratica, a parità di collisioni, con il deuterio verranno “sprecati” meno neutroni rispetto all’idrogeno.

È tanto importante che la probabilità di collisione sia più alta come si ha nell’idrogeno?

No, perché banalmente, se la probabilità di reazione diminuisce, sarà più probabile che al neutrone non accadrà nulla e potrà andare avanti a incontrare il successivo atomo di moderatore.

Prima o poi con qualche atomo reagirà, bene o male.

Questo però è influente per un altro fattore: la distanza media che un neutrone andrà a percorrere nella sua vita all’interno del nocciolo (valore definito come lunghezza di migrazione), sarà necessariamente maggiore in un reattore ad acqua pesante di quella di un reattore ad acqua leggera: parliamo di quasi il triplo! (circa 19,4 cm vs 7,4 cm).

Quindi, per forza di cose, il nocciolo dovrà avere dimensioni nettamente maggiori. Ora, già i vessel sono degli affari veramente grossi e pesanti… pensare di doverli costruire grossi il triplo è una prospettiva che ha terrorizzato gli ingegneri nucleari del passato, i quali pertanto hanno pensato ad una via di uscita.

Perché usiamo recipienti in pressione?

Perché vogliamo che l’acqua che raffredda il nocciolo possa raggiungere alte temperature pur rimanendo liquida, per cui servono alte pressioni. Inoltre, l’acqua liquida garantisce la moderazione…

Un momento però: ho davvero bisogno che il moderatore sia anche ad alta temperatura? In realtà no, mi interessa solo che l’acqua nel nocciolo sia liquida.

Allora perché non separare l’acqua che modera (a bassa temperatura e pressione) dall’acqua che raffredda (pressurizzata e ad alta temperatura)?

Così nasce il concetto di reattore a tubi in pressione: il combustibile è contenuto in spessi tubi orizzontali pressurizzati dentro cui scorre il liquido di raffreddamento (acqua pesante nel caso dei CANDU), ad alte temperature e pressioni.

Questi tubi sono posizionati all’interno di un grande contenitore cilindrico orizzontale, detto calandria, che contiene invece il moderatore, che è sempre acqua pesante, non pressurizzata.

Il risultato è un nocciolo di grandissime dimensioni, ma a basse pressioni. Quindi non mi devo sbattere a fabbricare un recipiente in pressione gigantesco e costosissimo, in quanto basta “corazzare” solo i tubi. Good job.

Ecco le principali conseguenze di questo design:

• È possibile effettuare refueling online, ovvero sostituire il combustibile da ciascun tubo in pressione senza spegnere il reattore. È questa caratteristica che ha permesso al reattore canadese Darlington-1 di stabilire il record di operatività continuativa – più di MILLE giorni!
• D’altra parte, si introduce il rischio che il combustibile si incastri nel tubo, il che rovinerebbe la giornata (ma anche la settimana, e pure il mese) a qualunque operatore di centrale.
• È possibile eliminare il moderatore (banalmente svuotando la calandria), fermando di fatto le reazioni di fissione, senza che il combustibile smetta di essere a contatto con il liquido di raffreddamento.

Tutto questo serve per poter utilizzare acqua pesante come moderatore, la quale però, è bella costosa e deve essere usata in grandi quantità (250 metri cubi solo nella calandria).

Quindi, perché mai dovrei complicarmi così la vita se posso usare della normalissima acqua?

Perché, come detto prima, il deuterio assorbe molti meno neutroni dell’idrogeno e quindi risulta possibile migliorare la cosiddetta “economia neutronica del reattore”.

Il risultato formidabile è che può essere usato l’uranio naturale come combustibile, evitando i costosi processi di arricchimento.

Ma non finisce qui! Un CANDU non disdegna neppure uranio riprocessato proveniente dal combustibile di un reattore ad acqua leggera. Questo è già stato dimostrato nel reattore di Quishan.

Addirittura, è teorizzata la possibilità di utilizzare direttamente il combustibile esausto di altri reattori SENZA riprocessamento chimico; si parla infatti di DUPIC (Direct Use of spent PWR fuel In CANDU).

Economicamente parlando, il costo dell’acqua pesante tende a bilanciarsi con il risparmio dovuto al fatto che non serve arricchire l’uranio, ma la possibilità di riciclare il vecchio combustibile proveniente da altre centrali fornirebbe ai Candu un combustibile sostanzialmente gratuito.

Un altro aspetto interessante di questi reattori è che producono trizio, il quale risulta necessario sia per la ricerca che per fare da kickstarter ai primi reattori a fusione (alla faccia di chi dice sì alla fusione e no alla fissione!).

Per quanto riguarda il futuro, ecco cosa abbiamo all’orizzonte:

L’ACR-1000 (Advanced Candu Reactor 1000) mantiene la base del CANDU, ma riprende alcune caratteristiche dei PWR. Il dettaglio più evidente è che il liquido di raffreddamento non è più acqua pesante ma acqua leggera. Questo diminuisce notevolmente i costi (come detto prima, l’acqua pesante costa), in quanto il circuito primario è piuttosto voluminoso. Di contro, viene persa parte della flessibilità sul combustibile e infatti il combustibile dovrà essere leggermente arricchito.

L’AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) è un design indiano molto particolare, a tubi pressurizzati messi in posizione verticale che viene raffreddato con acqua leggera bollente e moderato ad acqua pesante. Ma la bomba è questa: il combustibile è il TORIO!

Prevede numerosi asset di sicurezza passiva, ed è così bizzarro che onestamente non saprei come descriverlo.

– Leonardo e Fulvio