Serie di articoli sulle barriere 2/6: La matrice di combustibile (Elementi di combustibile, parte 1 di 2)
Il combustibile dei rattori nucleari ad acqua bollente ed in pressione è in forma di pastiglie (pellets) ottenute per pressatura a freddo e successiva sinterizzazione a caldo. Mediante questo processo il combustibile è trasformato in un materiale ceramico in grado di trattenere i prodotti di fissione generati all’interno della sua matrice durante il funzionamento nel reattore.
Il combustibile è estratto dall’uranio che viene arricchito in un ulteriore processo di lavorazione.
Arricchimento dell’uranio
Dopo l’estrazione del minerale uranifero nelle miniere, il materiale contenente uranio è separato dal restante materiale roccioso. L’uranio è estratto e purificato per via chimica – con acidi e soluzione salina – dal materiale roccioso residuo. Il prodotto è una polvere gialla, che per ca. l’80 percento è costituita da composti di uranio.
L’uranio naturale è costituito principalmente da Uranio-238 difficilmente fissionabile, la quota di Uranio-235 è circa dello 0,7 percento. Al fine di rendere critico un reattore nucleare ad acqua (sia pressurizzata che bollente) occorre aumentare la percentuale di Uranio 235 nel combustibile, arricchendolo.
Prima dell’arricchimento, la polvere gialla (la quale a causa del suo colore è denominata anche «yellow cake» – torta gialla) deve essere adeguatamente preparata. Essa viene convertita in esafluoruro di uranio. Questo composto è simile al sale ed evapora a 56°C. Nello stato gassoso gli isotopi di Uranio-235 e di Uranio 288 possono essere separati l’uno dall’altro rapidamente per esempio da una centrifuga rotante, poiché l’Uranio-238 contiene tre neutroni in più e pertanto è più pesante dell’Uranio -235.
Una parte dell’Uranio viene infine aggiunto all’uranio-235 a cui era stata sottratta un’altra parte. La parte arricchita viene riutilizzata. L’ esafluoruro di uranio arricchito viene successivamente trasformato in ossido di uranio.
Combustibile sotto forma di pellets
L’ossido di uranio arricchito viene macinato, pressato in forma di pellets e compattato a circa 1700 gradi Celsius per mezzo della sinterizzazione trasformandosi cosi’ in materiale ceramico. Questa ceramica è in grado di trattenere all’interno della propria matrice di combustibile i prodotti della fissione generati durante il funzionamento del reattore. I pellets assomigliano nella loro forma a piccole pastiglie nere cilindriche di circa un centimetro in altezza e in lunghezza. I pellets non ancora utilizzati presentano una bassissima radioattività; essi divengono molto radioattivi solo durante il funzionamento del reattore a causa della presenza dei prodotti di fissione generati dalla fissione nucleare degli atomi di combustibile.
I prodotti di fissione non gassosi (e una parte dei gas nobili radioattivi) rimangono confinati all’interno della matrice di combustibile. Tale matrice, in combinazione con la guaina di Zircaloy delle barre di combustibile, funge da prima barriera per il confinamento dei prodotti di fissione radioattivi.
Questo è il secondo di sei articoli sul tema «Barriere per il confinamento delle sostanze radioattive». Il primo descrive il principio della barriera, gli articoli da 2 a 6 descrivono le diverse barriere.