Il Pressurized Water Reactor (PWR) o reattore ad acqua pressurizzata rappresenta la tipologia di reattore nucleare più usata al mondo. La caratteristica principale di questi reattori nucleari per la produzione di energia elettrica risiede nel fatto che il refrigerante primario è costituito da acqua leggera mantenuta allo stato liquido. Questo è possibile esercitando sul circuito idrico una forte pressione (circa 150 atmosfere), pur raggiungendo temperature superiori ai 300°C. Ma affrontiamo l’argomento per gradi.
Come è fatto un PWR? Il cuore degli impianti è sicuramente il nocciolo (chiamato anche “core”) formato dalle barre di combustibile, barre di controllo, tutti i componenti necessari al funzionamento in sicurezza, e ovviamente è percorso in ogni suo punto dal fluido refrigerante. Come già detto, questa tipologia di reattori nucleari utilizzano come fluido refrigerante l’acqua pressurizzata a valori superiori di 150 atmosfere. Ovviamente, per poter esercire queste pressioni è necessario che il nocciolo sia rinchiuso all’interno di un grosso recipiente, chiamato “vessel”. La forma del vessel è cilindrica con le calotte superiore e inferiore semisferiche, ovviamente la forma e la composizione è stata ottimizzata negli anni raggiungendo i risultati odierni. Il vessel è uno dei componenti più ingombranti di un impianto, infatti le sue dimensioni possono essere 12-14 metri di altezza, 4-5 metri di diametro e uno spesso delle pareti pari a 25 centimetri. La struttura è progettata per sopportare pressioni più di 170 volte maggiori di quella atmosferica e temperature di quasi 350°C, ma per ragioni di sicurezza si lavora sempre a pressioni e temperature inferiori (155 atmosfere e 325°C al massimo). L’acqua che esce dal vessel, con un elevatissimo contenuto entalpico, viene condotta al generatore di vapore mediante il circuito primario, chiamato “hot leg”. All’interno del generatore di vapore, che non è altro un enorme scambiatore di calore a fascio tubieri, l’acqua cede il proprio calore ad un fluido secondario, prosegue il proprio ritorno al vessel attraverso la “cold leg” aiutata da una pompa di circolazione. Arrivata sul fondo del vessel, l’acqua risale dal centro del nocciolo, andando a raffreddare le barre di combustibile e riscaldandosi a sua volta, finché non raggiunge nuovamente la parte superiore, alla temperatura di esercizio e ricominciare il ciclo. Ad un singolo vessel possono far capo 2,3 o 4 circuiti (chiamati loops), ciascuno comprendente un generatore di vapore e una o due pompe. I bocchelli di ingresso del refrigerante nel nocciolo sono collocati alla stessa quota di quelli di uscita dal nocciolo, per motivi di sicurezza.
I generatori di vapore sono di solito a ricircolazione naturale e con fascio tubiero ad U. L’acqua calda proveniente dal circuito primario circola all’interno dei tubi mentre l’acqua del secondario circo nel mantello dello scambiatore. Un generatore di vapore del tipo in esame contiene un fascio tubiero costituito da diverse migliaia di tubi in parallelo che realizzano una superficie di scambio termico di alcune migliaia di metri quadrati: l’altezza complessiva del generatore è dell’ordine di 20 metri. La presenza del generatore di vapore fa sì che l’acqua del circuito primario sia fisicamente separata dall’acqua e dal vapore del circuito secondario. In tal modo tra il circuito primario e il circuito secondario è trasferito solo il calore e non c’è scambio di acqua. Il vapore che si produce nel secondario del generatore di vapore è inviato ad azionare la turbina. La turbina, mossa dall’espansione del vapore, aziona l’alternatore che produce energia elettrica. Alla fine della fase di espansione il vapore è estratto dalla turbina, condensato e l’acqua risultante, dopo una fase di preriscaldamento, è rinviata ai generatori di vapore.
Nei reattori PWR, l’acqua del circuito primario non ha solo lo scopo di asportare il calore, ma serve anche come moderatore neutronico: i neutroni liberati dalla fissione del combustibile hanno velocità altissime, e a causa di ciò è poco probabile che riescano a fissionare altri atomi. Per permettere le reazioni di fissione, mantenere stabile la reazione a catena, e dunque mantenere costante la potenza generata dal reattore, è necessario rallentare (moderare) i neutroni prodotti, in maniera tale da aumentare la probabilità di ottenere una nuova fissione. Generalmente, in una reazione di fissione di uranio si generano 2 o 3 neutroni ad altissima energia, e come la biglia in un flipper urtano ripetutamente contro le molecole d’acqua e ad ogni urto perdono un po’ di energia finché non raggiungono la velocità minima, ossia un contenuto energetico chiamato “termico”, in quanto è la velocità imposta dall’agitazione termica delle molecole. Per questo motivo i reattori che fanno uso di materiali moderatori vengono detti anche “reattori termici”. Senza l’acqua moderatrice tutto questo non potrebbe avvenire e questo rappresenta anche un fattore di sicurezza molto importante.
Il combustibile utilizzato nei PWR è il biossido di uranio, sintetizzato in forma di pastiglie cilindriche (pellets) con diametro ed altezza di 8-10 mm. L’uranio impiegato nei PWR è arricchito al 3% (basso valore di arricchimento) in U-235. Alcune centinaia di pastiglie vengono impilate una sopra all’altra dentro a delle barre (chiamate barre combustibile) di zircaloy. Le barre, lunghe circa 4 metri, sono ermeticamente chiuse alle estremità, e nella parte superiore viene inserita una molla che permette la dilatazione termica delle pastiglie mantenendo l’impilamento. Inoltre, lo spazio libero permette di raccogliere i gas prodotti durante la fissione. Le barre vengono assemblate in un unico “insieme di combustibile”, di sezione quadrata, composto da 264 barre di combustibile, 24 barre di controllo e una barra usata per la strumentazione (misurazione di temperatura, pressione ecc.). Il nocciolo di un PWR contiene 150-250 insiemi di combustibile e 50-80 barre di controllo: per un totale di più di 50000 barre di combustibile, che contengono in totale qualche decina di tonnellate di Uranio. Le barre di controllo sono composte da materiali come Argento, Cadmio e Indio, che sono dei forti assorbitori neutronici e possono quindi facilmente “spegnere” il reattore.