Il reattore nucleare ad acqua pressurizzata (in inglese PWR: Pressurized Light-Water Moderated and Cooled Reactor) è un tipo di reattore nucleare a fissione.

Questi reattori sono stati realizzati inizialmente nella propulsione navale, per le loro ridotte dimensioni e per l'assenza di problemi del movimento del fluido nel recipiente in pressione durante la navigazione. Per la produzione di vapore, a differenza delle filiere BWR, RBMK, AGR ma in comune con i reattori PHWR, si avvalgono di un circuito separato: sono cosiddetti a ciclo duale, cioè il fluido che va in turbina non transita per il nocciolo.

Secondo l'AIEA, nel mondo vi sono 298 reattori di tipo PWR operativi e in shutdown di lungo periodo, 45 reattori in costruzione e 53 reattori in shutdown permanente.

Storia Questa tipologia di reattore è nata storicamente per la propulsione sottomarina con l'esigenza di compattezza e di lunga durata: il primo reattore fu STR-Mk1 studiato dal 1948 all'Argonne National Laboratory e realizzato nel marzo 1953, mentre il primo sottomarino nucleare in assoluto e il primo con la tecnologia ad acqua in pressione fu il Nautilus varato solo due anni più tardi. La prima centrale di potenza significativa fu quella di Shippingport inizialmente di e, con pressione del primario di e del secondario di , non molto lontani da quelli odierni. Questa tipologia di reattore rappresenta la maggioranza assoluta (65%) della potenza nucleare oggi installata. I costruttori sono stati storicamente: Westinghouse Electric Company, Babcock & Wilcox, Combustion Engineering (oggi assorbita dalla Westinghouse Electric Company), Mitsubishi, Framatome (AREVA), KWU (oggi Siemens Energy), Monitor, Rosatom (per la tipologia VVER).

Funzionamento In questo reattore l'acqua leggera di raffreddamento del nocciolo (circuito primario), usata anche come moderatore, viene tenuta a pressioni elevate intorno ai nominali, nel caso dell'EPR., in modo da poter raggiungere temperature elevate senza cambiamento di stato. Il circuito primario funziona a temperature massime dell'ordine dei 327 °C; ciò limita nella pratica la produzione di vapore nel circuito secondario (P2) a pressioni di , riducendo quindi il rendimento termico dell'impianto. A causa dell'idrolisi dell'acqua causata principalmente dall'irraggiamento neutronico molto elevato presente nel reattore, si avrà circuito una quantità non indifferente di idrogeno ed ossigeno disciolti nel refrigerante del circuito primario. Un eccesso di idrogeno favorisce la formazione di NH4OH, generando un ambiente basico all'interno del core e aumentando il rateo di corrosione. Per evitare che ciò avvenga si immette idrogeno gassoso nel core al fine di sbilanciare la reazione di idrolisi verso sinistra oppure si introduce acido borico, usato anche per il controllo del reattore nel lungo periodo.

Con riferimento alla figura, il reattore PWR è costituito da due circuiti ad acqua interfacciati dal generatore di vapore:

Il circuito primario è costituito da un recipiente in pressione (in inglese vessel, termine riportato talvolta anche in italiano) V, che contiene il nocciolo formato da elementi di combustibile (C) al cui interno scorrono le barre di controllo (D), il moderatore di neutroni (M) è l'acqua, che funge anche da fluido refrigerante. L'acqua sottrae calore per conduzione al nocciolo caldo spinta da una pompa di ricircolo (P1). Il circuito secondario, non radioattivo, è costituito dalla parte superiore del generatore di vapore (B) in cui viene fatta circolare acqua. Lo scambio di calore, senza contatto diretto, tra l'acqua del primario e quella del secondario genera vapore che, a pressione relativamente bassa, passa nella turbina (T) la quale è accoppiata ad un generatore elettrico (G), che produce elettricità da immettere in rete. Dalla turbina il vapore passa al condensatore (K) dove viene condensato, fornendo così l'acqua da reimmettere in ciclo mediante la pompa (P2).

Elemento di combustibile

L'elemento di combustibile impiegato in questo tipo di reattori è costituito da un fascio di barrette di combustibile di sezione quadrata, costituito inizialmente da fascio di barre 15x15 e passato oggi a 17x17 con circa lo stesso ingombro complessivo per aumentare la superficie di scambio con una conseguente diminuzione del diametro delle barre, della frazione volumetrica di moderatore e della potenza termica lineare. Il fascio è tenuto alle estremità da 2 piastre e internamente da 7-10 griglie spaziatrici in Inconel o Zircaloy che consentono dilatazioni assiali e piccole radiali con lamelle elastiche. Il numero e la lunghezza degli elementi di combustibile dipende dalla taglia (e dall'arricchimento) del reattore, infatti si cerca di raggiungere la configurazione di un reattore omogeneo, cioè sferico. Questa configurazione si raggiunge creando un reattore cilindrico in cui l'altezza è pari al diametro, nel caso di un reattore EPR da t ciò si raggiunge tramite 241 elementi di combustibile alti 4.2 metri (per quanto riguarda l'altezza attiva alla generazione di calore).

Ognuna di queste barrette è composta da 265 pastiglie in biossido di uranio realizzate tramite sinterizzazione termomeccanica a circa con densità circa 95% di quella del composto puro /cm³ a clessidra o con foro superficiale sulle facce piane per compensare dilatazioni termiche. Vengono poste in esercizio inguainate sulla superficie laterale in lega di zirconio (per i reattori Westinghouse Gen II si utilizza Zircaloy 4, per l'EPR lega M5, per l'AP1000 lega ZIRLO, per il reattore VVER lega E-110) con una intercapedine di Elio a (3,0 per EPR; 3,4 per AP1000) per ragioni termomeccaniche e ognuna resa stagna con dei tappi saldati al tubo alle sue estremità.

Nelle 24 posizioni in sezione che restano si possono trovare 4 tipi di componente in ordine decrescente di numero: misuratori di flusso neutronico utili nelle fasi sottocritiche di caricamento, salita in potenza e spegnimento. manicotti guida in inox per lo scorrimento delle barre di controllo barre di veleni neutronici bruciabili in vetro borosilicato al 12.5% di Boro arricchito inguainate esternamente e internamente in inox con intercapedine e frazione di vuoto per l'Elio che si forma dall'assorbimento neutronico del Boro-10, assemblate in fasci con o senza sorgenti neutroniche. barre di sorgenti neutroniche inguainate in inox, che forniscono il livello di base per i misuratori suddivisibili in: barre primarie, contenenti californio, ciascuna associata a 23 barre di veleno bruciabile in ognuno dei due fasci primari. barre secondarie, contenenti antimonio-berillio, quattro delle quali insieme a 8 barre di veleno bruciabile in ognuno dei due fasci secondari.

Questi tre tipi di barre sono incanalate da guide in Zircaloy 4, saldate alla piastra superiore e avvitate e poi saldate a quella inferiore: una volta assemblato l'elemento di combustibile non possiede parti in movimento ma ospita fori per il movimento del corrispondente assemblaggio di controllo.

Negli elementi che contengono solo combustibile i 24 vuoti sono comunque inguainati dai manicotti di inox già citati per ridurre la portata di bypass del refrigerante che non va a lambire il combustibile.

Nocciolo Il nocciolo è cilindrico compatto, si trova nella parte centrale del recipiente in pressione è costituito da elementi di combustibile il cui arricchimento aumenta radialmente per compensare le maggiori perdite di neutroni verso l'esterno. Si passa ad esempio per l'AP1000 dal 4.45% periferico al 3.40% intermedio al 2.35% interno., in cui le legioni medie ed interne sono mischiate in varie configurazioni a seconda del ciclo specifico per uniformare la produzione di energia.. La strategia di ricambio è solitamente centripeta (in inglese out-in), in quanto si rimuovono elementi centrali per un terzo del nocciolo, si spostano gli altri verso il centro e si carica il terzo nuovo alla periferia del nocciolo, con una cadenza di circa 12–24 mesi (a seconda di vari fattori quali utilizzo del combustibile, Burnup massimo). L'EPR ha la possibilità di seguire anche un ricambio centrifugo (in-out)..

Moderatore

I PWR appartengono alla categoria dei reattori termici, cioè le fissioni dell'uranio 235U sono causate da neutroni termici. Poiché i neutroni prodotti dalle fissioni sono veloci, cioè ad alto contenuto energetico, il reattore necessita di un moderatore, cioè una sostanza capace di rallentare i neutroni e con bassa propensione ad assorbirli (Sezione d'urto). L'effetto moderante dell'acqua cresce in funzione della sua densità (coefficiente di vuoto negativo), che si traduce in un aspetto vantaggioso ai fini della sicurezza. Se infatti per via di una anomalia il reattore dovesse produrre più energia di quella che il refrigerante riesce a rimuovere, si verificherebbe un aumento della temperatura media del fluido con una inevitabile riduzione della sua densità, e pertanto del potere moderante dell'acqua. In questo modo l'anomalia viene in automatico smorzata dall'impianto. Questa proprietà garantisce una buona stabilità dell'impianto, infatti si dice che è un impianto "intrinsecamente sicuro".

Altri componenti del reattore Oltre al nocciolo ci sono altri componenti necessari alla neutronica del reattore, al suo sostegno e isolamento termomeccanico alla sua sicurezza. Il requisito generale è che il refrigerante scorra il più possibile attraverso il nocciolo e refrigeri anche la testa evitando differenze di temperatura tra nocciolo e testa e quindi perdite attraverso le tenute testa-cappello.

Deflettore Il deflettore (in inglese baffle) è un involucro prismatico in lamiera aderente al nocciolo che lo racchiude aderendo agli spigoli degli elementi di combustibile esterni, ancorato ad un involucro cilindrico detto tamburo che a sua volta si appoggia all'esterno del recipiente in corrispondenza della flangia di testa.

Recipiente del reattore

Il recipiente in pressione che delimita il reattore (in inglese vessel, letteralmente scafo) date le esigenze di resistenza a snervamento, a creep e saldabilità è realizzato in acciaio ferritico (nei VVER tradizionali acciaio 15H2NMFA, nell'EPR acciaio 16 MND 5, nel VBER-300 acciaio 15Cr2NiMo, per il reattore APR e per il reattore SMART acciaio SA508 ) rivestito internamente da minimo 3 mm di inox che delimita il reattore.. In effetti tutte le superfici a contatto col refrigerante sono realizzate interamente o rivestite in acciaio inox AISI serie 300 o inconel.. Basandosi su proprietà statiche e di resilienza, sono stati selezionati da Westinghouse per closure studs, nuts, e washers i Type A 540, Class 3, Grade B23 o B24. Le superfici filettate e di contatto sono Parkerizzate per la resistenza alla corrosione e la ritenzione di lubrificante. I componenti interni sono appesi in corrispondenza della flangia della testa. Lo schema di costruzione e le dimensioni variano con la potenza, ma in generale si tratta di lamiere dello spessore massimo di circa laminate o forgiate e saldate preferibilmente lungo il bordo circonferenzialeper non avere alcuna zona termicamente alterata nella regione a maggior flusso neutronico poiché queste tendono a infragilire maggiormente sotto irraggiamento a formare un cilindro la cui parte superiore detta testa o cupola (in inglese dome, spesso maccheronicamente tradotta con duomo) è flangiata e vi viene infine praticata una apertura per l'ingresso e una per l'uscita del refrigerante per ogni generatore di vapore, disposte a coppie per una migliore disposizione dei tubi del primario all'esterno del reattore. Viene poi chiuso da due calotte sferiche: inferiormente un fondo saldato alla base e superiormente un cappello, flangiato per essere bullonato alla testa.