La fusione del nocciolo del reattore (in inglese nuclear meltdown), viene utilizzato informalmente per indicare un tipo di incidente nucleare grave a un reattore nucleare che consiste nel danneggiamento del nocciolo per surriscaldamento. Gli effetti possono arrivare fino all'incontrollata reazione nucleare, con conseguente esplosione e rilascio di materiale altamente radioattivo se l'edificio di contenimento, o gli impianti e i meccanismi di sicurezza non sono adeguati. Il termine non rientra nel glossario ufficiale dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica e della Nuclear Regulatory Commission degli Stati Uniti d'America., che utilizzano una terminologia tecnica, più specifica.
Nell'accezione comune è passato a designare la fusione termica accidentale del nocciolo di un reattore nucleare e si utilizza per riferirsi al collasso sia parziale che completo del reattore. "Core melt accident" e "partial core melt" sono termini tecnici analoghi.
Un incidente di fusione del nocciolo avviene quando l'intenso calore generato da un reattore nucleare eccede il calore rimosso dai sistemi di refrigerazione fino a raggiungere il punto dove almeno un unico elemento di combustibile eccede la temperatura del suo punto di fusione. Questo differisce dall'incidente ad un elemento di combustibile, che non è causato dalle alte temperature. Una fusione del nocciolo potrebbe essere causata dalla perdita del refrigerante, dalla perdita di pressione nel circuito del refrigerante, oppure dall'abbassamento del flusso del refrigerante. Un'altra causa di fusione è quella di una escursione critica nella quale il reattore passa ad operare ad un livello di potenza che eccede i suoi limiti di progetto. La fusione viene considerata un evento grave, causa il potenziale rischio di rilascio di radionuclidi nell'ambiente.
Cause Le centrali nucleari di potenza generano elettricità dal riscaldamento dei fluidi che refrigerano un reattore dove avviene una reazione nucleare. Il calore prodotto, attraverso scambiatori di calore, genera vapore che alimenta una turbina a vapore che muove un generatore elettrico. Se il calore generato da quella reazione non è rimosso adeguatamente, le barre di combustibile nel reattore possono fondersi. Un incidente con danneggiamento del nucleo può avvenire anche dopo lo "spegnimento" del reattore perché il combustibile nucleare (in rapporto al suo arricchimento) continua a produrre calore di decadimento. Questo calore di decadimento si dissipa nel tempo (tramite conduzione, convezione e irraggiamento nell'infrarosso) ma finché le reazioni nucleari persistono il nucleo continua a produrre calore.
Un incidente al nocciolo è causato dalla perdita della quantità di refrigerante necessaria a diminuire la temperatura delle barre di combustibile all'interno del nocciolo del reattore. Le cause possono essere diversi fattori, che includono l'incidente per perdita di pressurizzazione, l'incidente per perdita del refrigerante (LOCA), un incremento di potenza non controllato, oppure in alcuni tipi di reattore, un incendio all'interno del nocciolo del reattore. Malfunzionamenti nei sistemi di controllo possono causare una serie di eventi che provocano la perdita della refrigerazione. I generici principi contemporanei di sicurezza tramite la difesa in profondità esigono che molteplici strati di sistemi di sicurezza siano sempre presenti per rendere questi incidenti improbabili.
L'edificio di contenimento ha lo scopo di prevenire il rilascio di radioattività nell'ambiente. Questo compito è affidato a una cupola o cilindro in cemento armato con pareti spesse da 1,2 a 2,4 m, pre-compresso, rinforzato da una fitta gabbia di barre in acciaio, che nella maggior parte dei progetti è a tenuta d'aria (ma non nel reattore Westinghouse AP1000 che si avvale di una cupola in acciaio all'interno di quella in cemento armato, con lo scopo di dissipare il calore tramite l'evaporazione di getti d'acqua irrigati sulla cupola, che a cupola metallica integra dovrebbe rimanere non radioattiva).
In un incidente caratterizzato dalla perdita del refrigerante, può avvenire sia la perdita fisica del refrigerante (che normalmente è acqua deionizzata, un gas inerte come elio oppure CO2, NaK, oppure sodio liquido) oppure l'interruzione di un metodo che assicuri un flusso di refrigerante sufficiente ad asportare il calore dal nocciolo e la sua successiva dispersione tramite scambiatori di calore, turbine a vapore, torri di raffreddamento e altri mezzi. Un incidente per perdita di refrigerante oppure un incidente per perdita del controllo della pressione (loss-of-pressure-control) sono strettamente correlati in alcuni reattori. In un reattore nucleare ad acqua pressurizzata (PWR), un incidente da perdita del refrigerante può dare luogo alla formazione di una 'bolla' di vapore surriscaldata per l'eccessivo riscaldamento del refrigerante stagnante oppure per la perdita del controllo della pressione causata da una rapida perdita del refrigerante. In un incidente per perdita della circolazione forzata, i ri-circolatori di un reattore refrigerato a gas (normalmente turbine mosse da un motore elettrico oppure dal vapore) non riescono a far circolare il refrigerante a gas all'interno del nocciolo, e il trasferimento del calore è impedito da questa perdita di circolazione forzata dei gas, anche se la circolazione naturale dovuta alla convezione manterranno le barre di combustibile a temperature inferiori a quella di fusione, sempre che il reattore non subisca la depressurizzazione. In un incidente per perdita del controllo della pressione, la pressione del refrigerante confinato cade sotto i valori specificati come minimi senza avere la possibilità di ristabilirli. In alcuni casi questo può ridurre l'efficienza del trasferimento del calore (quando si utilizza un gas inerte come refrigerante) e in altri casi si può formare una 'bolla' isolante di vapore caldo in pressione che circonda le barre di combustibili (nei reattori ad acqua pressurizzata). Nell'ultimo caso, per il riscaldamento localizzato della 'bolla' di vapore a causa del calore di decadimento la pressione richiesta per far collassare la 'bolla' di vapore rovente può eccedere le caratteristiche specifiche massime di resistenza previste per il reattore (giunti oltre la pressione e/o temperatura massime) finché questo non possa refrigerarsi. (Questo evento è meno probabile nei reattori nucleari ad acqua bollente, dove il nocciolo può essere depressurizzato deliberatamente in modo che il raffreddamento di emergenza possa essere attivato). In un malfunzionamento per depressurizzazione, un reattore refrigerato a gas perde la pressione dei gas all'interno del nocciolo, riducendo l'efficienza del trasferimento del calore e ponendo un grave ostacolo al raffreddamento delle barre di combustibile; comunque, in questi reattori, se rimane in funzione anche un solo ricircolatore di gas, il combustibile si manterrà entro temperature inferiori a quelle di fusione. In un incidente dovuto ad un aumento di potenza incontrollato, un improvviso picco di potenza nel reattore eccede le specifiche di progettazione del reattore a causa di un improvviso aumento nella reattività nucleare. Un'escursione di potenza incontrollata altera significativamente un parametro che aumenta il tasso di moltiplicazione dei neutroni nella reazione a catena (ad esempio possono verificarsi successivi eventi come l'espulsione di una barra di controllo oppure l'alterazione significativa delle caratteristiche nucleari del moderatore, come avviene per rapido raffreddamento). In casi estremi il reattore può avviarsi verso una condizione nota come prompt critical. Questo è specialmente un problema nei reattori che hanno un coefficiente di vuoto positivo, un coefficiente di temperatura positivo, che sono sotto-moderati, o che possono intrappolare eccessive quantità dei prodotti deleteri di fissione all'interno delle barre di combustibile o dei moderatori. Molte di queste caratteristiche sono presenti nel progetto del reattore sovietico RBMK, e in effetti il disastro di Černobyl' è stato causato da queste deficienze di base associate a gravi negligenze degli operatori della centrale. I reattori ad acqua occidentali non sono soggetti ad escursioni incontrollate di potenza molto grandi perché la perdita di refrigerante diminuisce (piuttosto che aumentare) la reattività del nocciolo (un coefficiente di reattività a vuoto negativo "negative void coefficient of reactivity"); e vanno incontro ad una "transizione", come vengono chiamate le fluttuazioni di potenza minori nei reattori moderati ad acqua dell'Occidente, e si hanno aumenti nella reattività classificabili da limitati a momentanei, che rapidamente diminuiscono nel tempo (circa 200%-250% della massima potenza neutronica per alcuni pochi secondi nell'evento di uno spegnimento rapido fallimentare o cessazione completa del flusso di refrigerante combinata con un transiente). Incendi in componenti del nocciolo mettono a rischio il nocciolo e possono provocare la fusione degli elementi di combustibile. Un incendio può avvenire quando l'aria dall'esterno entra in contatto con la grafite rovente di un reattore nucleare moderato a grafite (come il sovietico RBMK oppure quelli militari statunitensi dismessi nella piana del Hanford Site), come avvenne nel disastro di Chernobyl, oppure in un reattore refrigerato a sodio liquido (come il Superphénix). Inoltre la grafite è soggetta all'accumulo di energia di Wigner, che surriscalda la grafite, come avvenne nell'incendio della centrale nucleare di Windscale. I reattori ad acqua leggera non hanno dei noccioli o dei moderatori infiammabili e non sono soggetti a questi incendi. I reattori civili moderati a gas, come i vari tipi di reattore Magnox, UNGG, e AGCR, mantengono un mantello del gas diossido di carbonio, che non può sostenere una combustione (ed anzi tende a spegnere gli incendi). I più moderni reattori civili refrigerati a gas utilizzano l'elio, che non può bruciare (e inoltre è un gas nobile, del tutto estraneo alle reazioni biologiche e che tende a salire nell'alta atmosfera), inoltre hanno barre di combustibile che possono sostenere le alte temperature senza fondersi (come il reattore nucleare a temperatura molto alta e il reattore nucleare modulare pebble bed). Disfunzioni "bizantine" e malfunzionamenti a cascata all'interno degli strumenti e sistemi di controllo possono causare problemi gravi nell'operatività del reattore, che potenzialmente conducono al danneggiamento del nocciolo se non vengono risolti immediatamente. Ad esempio, dei cavi di controllo danneggiati nella Browns Ferry Nuclear Power Plant resero necessaria l'attivazione manuale dei sistemi di refrigerazione. L'incidente di Three Mile Island è stato causato da un problema a una valvola di sfogo della pressione rimasta bloccata nella posizione aperta combinato con un guasto in un misuratore del livello dell'acqua che forniva valori falsi portando a confondere gli operatori del reattore, creando un insieme di condizioni che portò al danneggiamento del nocciolo.
Reattori nucleari refrigerati ad acqua leggera Prima che il nocciolo di un reattore nucleare a fissione LWR possa essere danneggiato, si devono verificare due eventi precursori: Una disfunzione limitante (oppure un insieme di condizioni di emergenza composte) che conducano al fallimento della rimozione del calore all'interno del nocciolo (perdita del refrigerante). Il basso livello dell'acqua scopre la zona di barre del nocciolo, permettendo il suo riscaldamento.