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Controllo dei reattori nucleari

Introduzione. Criticità di un reattore

Se un reattore opera in uno stato stazionario il fattore K_eff deve rimanere uguale ad uno, cioè il sistema è esattamente critico. Tuttavia, se un reattore fosse costruito solo per essere critico al punto giusto, non si manterrebbe in tale situazione per molto tempo, essendo le maggiori cause di disturbo al suo funzionamento l'esaurimento del combustibile, gli effetti della temperatura, i prodotti di fissione.
Vi sono in aggiunta altri fattori, apparentemente estranei, tali come la pressione atmosferica. Variazioni della pressione atmosferica si accompagnano a variazioni di assorbimento di neutroni da parte dell'azoto dell'aria circolante all'interno del reattore.

Combustibile

Quando un reattore funziona, la quantità di combustibile nel core decresce. Se il funzionamento è previsto per un tempo apprezzabilmente lungo, allora sarà usata una quantità di combustibile maggiorata rispetto a quella critica. In genere il massimo burn-up che un reattore di potenza può tollerare è inferiore al 10/100.

Temperatura

Quando il reattore funziona la sua temperatura complessivamente sale a causa dell'energia termica sviluppata dalla fissione nucleare. A parte l'efficienza del sistema di raffreddamento, diverse parti del reattore saranno soggette inevitabilmente a temperature superiori a quelle esistenti quando il reattore è sottocritico. Dunque combustibile e moderatore sono soggetti ad aumentare di dimensioni; così la loro densità decresce, ed il risultato è che la lunghezza del percorso di diffusione e l'età dei neutroni termici aumentano. Ciò comporta che la massa critica sia tanto maggiore quanto maggiori sono le temperature. Alle alte temperature, durante il funzionamento, l'energia media dei neutroni termici è più elevata rispetto a quella delle molecole d'aria atmosferica; pertanto ci saranno variazioni di L²,τ,η,f,p, essendo questi valori funzioni delle sezioni d'urto. La p subisce l'effetto Doppler nucleare. A causa dell'aumento di energia di agitazione termica le ampiezze di risonanza aumentano, ma i picchi di risonanza si abbassano, dovendo rimanere uguale l'area del diagramma. In tal modo si riduce la probabilità di fuga alle risonanze.

Prodotti di fissione

Durante l'esercizio continuo dell'impianto i nuclidi formatisi per la fissione e i loro prodotti di decadimento si accumulano; si chiamano veleni quelli che hanno una grande S_{a}. A causa dell'inarrestabile formazione dei prodotti di decadimento, anche dopo una riduzione di potenza, come pure dopo il completo spegnimento -- shut down --- del reattore, la concentrazione di un veleno può essere tollerata fino ad un certo valore massimo. Per riprendere il funzionamento subito dopo uno shut down si richiede un eccesso di reattività.

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Introduction. Criticality of a reactor

If a reactor operates in a steady state the factor K_eff must remain equal to one, i.e. the system is exactly critical. However, if a reactor were built only to be critical at the right point, it would not remain in this situation for very long, as the major causes of disturbance to its operation are fuel depletion , > effects of temperature , the fission products .
In addition, there are other apparently unrelated factors, such as atmospheric pressure. Variations in atmospheric pressure are accompanied by variations in the absorption of neutrons by the nitrogen of the air circulating inside the reactor.

Fuel

When a reactor runs, the amount of fuel in the core decreases. If operation is planned for an appreciably long time, then more fuel will be used than the critical amount. Generally the maximum burn-up that a power reactor can tolerate is less than 10/100.

Temperature

When the reactor works its overall temperature rises due to the thermal energy developed by nuclear fission. Apart from the efficiency of the cooling system, different parts of the reactor will inevitably be subjected to temperatures higher than those existing when the reactor is subcritical. Therefore fuel and moderator are subject to increase in size; thus their density decreases, and the result is that the length of the diffusion path and the age of the thermal neutrons increase. This implies that the critical mass is greater the higher the temperatures. At high temperatures, during operation, the average energy of thermal neutrons is higher than that of atmospheric air molecules; therefore there will be variations of L², τ, η, f, p, these values ??being functions of the cross sections. The p undergoes the nuclear Doppler effect. Due to the increase of thermal agitation energy the resonance amplitudes increase, but the resonance peaks decrease, having to remain the same area of ??the diagram. This reduces the likelihood of escape at resonances.

Fission products

During the continuous operation of the plant, the nuclides formed by fission and their decay products accumulate; poisons are called those that have a large S_ {a}. Due to the unstoppable formation of decay products, even after a power reduction, as well as after the complete shutdown of the reactor, the concentration of a poison can be tolerated up to a certain maximum value. To resume operation immediately after a shut down, an excess of reactivity is required.

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