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Nuclear power reactors1 arefueled with uranium that is slightly enriched in the isotopeuranium-235.2 Thisisotope is capable of sustaining a controlled nuclear chain reaction that isnecessary for production of electrical energy. La reazione a catena ha come risultato la produzione di neutroni che inducono radioattività nel combustibile, nell’acqua di raffreddamento e nei componenti strutturali del reattore.

La radioattività è indotta principalmente attraverso processi che coinvolgono la cattura di neutroni da parte degli atomi di uranio nel combustibile. La fissione avviene quando il nucleo di un atomo di uranio-235 (e meno comunemente un atomo di uranio-238) cattura un neutrone, diventa instabile e si divide in due e (raramente) tre3 nuclei leggeri; questi nuclei sono chiamati prodotti di fissione. I prodotti di fissione più comuni hanno numeri di massa intorno a 90 e 137 (per esempio, stronzio-90 e cesio-137).

I prodotti di fissione prodotti in un reattore nucleare coprono l’arco temporale. Essi includono:

• Gas nobili, per esempio, krypton-85 e xeno-133.
• alogeni, per esempio, ioduro-131.

FIGURA D.1Distribuzioni di massa risultanti dalla fissione dell’uranio-235 mediante neutroni termici.

FONTE: Data from Joint Evaluated Fission and Fusion File,Incident-neutron data, http://www-nds.iaea.org/exfor/endf00.htm, October 2,2006; vedi http://www-nds.iaea.org/sgnucdat/c1.htm.

• metalli alcalini, per esempio, cesio-137.
• metalli alcalini terrosi, per esempio, stronzio-90.
• Meno comunemente, l’idrogeno-3, più comunemente chiamato astrizio (T), dalla fissione ternaria di atomi di uranio.

La cattura dei neutroni può anche indurre radioattività attraverso la trasmutazione di un elemento chimico in un altro. Il processo di trasmutazione provoca l’emissione di particelle nucleari (ad esempio, protoni) e radiazioni dal nucleo. Alcune reazioni di trasmutazione e prodotti significativi nei reattori di potenza includono i seguenti:

• Produzione di azoto-16 attraverso la cattura di un neutrone dal nucleo di un atomo di ossigeno: ossigeno-16 + neutrone-> azoto-16 + protone (abbreviato come16O(n, p)16N). L’azoto-16 ha un’emivita breve (7 secondi) ed è principalmente un pericolo per i lavoratori degli impianti nucleari.
• Produzione di carbonio-14 attraverso la cattura di neutroni dal nucleo di atomi di azoto, ossigeno o carbonio: 14N(n,p)14C; 13C(n, y)14C;17O(n, a)14C.
• Produzione di trizio (T) tramite la cattura di un neutrone da parte del nu-colo di un atomo di boro: 10B(n,2a)T. Questa è una reazione importante nei reattori ad acqua pressurizzata, che usano il boro nell’acqua di raffreddamento per controllare la reattività.
• Produzione di trizio attraverso la cattura di un neutrone da parte di un atomo di deuterio che è naturalmente presente nell’acqua di raffreddamento del reattore.

La cattura di neutroni può anche indurre radioattività attraverso l’attivazione. La cattura di un neutrone eccita il nucleo, che decade rapidamente in uno stato meno energetico attraverso l’emissione di radiazioni. Alcune reazioni di attivazione e prodotti significativi nei reattori di potenza includono i seguenti:

• Produzione di cobalto-60 da cobalto-59 attraverso la reazione59Co(n, y)60Co.
• Produzione di ferro-55 da ferro-54 attraverso la reazione54Fe(n, y)55Fe.

Il cobalto-60 e il ferro-55 sono prodotti di attivazione comuni nei componenti strutturali dei reattori.

Gli isotopi prodotti da questi processi di cattura neutronica sono quasi sempre radioattivi. Il loro decadimento comporta l’emissione di radiazioni alfa, beta e gammaradi, per produrre prodotti di decadimento sia radioattivi che non radioattivi. Una reazione di decadimento di particolare importanza nei reattori nucleari è la seguente:

Questa reazione produce plutonio-239 dalla cattura di neutroni di uranio-238 seguita da due decadimenti beta. Per esempio, l’interazione di elettroni energetici con materiali nel reattore provoca l’emissione di fotoni noti come bremsstrahlung. Questa radiazione appare come un debole bagliore blu quando gli elettroni interagiscono con l’acqua di raffreddamento nel reattore e le piscine di combustibile spento.