Dispositivo, impianto nel quale si fanno avvenire reazioni chimiche a fini industriali (r. chimico) o reazioni nucleari (r. nucleare). ║ Sinonimo di motore a reazione; in aeronautica, velivolo dotato di propulsore a getto. • Chim. - I r. utilizzati nei processi chimici si distinguono in base alla continuità o meno delle operazioni svolte. Per piccole capacità produttive, la reazione viene condotta in modo discontinuo, caricando, cioè, tutti i reagenti all'inizio dell'operazione e attendendo il tempo necessario al raggiungimento del grado di conversione richiesto; questo tipo di conduzione è caratteristico dei r. utilizzati nell'industria farmaceutica. Per alte capacità produttive si utilizzano r. continui, caratterizzati, cioè, da flussi di reagenti in entrata e da flussi di prodotti e reagenti non convertiti in uscita che non subiscono interruzioni durante il corso delle operazioni; alcuni processi, infine, richiedono l'utilizzo di r. semicontinui, nei quali non tutti i componenti del sistema reagente fluiscono con continuità attraverso il r. I r. continui vengono ulteriormente suddivisi, in base al grado di mescolamento, in r. a mescolamento nullo e r. a mescolamento completo: i primi hanno forma tubolare e sono caratterizzati dal fatto che ogni porzione della miscela reagente permane nel r. per lo stesso tempo; i secondi, invece, sono caratterizzati dal fatto che ogni punto interno ha gli stessi valori di temperatura e di composizione uguali a quelli della corrente materiale uscente. Un altro importante elemento di caratterizzazione dei r. continui è dato dal numero e dalla natura delle fasi coinvolte nelle reazioni chimiche che avvengono in essi: le reazioni omogenee, in cui è presente un'unica fase, vengono condotte solitamente in r. tubolari a flusso continuo, mentre è più complessa la situazione dei sistemi eterogenei. Le reazioni fluido-solido, nelle quali rientrano le reazioni catalitiche eterogenee, vengono spesso condotte in r. tubolari nei quali è presente un letto costituito da particelle solide del catalizzatore; le reazioni in fase liquida vengono condotte solitamente in r. a grado di mescolamento molto agitato, per consentire la dispersione delle due fasi l'una nell'altra; le reazioni in cui sono presenti una fase liquida e una gassosa, infine, vengono condotte in r. a colonna verticale, nei quali le due fasi si muovono in controcorrente, la gassosa dal basso e la liquida dall'alto. Un tipo particolare di r. è il cosiddetto bioreattore o r. biologico, nel quale avvengono le reazioni di fermentazione caratteristiche del settore microbiologico industriale; ricordiamo infine i r. nei quali avvengono processi elettrochimici, fotochimici o radiochimici, non inquadrabili in categorie generali, in quanto strettamente dipendenti dalle reazioni coinvolte. • Elettrotecn. - Dispositivo elettrico costituito da un condensatore o da un induttore, destinato a fornire una certa reattanza al passaggio della corrente; se non è ulteriormente specificato, indica solitamente una bobina d'induttanza, utilizzata come componente di circuiti a bassa tensione. ║ R. di potenza: r. impiegato in circuiti ad alta potenza, solitamente nelle reti di trasporto e di distribuzione dell'energia elettrica. I r. di potenza possono essere inseriti in serie alla linea per limitare l'intensità della corrente, oppure connessi in parallelo per controllare la potenza reattiva. I r. del primo tipo non hanno nucleo di ferro e possono essere isolati in aria o immersi in olio; i r. del secondo tipo, invece, sono dotati di nucleo ferromagnetico e sono di costruzione molto simile a quella dei trasformatori. • Fis. - R. nucleare: dispositivo che utilizza una reazione nucleare a catena per fornire energia termica. In un r. nucleare hanno luogo, in genere, numerose reazioni nucleari; almeno una di esse, detta reazione di base o fondamentale, è esoenergetica, controllabile e, una volta innescata, prosegue nel tempo con continuità. Risultato principale della reazione di base è la liberazione di energia nucleare, convertita in energia termica; essa è accompagnata dall'emissione di particelle e di radiazioni e dalla formazione di un certo numero di nuclidi, in maggioranza radioattivi, prodotti dalla reazione base e da reazioni secondarie. Le reazioni nucleari esotermiche utilizzate nei r. sono di due tipi: le reazioni di fusione, che non hanno ancora trovato impiego pratico e sono oggetto di studio in tutto il mondo, e le reazioni di fissione, utilizzate negli attuali r. nucleari. Il primo r. nucleare, di fissione, fu la pila atomica realizzata nel 1942 a Chicago da E. Fermi e dai suoi collaboratori. ║ R. nucleare a fissione: dispositivo entro il quale si realizza la fissione controllata di un radioisotopo fissile, con produzione di radioisotopi, di neutroni e sviluppo di energia termica. Numerosi elementi pesanti possono subire la fissione se bombardati con neutroni di energia sufficientemente elevata; solo pochi elementi, detti fissili, sono in grado di subire fissione se bombardati con neutroni di qualsiasi energia. L'unico elemento fissile esistente in natura è l'uranio, che è costituito per lo 0,71% dall'isotopo ²³⁵U, per il 99,28% dall'isotopo ²³⁸U e per il restante 0,01% dall'isotopo ²³⁴U; l'isotopo ²³⁵U è fissile, mentre l'isotopo ²³⁸U subisce la fissione solo se bombardato con neutroni di energia elevata. Altri materiali fissili prodotti artificialmente sono gli isotopi ²³⁹Pu e ²⁴¹Pu, ottenuti dal ²³⁸U per cattura neutronica, e l'isotopo ²³³U, prodotto dal ²³²Th. Nella fissione di una mole di ²³⁵U si libera un'enorme quantità di energia, circa 2 · 10¹³J · mol^-1, della quale l'85% è sotto forma di energia cinetica dei prodotti di fissione e il restante 15% è distribuito fra emissione β ed emissione γ. Poiché la probabilità di assorbimento di un neutrone da parte dei nuclei di un elemento aumenta in generale con il diminuire dell'energia dei neutroni, è conveniente rallentare notevolmente i neutroni emessi per effetto della fissione, così da poter provocare la fissione di un altro nucleo; il processo di rallentamento avviene collocando nel nucleo attivo (nocciolo) del r. un moderatore, cioè un materiale non assorbente neutroni e di basso peso atomico, in modo che i neutroni perdano rapidamente energia urtando contro i nuclei di questo materiale. In generale, i neutroni prodotti nella fissione possono subire tre tipi di interazione con i materiali presenti nel r.: diffusione anelastica o scattering, con perdita di energia; assorbimento in un nucleo senza dar luogo a fissione; fissione. Il mantenimento della reazione a catena è ostacolato in ogni r. da molteplici fattori, quali la presenza di fluido refrigerante, la fuga di neutroni dal contorno del sistema, l'assorbimento di neutroni da parte della struttura portante del r., ecc.; se definiamo costante di moltiplicazione k la grandezza data dal numero di neutroni prodotti per ogni neutrone catturato, condizione necessaria, ma non sufficiente, affinché la reazione si autosostenga è k > 1. Se P è la probabilità che un neutrone di fissione ha di non sfuggire dal mezzo prima di essere catturato, il valore assunto dal prodotto k_e = Pk, detto costante di criticità, fornisce una condizione sufficiente per l'autosostentamento della reazione: se k_e < 1 la reazione tende a estinguersi, e il r. si dice sottocritico; se k_e = 1 la reazione a catena è stazionaria e il r. si dice critico; infine, se k_e > 1 la reazione a catena è divergente, tende cioè ad accelerarsi progressivamente, e il r. si dice ipercritico. Elemento fondamentale di un r. è il combustibile nucleare, termine con il quale si indica, impropriamente, ogni materiale contenente elementi fissili, capace di sostenere una reazione a catena e produrre quindi energia; dal punto di vista nucleare esso è caratterizzato dal numero medio η di neutroni utilizzabili nella reazione per ogni neutrone assorbito dal combustibile. I combustibili nucleari attualmente utilizzati sono l'uranio naturale, formato da una miscela dei tre isotopi ²³⁴U, ²³⁵U e ²³⁸U, l'isotopo ²³⁵U, presente in natura, e gli isotopi ²³³U e ²³⁹Pu, prodotti artificialmente nei r. per effetto dell'assorbimento dei neutroni da parte di nuclei non fissili quali ²³⁸U e ²³²Th, detti materiali fertili. Nella reazione principale di fissione, degli η neutroni prodotti uno è destinato a scindere un nucleo fissile e i restanti η - 1, almeno in linea di principio, possono produrre nuovi nuclei fissili secondo le reazioni di fertilizzazione che si innescano in seguito all'assorbimento di neutroni da parte di materiali fertili; il numero di nuovi atomi fissili prodotti secondo le reazioni di fertilizzazione per ogni atomo distrutto per fissione del materiale fissile viene detto coefficiente di conversione c. Se c > 1 il materiale fissile prodotto è maggiore di quello bruciato, e il r. si dice autofertilizzante; se c < 1 il r. si dice convertitore. Dal punto di vista della produzione di energia i combustibili nucleari sono caratterizzati dalla resa energetica, definita come la quantità di energia termica ottenibile dall'unità di massa del combustibile stesso: in essa è compresa l'energia generata dalla fissione degli elementi prodotti per fertilizzazione nel nocciolo del r. La permanenza del combustibile nel r. rappresenta una fase di un ciclo, detto ciclo del combustibile nucleare, che descrive i trattamenti e le lavorazioni subiti dall'uranio dalla sua estrazione alla eliminazione delle scorie. Quest'ultima fase costituisce uno dei problemi più delicati connessi con l'utilizzo di r. a fissione. Come già accennato, ogni r. nucleare contiene i seguenti componenti essenziali: il combustibile nucleare, costituito da uno o più isotopi fissili e da uno o più isotopi fertili; un fluido vettore termico, che circola attraverso il r. e asporta il calore prodotto durante il funzionamento; il moderatore, presente solo nei r. termici e spesso coincidente con il fluido vettore; un sistema di controllo della reattività e della potenza prodotta, costituito da un complesso di barre ad alto assorbimento neutronico che, inserite nel nocciolo, provocano un rapido spegnimento del r.; il complesso delle strutture portanti. Agli elementi costituenti il r. propriamente detto si aggiungono il circuito del fluido vettore termico, detto circuito primario, una schermatura per l'assorbimento delle radiazioni nucleari, e un sistema di contenimento per ridurre al minimo la fuoriuscita di prodotti della fissione in caso di rottura del circuito primario; infine, data l'elevata attività radioattiva dei prodotti di fissione, assumono grande rilievo nella progettazione di un r. nucleare la scelta dei sistemi di sicurezza, in genere suddivisi in più sottosistemi distinti e indipendenti, basati su principi fisici diversi e separati fisicamente, così che la sicurezza non dipenda dal funzionamento di una singola unità. In base allo scopo cui sono destinati, i r. nucleari a fissione possono essere classificati in r. di energia o di potenza, r. sperimentali e r. di ricerca; un'altra suddivisione può essere fondata sulla natura e la struttura del combustibile nucleare utilizzato, distinguendo tra r. di tipo omogeneo, quando il combustibile è diffuso nel moderatore oppure nel fluido refrigerante, e r. di tipo eterogeneo, nei quali il combustibile è presente in forma strutturalmente diversa dal moderatore e dal fluido refrigerante. A seconda dell'energia dei neutroni utilizzati per la fissione, i r. possono essere veloci, quando la maggior parte dei neutroni impiegati hanno energia superiore a 0,1 MeV, intermedi, quando la fissione avviene principalmente per assorbimento di neutroni nell'intervallo delle energie intermedie, termici, quando i valori delle energie dei neutroni coinvolti sono inferiori a 1 eV. In base al tipo di moderatore utilizzato, i r. termici possono essere suddivisi, a loro volta, in r. ad acqua, r. ad acqua pesante, r. a grafite; a seconda del fluido refrigerante impiegato si suddividono in r. ad acqua in pressione, r. ad acqua in cambiamento di fase e r. a metalli liquidi. ║ R. di potenza: r. nucleare in cui l'energia termica liberata viene estratta e trasformata in energia elettrica per scopi industriali. La trasformazione di calore in energia elettrica avviene solitamente attraverso turbogeneratori azionati da vapore prodotto in un circuito primario; il complesso del r. di potenza e del circuito primario prende il nome di generatore nucleare di vapore, mentre l'insieme dei turbogeneratori elettrici e dei macchinari associati, analoghi a quelli presenti nelle centrali termiche convenzionali, prende il nome di impianto di produzione. ║ R. ad acqua bollente: r. nucleare in cui l'acqua, che ha funzione di moderatore e di fluido refrigerante, è in stato di ebollizione. L'ebollizione parziale dell'acqua ha luogo nel nocciolo, costituito da elementi modulari, ognuno formato da quattro elementi di combustibile e da una barra di controllo; il vapore saturo prodotto è inviato direttamente alla turbina, dopo aver attraversato separatori di umidità ed essiccatori. ║ R. ad acqua in pressione: r. nucleare in cui l'acqua viene mantenuta a pressione elevata, denominato anche r. ad acqua leggera. L'acqua, a una pressione di circa 150 bar, circola nel nocciolo e convoglia calore al circuito secondario, che produce vapore per le turbine; una delle principali caratteristiche del r. ad acqua in pressione, in cui l'acqua svolge la funzione sia di moderatore sia di fluido refrigerante, è l'assoluta separazione tra fluido termico primario e fluido secondario, esente da contaminazione radioattiva. ║ R. ad acqua pesante: r. nucleare in cui il moderatore e il fluido refrigerante sono costituiti da acqua pesante. L'impiego dell'acqua pesante come moderatore presenta il vantaggio, rispetto all'acqua naturale, di un assorbimento neutronico notevolmente inferiore: ciò consente di utilizzare l'uranio naturale come costituente principale del combustibile nucleare. L'efficacia del moderamento, tuttavia, è sensibilmente inferiore, poiché i nuclei di deuterio, che svolgono tale funzione, hanno una massa doppia di quella dei nuclei di idrogeno: questo inconveniente viene ovviato aumentando la distanza fra gli elementi di combustibile rispetto a quella dei r. ad acqua leggera. ║ R. a gas: r. nucleare raffreddato a gas; in particolare, r. nucleare a uranio naturale, moderato a grafite e raffreddato a gas. Nonostante i perfezionamenti, sviluppati anche in Francia, il r. a gas-grafite e uranio naturale presenta limitazioni intrinseche; per tale motivo sono stati realizzati r. a gas basati su tecnologie più avanzate, che producono calore a temperature molto maggiori, consentendo l'impiego di turbogeneratori analoghi a quelli utilizzati negli impianti termoelettrici tradizionali. ║ R. moderati e raffreddati con liquidi organici: r. nucleari nei quali moderatori e refrigeranti sono costituiti da alcuni liquidi organici, in particolare difenile e trifenile. Tali r. presentano il vantaggio di poter utilizzare acciai al carbonio o debolmente legati per la costruzione dei circuiti al posto dell'acciaio inossidabile, assai più costoso, necessario negli impianti raffreddati ad acqua; tuttavia, l'utilizzo di liquidi organici presenta l'inconveniente della decomposizione e della polimerizzazione dei liquidi stessi alle alte temperature, con la conseguente perdita di materiale e la sua necessaria reintegrazione. ║ R. a metallo liquido: r. nucleare moderato a grafite in cui il refrigerante è un metallo o una lega (più usate le leghe comprendenti sodio, potassio, bismuto). L'impiego dei metalli liquidi consente di raggiungere temperature molto alte a pressione atmosferica e di trasferire potenze termiche rilevanti da sistemi compatti con potenze relativamente limitate per la loro circolazione; tuttavia, il loro impiego necessita della realizzazione di elementi di combustibile e di componenti meccanici adatti, nonché di una apposita strumentazione. ║ R. a piscina: r. nucleare eterogeneo nel quale le sbarre di combustibile sono immerse in una vasca di acqua o acqua pesante. Il liquido funge da moderatore, riflettore, schermo e refrigerante. ║ R. autofertilizzante veloce: r. nucleare privo di moderatore, nel quale vengono utilizzati i neutroni veloci provenienti dalla fissione del ²³⁵U per trasformare l'isotopo fertile ²³⁸U nell'isotopo fissile ²³⁹Pu. Un r. nucleare veloce autofertilizzante, capace, cioè, di produrre più atomi fissili di quanti ne consuma, è caratterizzato da una elevata densità di potenza nel nocciolo e, quindi, da esigenze di trasferimento del calore particolarmente severe. L'elevata domanda di nuove fonti energetiche, unitamente all'eccessivo costo di estrazione dell'uranio, hanno promosso lo sviluppo e la produzione di tali r. ║ R. termici autofertilizzanti: r. termici nei quali il processo di autofertilizzazione è realizzato sulla base del ciclo uranio-torio. La tecnologia dei r. termici autofertilizzanti a torio è ancora poco sviluppata, poiché l'avvelenamento provocato dall'accumulo dei prodotti di fissione è molto maggiore che nei r. veloci; un ulteriore problema è dato dall'elevata radioattività dell'uranio prodotto nel ciclo uranio-torio, che impone un'adeguata schermatura dell'impianto. ║ R. fertilizzati o amplificatori di energia: r. sottocritici in fase di studio basati sull'impiego del torio, il cui unico isotopo ²³²Th è fertile, non fissile. Il processo di fertilizzazione viene innescato irradiando il torio con un fascio di particelle di una macchina acceleratrice in modo continuo per circa un anno, al termine del quale il bilancio energetico inizia a essere attivo. Questo tipo di r., proposto da C. Rubbia, viene anche denominato amplificatore di energia poiché, a differenza dei r. convenzionali che si autosostengono, è necessario immettere energia dall'esterno affinché esso sia in grado di fornire energia, in misura molto maggiore di quella assorbita. ║ R. a sicurezza intrinseca: r. che dispongono di funzioni essenziali di sicurezza, che garantiscono lo spegnimento della reazione a catena e la rimozione del calore residuo di decadimento indipendentemente dall'attivazione di sistemi e dall'intervento dell'uomo. ║ R. di potenza per propulsione navale: r. nucleari utilizzati nella propulsione navale nucleare, simili a quelli impiegati per la realizzazione di impianti a terra per la produzione di energia elettrica; la diffusione della propulsione nucleare, tuttavia, è molto limitata a causa dei notevoli costi di investimento, dei rischi connessi, della necessità di personale specializzato e di infrastrutture a terra per le operazioni di cambio del combustibile, della mancanza di un regolamento internazionale, ecc. ║ R. di ricerca: r. nucleare adoperato per eseguire ricerche nel campo della fisica, ingegneria, biologia. Questo tipo di r. è dotato di camere laterali per l'esposizione di campioni al flusso neutronico da esso fornito, che rappresenta uno dei dati caratteristici del r. stesso. ║ R. nucleari a fusione: r. nucleari in fase di studio, basati sulla reazione di fusione di nuclei di elementi a basso numero atomico. Questa fusione è accompagnata da perdita di massa e dalla conseguente liberazione di un ingente quantitativo di energia. Tali reazioni, tuttavia, richiedono enormi energie di attivazione, a causa della repulsione elettrostatica dei nuclei: solo a temperature dell'ordine del centinaio di milioni di gradi le forze repulsive fra i nuclei vengono superate dall'energia cinetica dei nuclei stessi e, raggiunte così distanze internucleari inferiori a 10^-13 cm, possono aver luogo reazioni nucleari di fusione. A temperature così elevate gli atomi si dissociano in nuclei ed elettroni, in uno stato gassoso della materia che prende il nome di plasma: è nello stato di plasma che possono raggiungersi le temperature di ignizione necessarie ad avviare i processi termonucleari. ║ R. a confinamento magnetico: r. nucleare a fusione nel quale il plasma è confinato in una prestabilita regione dello spazio mediante campi magnetici. A causa della sua elevatissima temperatura, il plasma non può essere contenuto in un recipiente materiale, come avviene nei r. a fissione: è tuttavia possibile confinarlo utilizzando la proprietà dei campi magnetici di deflettere particelle cariche in moto, come quelle costituenti il plasma stesso. Il campo magnetico agisce sul plasma contrastando o bilanciando la tendenza della sua superficie limite a espandersi per effetto della pressione; in pratica, il bilanciamento tra le due pressioni non è mai raggiunto, e il rapporto tra la pressione nel plasma e quella del campo magnetico esterno è sempre inferiore all'unità. Le configurazioni magnetiche attualmente adottate per il confinamento del plasma sono generalmente a struttura chiusa, cioè caratterizzate da linee di campo che non escono dalla zona di confinamento. ║ R. a confinamento inerziale: r. a fusione nucleare in fase di studio, nel quale il confinamento e il riscaldamento del combustibile vengono realizzati mediante irraggiamento con intensissimi fasci laser. ║ R. a confinamento muonico: r. nucleare a fusione in fase di studio, nel quale il confinamento viene realizzato mediante l'impiego di ioni molecolari muonici.