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Il principio di funzionamento delle centrali nucleari é simile alle centrali termoelettriche.
La differenza sostanziale è la modalità di produzione del vapore.

Nelle centrali nucleari la produzione del vapore per azionare la turbina si compie nel reattore nucleare.
La parte fondamentale di quest'ultimo é il nocciolo, costituito da contenitori nei quali viene inserito il combustibile nucleare: cilindretti di uranio.

Il nocciolo è composto da tre elementi fondamentali. Il combustibile, il moderatore e le barre di controllo.

All'interno del nocciolo viene innescato il processo di fissione nucleare controllato che produce il calore necessario a scaldare l'acqua e trasformarla in vapore ad alta pressione.

L'Uranio 235 è fissile, cioè, se viene colpito da un neutrone lento (termico) si spezza in due frammenti, producendo circa 200 Megaelettronvolt (100 milioni di volte l'energia di una reazione chimica), e mediamente due neutroni veloci, che vanno a colpire altri nuclei. I neutroni generati dalla fissione possono quindi fare quattro cose: fuggire fuori dal reattore, essere assorbiti da qualche materiale strutturale o dallo schermo, rimbalzare sul moderatore o essere assorbiti dall'uranio 238.
Il moderatore è un materiale (può essere acqua, acqua pesante, o grafite) che ha lo scopo di rallentare i neutroni e di metterli quindi in condizione di essere assorbiti dal 235.

Il vapore viene convogliato sulla turbina che ruotando trasmette la sua energia meccanica all'alternatore che a sua volta la trasforma in energia elettrica grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Il controllo del processo di fissione avviene attraverso le barre di controllo, le quali si inseriscono nel reattore per regolarne la potenza e, all'occorrenza, per spegnerlo.

In caso di emergenza le barre vengono tuffate completamente nel nocciolo, fermando la reazione a catena e fermando praticamente del tutto la generazione di energia.
Nei reattori moderati ad Acqua (tipicamente i Pwr o i Bwr) si usa anche acqua in cui è disciolto Boro, anche lui assorbitore di neutroni.
Contrariamente a quanto si dice spesso, se si perde il controllo del reattore non si attiva una reazione a catena come quella di una bomba a fissione.

Il reattore deve avere una struttura in grado di non lasciare fuoriuscire le sostanze radioattive che si sprigionano durante il processo di fissione.

Il reattore è inserito in un cilindro d'acciaio inossidabile posto all'interno di un contenitore in cemento armato dello spessore di almeno un metro.
Anche l'edifico che contiene il reattore é fatto di una solida struttura in cemento armato.