ENERGIA NUCLEARE
L’energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde
modificazioni della struttura stessa della materia. Scaturisce da
reazioni che avvengono nel nucleo dell’atomo.
La materia può trasformarsi in energia secondo la legge fisica, scoperta da Albert Einstein, che viene espressa dalla formula: E=mc²
Da essa si ricava che la quantità di energia E è uguale alla massa di materia trasformata m moltiplicata per una costante c² che corrisponde al quadrato della velocità della luce.
Tali reazioni permettono di ricavare una grandissima quantità di energia termica.
Possiamo avere due tipi di reazioni: la fissione nucleare (scissione) e la fusione nucleare
FISSIONE NUCLEARE
Si ha fissione (o scissione) nucleare quando, con opportuni sistemi, si riesce a dividere in due parti il nucleo atomico di un elemento molto pesante, detto elemento fissile, come quello dell’Uranio (U 235, il numero rappresenta la somma dei protoni più i neutroni).
Ciò può avvenire scagliando, mediante complesse apparecchiature,
neutroni contro il nucleo, che viene spaccato. Come risultato si ha la
creazione di due atomi più piccoli e contemporaneamente l’emissione di
una grande quantità di energia, secondo la regola di Einstein.
Questa energia, opportunamente sfruttata, permette di produrre vapore
acqueo utile a far girare le turbine con le quali ottenere energia
elettrica.
Se la quantità di materiale fissile è sufficiente, durante la fissione
si liberano altri neutroni, a loro volta capaci di colpire nuovi nuclei,
innescando una reazione a catena che può essere tenuta sotto controllo.
FUSIONE NUCLEARE
La reazione di fusione segue un procedimento inverso a quello della
fissione: invece di dividere in due parti un atomo pesante si fa in
modo, spingendoli con forza l’uno contro l’altro, di unire due atomi leggeri (deuterio e trizio, isotopi dell’Idrogeno) per formarne uno più pesante (elio):
il nucleo risultante sarà però meno pesante della somma dei precedenti:
la quantità di materia mancante si trasforma in energia
È un tipo di reazione che si genera
naturalmente nel Sole e nelle altre stelle: essa sviluppa una quantità
di energia molto più elevata della reazione di fissione e, considerando
che l’elemento necessario per realizzarla è l’idrogeno, ce si trova
sulla Terra in quantità virtualmente illimitate, costituisce un sistema
che può rappresentare la soluzione di tutti i problemi della Terra.
Purtroppo la tecnologia attuale non permette la fusione nucleare controllata
a causa delle altissime temperature necessarie per avviare la reazione:
non esiste al mondo nessun materiale solido capace di resistere a tali
temperature!
LA CENTRALE NUCLEARE
Le reazioni di fissione nucleare vengono sfruttate per produrre energia elettrica
in una centrale nucleare (al posto delle reazioni chimiche dei
combustibili tipiche delle centrali termoelettriche). Tali reazioni sono
circa un milione di volte più energetiche a parità di massa di
combustibile.
Il risultato è che, mentre una centrale termica media produce 50-100 Mw bruciando migliaia di tonnellate di combustibile, una centrale nucleare media produce circa 1000 Mw bruciando poche tonnellate di uranio.
Oltretutto, come si sa, i combustibili fossili dureranno per altri 50-60 anni, forse un po' di più, sicuramente non per l'eternità.
L'Uranio estratto in miniera durerà per altri 60-70 anni, ma c'è modo di estrarne in quantità quasi infinita dall'acqua di mare e da altri materiali comuni.
Inoltre l'energia nucleare, in condizioni di funzionamento normale, ha un impatto ambientale molto minore delle centrali a carbone o a metano, e non produce né anidride carbonica né ceneri come le centrali a carbone.
Tranne che nel caso di alcuni incidenti gravi che si contano sulla punta delle dita di una mano, (quali ad esempio Chernobyl o Tokaimura, in Giappone), una centrale funzionante causa all'ambiente circostante un'esposizione a radiazioni risibile.
Il problema è che si ha produzione di scorie nucleari, (prodotti di fissione: cesio, stronzio, iodio, rubidio...) non facili da trattare.
Per le scorie si sono proposti tanti tipi di trattamento, dal bruciamento nalla vetrificazione.
Al momento, l'unico modo serio di disfarsi delle scorie è metterle in bidoni adeguatamente schermati, in posti geologicamente stabili e adeguatamene monitorati, esattamente quello che si fa con i rifiuti chimicamente tossici.
Al momento sono attive circa 440 centrali, che contribuiscono al fabbisogno energetico mondiale per il 6-7 % sul totale e per il 18% sul fabbisogno elettrico.
Paesi come la Francia hanno quasi l'80% dell'energia elettrica nucleare, moltissimi paesi occidentali si aggirano sul 18-20%.
La grande maggioranza delle centrali nucleari è del tipo PWR (pressurized water reactor: reattore ad acqua in pressione). Questo tipo è molto diffuso purché è quello tecnologicamente più semplice, non pone particolari problemi di reperibilità né dei materiali né del combustibile, ed offre ottime garanzie di sicurezza.
All'interno di un contenitore (“contenitore del reattore”, chiamato Vessel) si trova il nocciolo.
Nel Vessel (che di solito è costituito da due strati, uno di cemento armato, dello spessore di circa un metro e 40, e un secondo contenitore di acciaio più sottile e fa sia da contenitore che da schermo biologico per le radiazioni emesse dal nocciolo in funzione)circola anche l'acqua di raffreddamento del circuito primario. La stessa acqua nel Vessel è uno schermo sufficiente a permettere, senza grossi rischi, qualsiasi operazione di manutenzione nell’edificio di contenimento, purché fatta a reattore fermo.
Ai suoi lati sono praticati dei fori per attaccare le tubature che portano l'acqua di raffreddamento, oltre che per permettere di collegare le barre di controllo e gli strumenti di misura.
L'acqua del primario, a circa 300-330°, viene mantenuta in pressione da un pressurizzatore, e scambia calore con l'acqua del circuito secondario in uno (o più) generatori di vapore, senza che mai ci sia contatto diretto fra l’acqua dei due circuiti diversi: l'acqua del primario che passa nel nocciolo, infatti, è lievemente radioattiva.
Nel caso del Pwr, l'incidente peggiore che si può pensare è la rottura del circuito primario: l'acqua, allo stato liquido e alla temperatura di 300°, si troverebbe a pressione atmosferica, ed evaporerebbe, espandendosi nell'edificio di contenimento, con una pressione di qualche bar.
L'edificio deve evitare, quindi, sia la dispersione all'esterno di acqua del primario, contaminata, che, eventualmente, un attacco esterno di qualsiasi tipo (anche terroristico!) al reattore.
L'acqua del circuito secondario, dopo essere passata dal generatore di vapore, esce dall'edificio di contenimento sotto forma di vapore ed entra in turbina, di dimensioni imponenti.
La turbina è collegata a un alternatore che ne trasforma circa il 30-33% in energia elettrica.
Per ragioni termodinamiche è complicato avere rendimenti migliori. Una parte dell’energia elettrica prodotta viene utilizzata per il funzionamento della centrale stessa.
Il vapore che esce dalla turbina, a bassa temperatura e pressione, entra in un ultimo scambiatore di calore (condensatore), che fa condensare l'acqua raffreddandola con un terzo circuito.
L'acqua di questo circuito, non venendo mai a contatto con sostanze radioattive, può essere prelevata e riimmessa nei fiumi, purché la temperatura sia adeguata a non causare danni all’ecosistema.
Nel caso in cui sia necessario raffreddare l'acqua dell'ultimo circuito, per poterla riammettere nel fiume, ad esempio, questa viene raffreddata ad aria tramite torri di raffreddamento.
Queste strutture, spesso enormi (a volte si usano torri alte fino a 140 m..) hanno la forma caratteristica che è restata nell'immaginario collettivo…
Nei reattori dell'ultima generazione, detti autofertilizzanti, si riesce non solo a produrre energia, ma anche nuovo combustibile nucleare. Durante la fissione, infatti, si ottiene un materiale fissile non presente in natura, il Plutonio.
Un altro metallo abbastanza diffuso, il Torio, introdotto in un reattore nucleare, si trasforma in un materiale che può a sua volta subire la fissione e quindi produrre altra energia.
Il risultato è che, mentre una centrale termica media produce 50-100 Mw bruciando migliaia di tonnellate di combustibile, una centrale nucleare media produce circa 1000 Mw bruciando poche tonnellate di uranio.
Oltretutto, come si sa, i combustibili fossili dureranno per altri 50-60 anni, forse un po' di più, sicuramente non per l'eternità.
L'Uranio estratto in miniera durerà per altri 60-70 anni, ma c'è modo di estrarne in quantità quasi infinita dall'acqua di mare e da altri materiali comuni.
Inoltre l'energia nucleare, in condizioni di funzionamento normale, ha un impatto ambientale molto minore delle centrali a carbone o a metano, e non produce né anidride carbonica né ceneri come le centrali a carbone.
Tranne che nel caso di alcuni incidenti gravi che si contano sulla punta delle dita di una mano, (quali ad esempio Chernobyl o Tokaimura, in Giappone), una centrale funzionante causa all'ambiente circostante un'esposizione a radiazioni risibile.
Il problema è che si ha produzione di scorie nucleari, (prodotti di fissione: cesio, stronzio, iodio, rubidio...) non facili da trattare.
Per le scorie si sono proposti tanti tipi di trattamento, dal bruciamento nalla vetrificazione.
Al momento, l'unico modo serio di disfarsi delle scorie è metterle in bidoni adeguatamente schermati, in posti geologicamente stabili e adeguatamene monitorati, esattamente quello che si fa con i rifiuti chimicamente tossici.
Al momento sono attive circa 440 centrali, che contribuiscono al fabbisogno energetico mondiale per il 6-7 % sul totale e per il 18% sul fabbisogno elettrico.
Paesi come la Francia hanno quasi l'80% dell'energia elettrica nucleare, moltissimi paesi occidentali si aggirano sul 18-20%.
La grande maggioranza delle centrali nucleari è del tipo PWR (pressurized water reactor: reattore ad acqua in pressione). Questo tipo è molto diffuso purché è quello tecnologicamente più semplice, non pone particolari problemi di reperibilità né dei materiali né del combustibile, ed offre ottime garanzie di sicurezza.
All'interno di un contenitore (“contenitore del reattore”, chiamato Vessel) si trova il nocciolo.
Nel Vessel (che di solito è costituito da due strati, uno di cemento armato, dello spessore di circa un metro e 40, e un secondo contenitore di acciaio più sottile e fa sia da contenitore che da schermo biologico per le radiazioni emesse dal nocciolo in funzione)circola anche l'acqua di raffreddamento del circuito primario. La stessa acqua nel Vessel è uno schermo sufficiente a permettere, senza grossi rischi, qualsiasi operazione di manutenzione nell’edificio di contenimento, purché fatta a reattore fermo.
Ai suoi lati sono praticati dei fori per attaccare le tubature che portano l'acqua di raffreddamento, oltre che per permettere di collegare le barre di controllo e gli strumenti di misura.
L'acqua del primario, a circa 300-330°, viene mantenuta in pressione da un pressurizzatore, e scambia calore con l'acqua del circuito secondario in uno (o più) generatori di vapore, senza che mai ci sia contatto diretto fra l’acqua dei due circuiti diversi: l'acqua del primario che passa nel nocciolo, infatti, è lievemente radioattiva.
Nel caso del Pwr, l'incidente peggiore che si può pensare è la rottura del circuito primario: l'acqua, allo stato liquido e alla temperatura di 300°, si troverebbe a pressione atmosferica, ed evaporerebbe, espandendosi nell'edificio di contenimento, con una pressione di qualche bar.
L'edificio deve evitare, quindi, sia la dispersione all'esterno di acqua del primario, contaminata, che, eventualmente, un attacco esterno di qualsiasi tipo (anche terroristico!) al reattore.
L'acqua del circuito secondario, dopo essere passata dal generatore di vapore, esce dall'edificio di contenimento sotto forma di vapore ed entra in turbina, di dimensioni imponenti.
La turbina è collegata a un alternatore che ne trasforma circa il 30-33% in energia elettrica.
Per ragioni termodinamiche è complicato avere rendimenti migliori. Una parte dell’energia elettrica prodotta viene utilizzata per il funzionamento della centrale stessa.
Il vapore che esce dalla turbina, a bassa temperatura e pressione, entra in un ultimo scambiatore di calore (condensatore), che fa condensare l'acqua raffreddandola con un terzo circuito.
L'acqua di questo circuito, non venendo mai a contatto con sostanze radioattive, può essere prelevata e riimmessa nei fiumi, purché la temperatura sia adeguata a non causare danni all’ecosistema.
Nel caso in cui sia necessario raffreddare l'acqua dell'ultimo circuito, per poterla riammettere nel fiume, ad esempio, questa viene raffreddata ad aria tramite torri di raffreddamento.
Queste strutture, spesso enormi (a volte si usano torri alte fino a 140 m..) hanno la forma caratteristica che è restata nell'immaginario collettivo…
Nei reattori dell'ultima generazione, detti autofertilizzanti, si riesce non solo a produrre energia, ma anche nuovo combustibile nucleare. Durante la fissione, infatti, si ottiene un materiale fissile non presente in natura, il Plutonio.
Un altro metallo abbastanza diffuso, il Torio, introdotto in un reattore nucleare, si trasforma in un materiale che può a sua volta subire la fissione e quindi produrre altra energia.
Il nocciolo e le barre di controllo
Il nocciolo è composto da tre elementi fondamentali: il combustibile, il moderatore e le barre di controllo.Il combustibile usato è Uranio 235: pastiglie di diametro 1-1,5 cm impilate una sull’altra in barre di circa 3 metri e mezzo. Queste barre vengono montate nel nocciolo avendo cura di lasciare spazi vuoti per le altre barre, quelle di controllo.
L'Uranio 235 è fissile, cioè, se viene colpito da un neutrone lento 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.
Si crea così una reazione a catena: quando il numero di reazioni (e quindi di neutroni) resta costante nel tempo si dice che il reattore è in condizioni di criticità.
Il moderatore è un materiale (solitamente acqua, ma anche grafite) che ha lo scopo di rallentare i neutroni e di metterli quindi in condizione di essere assorbiti dal 235.
La potenza del reattore viene controllata controllando il flusso di neutroni che alimenta la reazione a catena.
Quindi si costruisce un reattore che, con solo combustibile e moderatore, tenderebbe a raggiungere una potenza molto superiore a quella per cui è costruito, instaurando quindi una reazione a catena con molti più neutroni (e più fissioni) del consentito, e si installano dei meccanismi che inseriscono nel reattore materiali che assorbono neutroni, smorzando così la reazione.
Questo permette di salire o scendere di potenza, e, volendo, di spegnere il reattore, anche in modo molto rapido, se necessario.
Questi dispositivi sono in generale costituiti dalle barre di controllo, che sono barre solide di argento, Indio e Cadmio che assorbono neutroni.
A seconda che vengano più o meno estratte la potenza aumenta o diminuisce.
Le barre di controllo, in un Pwr, vengono spesso inserite negli alloggiamenti delle barre di combustibile lasciati liberi apposta.
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.
Fukushima
La centrale nucleare di Fukushima, nota per il disastro ambientale dovuto al terremoto in Giappone del Marzo 2011, non è di tipo PWR ma di tipo BWR (Boiling Water Reactor). A differenza del PWR, un reattore BWR utilizza la stessa acqua sia come moderatore del nocciolo sia come termovettore. Esiste, in pratica, un solo circuito di acqua, a parte quello di condensazione.
"Progetto Tecnologia - Vol.B" (Benente, Ferraiolo, Vitale - Ed. Paravia)
"Tecnologia - Energia e applicazioni - Vol.D" (Gianni Arduino - Ed. Lattes)
"Area Tecnologia" (A.Chini, A.Conti - Ed. Minerva Scuola)
"Tecno Idea" (E.Sottsass, A. Pinotti - Ed. Atlas)
http://digilander.libero.it/ilnucleare/centrali.html
