Energia nucleare

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Energia nucleare

Energia che si produce nella fissione o nella fusione di nuclei atomici. La possibilità di sfruttare l’energia nucleare per produrre energia elettrica si impose negli anni Cinquanta, a seguito del successo ottenuto dagli scienziati americani, durante la seconda guerra mondiale, nella realizzazione della potente bomba A, basata sulla fissione nucleare. La quantità di energia che si può ricavare dal nucleo atomico, infatti, è di gran lunga maggiore di quella che si ottiene in trasformazioni chimiche quali la combustione, che coinvolgono i costituenti elementari della parte più esterna dell'atomo. Fino al 1800 circa il combustibile principale era il legno, che permetteva di utilizzare indirettamente l'energia solare immagazzinata dagli alberi nel corso della loro vita. Con l'avvento della rivoluzione industriale, l'uomo ha iniziato a utilizzare combustibili fossili, come il carbone e il petrolio, anch'essi, in ultima analisi, riserve di energia solare immagazzinata nel tempo. Bruciando un combustibile fossile, ad esempio il carbone, gli atomi di idrogeno e di carbonio del carbone si combinano con quelli di ossigeno presenti nell'aria, e producono anidride carbonica e acqua; in questa reazione chimica viene prodotta una quantità di calore che corrisponde a circa 6500-9500 kcal/kg, equivalente a 1,6 kilowattora/kg. È questa la resa tipica di una reazione chimica, che deriva da trasformazioni della struttura elettronica dell'atomo. Una parte di questa energia termica, inoltre, viene successivamente assorbita dal combustibile stesso, per mantenerlo a una temperatura tale da rendere possibile la prosecuzione della reazione. Viceversa, in una tipica reazione nucleare, quale la fissione dell’uranio, 1 kg di uranio 235 sviluppa, in forma di calore, 18,7 milioni di kilowattora. Nel nucleo si concentra la maggior parte della massa dell’atomo: intorno ad esso ruotano gli elettroni, ciascuno con una massa circa duemila volte più piccola di quella di un singolo costituente nucleare (protone o neutrone). Le forze nucleari che tengono uniti neutroni e protoni sono molto intense: molto più di quelle elettriche che legano gli elettroni al nucleo. Mentre il numero di massa A di un atomo ne determina le proprietà nucleari, poiché indica il numero totale di nucleoni (ovvero di neutroni e protoni) che esso contiene, il numero atomico Z determina piuttosto le proprietà chimiche dell'atomo, poiché ne specifica il numero di protoni. Un nucleo atomico è specificato con la notazione ê; l'espressione U, ad esempio, rappresenta l'isotopo dell'uranio di numero di massa 235. L'energia di legame di un nucleo indica quanto protoni e neutroni sono "vicini" all'interno del nucleo. L'energia di legame media per nucleone (mostrata nel grafico) è funzione del numero di massa A, ed equivale all'energia necessaria per allontanare completamente fra loro i protoni e i neutroni che formano il nucleo. La stessa quantità di energia viene liberata se i nucleoni, per qualche causa esterna o spontaneamente, riassestano la loro disposizione, formando un nucleo che ha una massa leggermente minore. Questo può accadere sia quando si fondono due nuclei leggeri, formando un nucleo pesante, sia se un nucleo pesante si scinde in due nuclei leggeri. Un reattore nucleare è un impianto dove una reazione nucleare a catena viene iniziata, mantenuta e, generalmente, controllata, in modo che il rilascio di energia avvenga gradualmente.

I primi reattori su larga scala sorsero nel 1944 a Hanford, nello stato di Washington, e avevano come scopo la produzione di armi nucleari. Come combustibile utilizzavano uranio metallico naturale, e la grafite come moderatore: nel processo di fissione si generava plutonio, utilizzato nelle bombe atomiche, che si ottiene da 238U per assorbimento di un neutrone, mentre il calore prodotto non veniva utilizzato.
Da allora nel mondo sono stati progettati e costruiti una gran varietà di reattori nucleari, principalmente per la produzione di energia elettrica, ma fino a pochi anni fa anche per la produzione di armamenti nucleari. Tutti i reattori sono dotati di una regione chiamata "nocciolo", dove viene posto il combustibile ed eventualmente il moderatore, e dove avviene la reazione nucleare vera e propria; hanno poi un sistema di raffreddamento, vari dispositivi di controllo, strumenti di misura, sistemi di schermatura e sistemi ausiliari e di emergenza. Vengono generalmente distinti in base al tipo di moderatore utilizzato, o al tipo di processo di reazione che realizzano (con neutroni lenti o veloci). Le moderne centrali elettronucleari possono essere costituite da uno o più reattori. I reattori moderati e refrigerati ad acqua naturale, largamente diffusi negli Stati Uniti, richiedono come combustibile l'uranio arricchito, generalmente ossido di uranio al 3% di 235U: sono riferiti come reattori ad acqua leggera (Light Water Reactor, LWR).
Nel reattore ad acqua pressurizzata (Pressurized Water Reactor, PWR), una variante del LWR, l'acqua funziona sia da moderatore che come mezzo refrigerante: viene portata a una pressione di circa 150 atm e pompata nel nocciolo del reattore, dove raggiunge la temperatura di circa 325 °C. Quindi è trasportata a un generatore di vapore, che scambia calore con un circuito secondario: qui altra acqua viene riscaldata e convertita in vapore, che aziona uno o più generatori a turbina (dove si realizza la trasformazione di calore in energia utilizzabile) per poi tornare nuovamente nel generatore di vapore. Il circuito secondario è isolato dal nucleo del reattore, perciò non è radioattivo. Un terzo circuito di acqua, proveniente da un fiume, un lago o una torre di raffreddamento, serve per condensare il vapore.
Nel reattore ad acqua bollente (Boiling Water Reactor, BWR), anch'esso del tipo LWR, l'acqua è mantenuta a pressione piuttosto bassa, e dunque entra in ebollizione solo quando giunge nel nocciolo. Il vapore prodotto viene mandato direttamente nel generatore a turbina, condensato, e quindi ripompato nel reattore. Benchè il vapore sia radioattivo, non essendoci uno scambiatore intermedio di calore tra reattore e turbina, l'efficienza del sistema è più alta che nel PWR. Come nel PWR, l'acqua di raffreddamento del condensatore proviene da un'altra fonte, come un fiume o un lago.
Il livello di potenza di un reattore in funzione viene costantemente controllato dalla misurazione di una serie di parametri rilevanti (come la temperatura, il flusso di calore e il livello di attività nucleare). La potenza in uscita viene regolata con l'introduzione o l'allontanamento dal nocciolo di "barre di controllo", elementi costituiti da un materiale capace di assorbire neutroni molto efficientemente. La posizione delle barre viene determinata in modo che il numero di neutroni prodotti in ogni ciclo a catena si mantenga costante, e la reazione nucleare non assuma un andamento esplosivo.
Durante il funzionamento, e anche dopo il suo spegnimento, un grosso reattore di potenza da 1000 MW possiede una radioattività che arriva fino a miliardi di curie. Le radiazioni prodotte dal reattore durante la fissione e dai residui dei processi dopo lo spegnimento sono assorbite da blocchi massicci di cemento posti intorno al reattore e al circuito di raffreddamento primario. Altre strutture di sicurezza includono: un sistema di raffreddamento del nucleo, per impedirne il surriscaldamento e la successiva fusione, evento pericolosissimo, in caso di avaria del sistema di raffreddamento principale e una costruzione esterna di contenimento – obbligatoria nella maggior parte dei paesi – per bloccare qualsiasi tipo di fuga di materiale radioattivo in caso di malfunzionamento dell'impianto.
Sebbene all'inizio degli anni Ottanta fossero già operanti negli Stati Uniti più di 100 impianti per la produzione di energia nucleare, in seguito all'incidente di Three Miles Island (vedi oltre) ragioni di sicurezza e diverse considerazioni di tipo economico hanno bloccato ogni ulteriore sviluppo di impianti nucleari. Dal 1978 in poi è stata approvata la costruzione di nuove centrali, mentre parte di quelli completati non sono mai divenuti operativi. Nel 1990, solo circa un quinto dell'energia elettrica prodotta negli Stati Uniti proveniva da sorgenti nucleari, mentre in Francia le centrali nucleari a tutt'oggi forniscono circa i tre quarti dell'energia del paese. Nei primi anni Cinquanta, quando ebbe inizio lo sfruttamento dell'energia nucleare, l'uranio arricchito era disponibile solo negli Stati Uniti e nell'allora Unione Sovietica; di conseguenza i primi programmi di produzione di energia nucleare di Canada, Francia e Gran Bretagna prevedevano l'impiego di uranio naturale. Questo tipo di combustibile, meno efficace dell'uranio arricchito, richiede come moderatore l'ossido di deuterio (D2O), o acqua pesante: l'acqua naturale, infatti, catturerebbe un numero eccessivo di neutroni che invece servono in gran numero per aumentare il basso rendimento del combustibile. I canadesi svilupparono allora un impianto di 20 reattori a deuterio-uranio, noto come CANDU (Candian deuterium-uranium reactor), che è stato poi copiato in India, Argentina e altri paesi.
Impianti nucleari vengono utilizzati anche nella propulsione di grandi navi militari, come la portaerei statunitense Nimitz, o di sottomarini. In genere i sottomarini a energia nucleare sfruttano uranio molto arricchito così da permettere una sensibile riduzione delle dimensioni del reattore. Va ricordato che la tecnologia del PWR fu inizialmente sviluppata proprio per il programma di ricerca di reattori navali degli Stati Uniti. Oggi Stati Uniti, Regno Unito, Russia e Francia usano per i loro sottomarini alimentati a energia nucleare questo tipo di reattore.
Tre navi "nucleari" da carico sono state in funzione, per iniziativa di Stati Uniti, Germania e Giappone, per periodi limitati a scopo di sperimentazione. Nonostante il successo ottenuto dal punto di vista tecnico, le rigide regolamentazioni portuali e motivi di carattere economico hanno decretato la fine di tali progetti. All'ex Unione Sovietica spetta il merito di aver realizzato la prima rompighiaccio a energia nucleare, la Lenin, impiegata per liberare i canali del mare Artico.
Numerosi piccoli reattori nucleari sono in funzione nel mondo a scopo di ricerca e formazione, e soprattutto per la produzione di radiazione o isotopi radioattivi. Operano generalmente a livelli di potenza intorno a 1 MW, e, date le loro limitate dimensioni, possono essere messi in funzione e spenti più facilmente che i grossi reattori per la produzione di energia.
Uno dei più usati in questo settore è il cosiddetto reattore a piscina. Il nocciolo è costituito da uranio parzialmente o totalmente arricchito, contenuto in piastre di lega di alluminio, immerse in una grande vasca d'acqua che svolge la doppia funzione di moderatore e refrigerante. I materiali da irradiare con neutroni possono essere collocati all'interno del nocciolo o molto vicino a esso. Può produrre diversi tipi di isotopi radioattivi, per uso in medicina, nell'industria e nella ricerca. Dal nocciolo possono anche venire estratti i neutroni, attraverso linee di trasporto, ed essere utilizzati in esperimenti di fisica.