Una “prima lezione” sull’energia nucleare

Ho notato che i miei recenti articoli sull’energia nucleare hanno riscosso un certo interesse, come era logico attendersi: molti arrabbiati con me, altri contenti. Allora provo qui a scriverne uno dove nel breve spazio a disposizione metterò soltanto le nozioni basilari, come se fosse la prima lezione di un mio corso al Politecnico.

L’energia nucleare si ottiene in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici: le reazioni coinvolte sono principalmente due, quella di fissione e quella di fusione, oltre a quelle legate al decadimento radioattivo. Nella fissione, quando un neutrone colpisce un nucleo fissile (p.es. uranio-235 o plutonio-239), questo si spacca in due frammenti e rilascia altri neutroni. La somma delle masse dei due frammenti e dei neutroni emessi è leggermente minore di quella del nucleo originario e del neutrone che lo ha fissionato: la massa mancante si è trasformata in energia. Se accanto al nucleo fissionato se ne trovano altri in quantità sufficiente e in configurazione geometrica adatta (massa critica), si svilupperà una reazione a catena in grado di autosostenersi per effetto delle successive fissioni dei nuclei causate dai neutroni secondari emessi dalla prima fissione.

Il funzionamento di una centrale nucleare è simile a quello di una convenzionale centrale termoelettrica, con la differenza che l’acqua viene riscaldata da un reattore nucleare (“nocciolo”). Nel nocciolo, oltre al combustibile, c’è un sistema di barre di controllo che assorbono neutroni, regolando la reazione e la potenza generata. Il nocciolo è racchiuso in un contenitore di acciaio pieno di acqua o di altro “moderatore” che, riducendo l’energia dei neutroni emessi da fissione, ne rende agevole la cattura da parte degli altri atomi fissili. L’acqua è spesso anche usata come fluido termovettore, cioè per raffreddare il nocciolo e –scaldandosi – per generare vapore da inviare alle turbine e produrre elettricità. In certi reattori anziché normale acqua vengono usate altre sostanze, quali acqua pesante, gas o leghe metalliche.

Il combustibile più diffuso è l’uranio arricchito, cioè con una percentuale di uranio-235 maggiore del normale: la maggior parte dei reattori non potrebbe funzionare con uranio naturale, nel quale la percentuale di U235 è soltanto dello 0.7%.

I reattori sono classificati in base al tipo di combustibile, al sistema di raffreddamento e al tipo di moderatore. Oltre ai pochi reattori a Gas-Grafite e ad Acqua Pesante, si sono maggiormente affermati i modelli raffreddati (e moderati) ad acqua. Di questi esistono due modelli, quelli in cui la vaporizzazione dell’acqua avviene nello stesso recipiente che contiene il combustibile, detti Bwr (Boiling Water Reactor), che quindi inviano il vapore direttamente in turbina, e quelli che utilizzano un circuito intermedio, per cui l’acqua entra a contatto del combustibile, si scalda e circola in un generatore di vapore esterno in cui cede calore ad altra acqua, che vaporizza e genera energia elettrica nel gruppo turbina-alternatore: sono i Pwr (Pressurized Water Reactor)

Per quanto riguarda l’evoluzione dei reattori nucleari, i reattori di 3ª generazione (Gen III) prevedono un approccio diverso alla progettazione, con l’implementazione di ulteriori salvaguardie ingegneristiche (ad esempio sistemi di refrigerazione passivi, ecc.) che rendono questi impianti più sicuri. Alcuni sono già in esercizio, altri sono in costruzione.

L’evoluzione futura è rappresentata dai reattori nucleari di 4^a generazione (Gen IV), che sono un gruppo di sei famiglie di progetti per nuove tipologie di reattore. La Gen IV introduce marcate innovazioni soprattutto nel progetto e nei materiali impiegati.

La fissione produce residui radioattivi (scorie). Si tratta del combustibile esaurito , che contiene uranio, plutonio e altri radioelementi e i prodotti di fissione. Vi sono poi, a fine vita del reattore, le sue strutture interne. Questi materiali sono radiotossici e richiedono dunque precauzioni nello smaltimento: la radioattività si riduce nel tempo secondo il fenomeno naturale del dimezzamento, ma i tempi necessari sono molto lunghi. Esistono due modi principali per smaltire le scorie: per quelle a basso livello di radioattività si ricorre al deposito superficiale; per le scorie a più alto livello di radioattività si ricorre invece al deposito geologico, cioè allo stoccaggio in cavità sotterranee profonde.

Per la “chiusura del ciclo” nucleare vi sono poi degli impianti di rigenerazione, detti di riprocessamento, in grado di estrarre l’uranio, il plutonio e altri radioelementi dalle scorie e renderli riutilizzabili.