Le centrali nucleari, una fonte di energia discussa

Cosa sappiamo davvero delle centrali nucleari e dell’energia nucleare? Sappiamo che, almeno nel 2011, più del 50% della popolazione era contraria al suo utilizzo.

Ma perché?

Oggi cerchiamo di studiare come sono fatte le centrali nucleari, più propriamente impianti nucleotermoelettrici a vapore (NTE).

Partiamo da una domanda basilare. Come si genera l’energia elettrica in una centrale, e qual è il combustibile?

Homer Simpson fa colazione con dei rifiuti tossici fluorescenti
Un membro dello staff di Missione Scienza che fa una colazione energetica prima di scrivere questo post (Fonte)

Gli impianti termoelettrici

Tutte le centrali nucleari, o impianti termoelettrici, hanno in comune due elementi:

  • Una turbina a vapore
  • Un generatore sincrono

Allontaniamoci un secondo dal tipo di combustibile (fossile, fissile o gas), il principio di funzionamento è quello di inviare ai corpi di turbina del vapore ad alta pressione. La turbina sottrae energia al vapore, trasformandola in energia meccanica disponibile al suo asse.

Infine, i generatori sincroni (turboalternatori) convertono l’energia meccanica in energia elettrica. Essi sono collegati all’albero delle turbine con appositi giunti e sfruttano il seguente processo per la conversione.

Il vapore si ottiene, ovviamente, riscaldando dell’acqua in un serbatoio tramite l’utilizzo dell’energia chimica. Il modo in cui si surriscalda l’acqua differenzia le varie tipologie di impianto termoelettrico. Esistono termoelettrici a vapore a combustibile fossile (TEV), con turbine a gas (TG) e nucleotermoelettrici (NTE).

I benefici di un impianto termoelettrico sono dovuti alla sua capacità di lavorare a pieno carico. Le centrali possono fornire energia ad alti rendimenti (dal 36% al 50%) per soddisfare la componente che, nella curva di carico giornaliero, si definisce “servizio di base”.

Questa potenzialità si oppone agli elevati costi di impianto, che vanno dai 900 ai 1400 euro/kW installato.

Chiaramente, data la loro ottima funzionalità come “base di generazione”, un ampio investimento iniziale viene ripagato da un’affidabilità elevata a lungo termine. Questo sia in termini di generazione che in termini di rendimento.

I turboalternatori

A questo punto, possiamo brevemente approfondire il funzionamento dei generatori sincroni (già citati in questo articolo).

I generatori sincroni sono macchine elettriche rotanti accoppiate meccanicamente con una turbina. Essi convertono l’energia meccanica messa a disposizione all’albero in energia elettrica ai loro morsetti.

Sono costituiti da due parti:

  • Lo statore, la parte fissa tipicamente ancorata alla struttura della centrale
  • Il rotore, la parte mobile collegata all’albero rotante della turbina
Fotografia che mostra uno statore a grandezza reale. Sono evidenziate le cave dove sono alloggiati i conduttori dello statore.
Un impiegato in una centrale indonesiana lavora sugli avvolgimenti conduttori dello statore. Il rotore non è presente in foto (Fonte)

Entrambi sono realizzati con materiali ferromagnetici, e sono sagomati in modo da ospitare dei conduttori che vanno a costituire gli avvolgimenti (rotorici e statorici).

È proprio grazie alle relazioni elettromagnetiche tra questi due avvolgimenti che può avvenire la generazione di energia elettrica.

Gli avvolgimenti rotorici, alimentati da una sorgente esterna in corrente continua (eccitatrice), ruotano all’interno della macchina.

Gli avvolgimenti statorici vedono un campo elettromagnetico variabile, generato dagli avvolgimenti, a causa della rotazione impressa dalla turbina. La variazione di campo comporta la nascita di una forza elettromotrice indotta sugli avvolgimenti di statore.

Questa tecnologia, comune a tutti gli impianti termoelettrici, è la base delle centrali nucleari (impianti NTE).

I combustibili fissili

Nello specifico, quindi, gli impianti NTE sono centrali che utilizzano come combustibile materiali radioattivi adatti a essere scissi per bombardamento neutronico.

Tutto chiaro, no?

Allora. Un materiale si dice radioattivo quando è composto da atomi più o meno instabili che, in un certo intervallo di tempo, tendono a decadere, emettendo particelle e/o radiazioni (da cui il nome). Il decadimento radioattivo è un processo incredibilmente naturale, che si basa, prevalentemente, sull’esistenza di diversi isotopi di vari elementi.

Detto in parole poverissime, gli isotopi (dal greco “nello stesso posto”) sono nuclei di un particolare elemento “con qualche neutrone in più”.

Ogni elemento nella tavola periodica esiste in varie forme isotopiche, più o meno stabili. Anche il comunissimo carbonio, di cui è costituita la materia vivente, possiede ben 3 isotopi: il carbonio-12, il carbonio-13 e il carbonio-14 (denominati in base al peso atomico dell’atomo, più neutroni ci sono, più l’atomo è pesante).

Il carbonio-14 è un atomo instabile e che più decadere in maniera radiativa. Da cui la possibilità per noi esseri umani di “datare” la materia fossilizzata in base alla quantità di carbonio-14 non decaduta, ossia ancora presente e quantificabile. Meno carbonio-14 si trova in un campione, più questo è antico.

Insomma, tante cose sono radioattive, ma alcune cose lo sono di più di altre.

Uranio “ricco” di radioattività

In genere, più un atomo è pesante, più è probabile che sia radioattivo, ossia, caratterizzato da un atomo con un nucleo instabile e tendente a “trasmutare” in altri atomi più leggeri (trasmutare è il termine tecnico eh, non vi fate prendere dal panico).

L’uranio è uno di questi. L’uranio è radioattivo forte.

Tuttavia, anche l’uranio, come il carbonio, si trova in natura in tre forme differenti. Gli isotopi uranio-234, uranio-235 e uranio-238, di cui l’ultimo costituisce circa il 99% delle riserve naturali totali, sono tutti radioattivi, anche se il 238 (non sorprendentemente) è il più stabile di tutti. Per avere un’idea, ci mette miliardi di anni a decadere.

Ora, l’uranio-238, che è il più comune, non è utile per scopi nucleari. Non è un buon candidato perché nel decadere non emette una quantità sufficiente di neutroni (e questa è un dettaglio fondamentale).

Per ottenere un campione a noi utile, l’uranio va “arricchito”, ossia un processo che ha l’obiettivo di “raccogliere” la maggior parte di uranio-235 del campione, lasciandosi dietro l’uranio “impoverito”.

Uranio arricchito, una polvere dal colore giallo contenuta in un contenitore cilindrico
No, non è cous cous. È uranio arricchito (Fonte)

Ma perché proprio l’uranio-235? Perché se bombardiamo uranio-235 con dei neutroni, il processo di “fissione”, ossia rottura, del nucleo in atomi più piccoli, produce a sua volta neutroni in grado di mettere in piedi una reazione a catena.

Per capirci, un atomo di uranio-235 collide con un neutrone, si spacca in un atomo di bario e un atomo di kripton; nel processo si emette energia e si liberano ben 3 neutroni, che quindi possono collidere con altri tre nuclei di uranio-235 vicini, producendo 9 neutroni e 3 volte l’energia della reazione di fissione precedente.

Questo processo esponenziale a catena è alla base del reattore termonucleare, elemento chiave delle centrali nucleari.

Il “Nocciolo” della questione

Un reattore termonucleare è costituito da un nocciolo, all’interno del quale ci sono:

  • Il materiale combustibile
  • Il moderatore
  • Il fluido refrigerante

È il fluido il mezzo di trasferimento del calore ottenuto tramite la reazione di fissione e l’acqua.

Una volta che il nocciolo è in grado di erogare energia chimica l’acqua inizia a vaporizzarsi e viene convogliata, ad alta pressione e temperatura, nelle turbine a vapore.

La “fornace” è diversa, ma il meccanismo è lo stesso.

La realizzazione industriale ha visto, nella storia del termonucleare, più filoni di investimento.

Ad oggi, lo stato dell’arte si è consolidato su centrali con reattori lenti a uranio arricchito moderati e raffreddati ad acqua.

Le tipologie più diffuse ad oggi sono:

  • Reattori ad acqua bollente (BWR, Boiling Water Reactor), nei quali l’acqua funge anche da fluido refrigerante. In questa tipologia, quindi, essa può contenere una piccola parte di impurità radioattive (che vengono opportunamente filtrate). Sviluppati originariamente negli USA (dalla General Electric), sono presenti sul mercato mondiale fino a taglie di 1000 MWe (megawatt elettrici).
  • Reattori ad acqua pressurizzata (PWR, Pressurized Water Reactor), nei quali il circuito del fluido refrigerante è separato dal circuito dell’acqua che dovrà essere vaporizzata per andare in turbina. Questa accortezza facilita interventi di manutenzione e rende indipendenti, dal punto di vista radiativo, i due fluidi. Sono, ad oggi, i più diffusi. Le centrali nucleari che li adottano, infatti, coprono più del 50% della richiesta energetica mondiale.
Schema semplificato di una centrale nucleare con reattore PWR, indicati di due circuiti idrici separati connessi da uno scambiatore di calore
Schema semplificato di una centrale NTE con reattore PWR (da “Impianti Elettrici, Volume 1”)

L’effetto sulla rete e l’impatto sull’ambiente

Come abbiamo già anticipato, il sistema di produzione dell’energia si deve coordinare con quelle che vengono definite le “previsioni giornaliere di carico”.

Ogni giorno dell’anno ha un diagramma di carico differente, realizzato in base a dati pregressi, previsioni di sviluppo economico e dati statistici.

In ogni momento della giornata deve essere soddisfatta l’uguaglianza tra potenza richiesta e potenza generata, ottenendo la copertura completa della curva di carico.

Per quello che abbiamo detto, il termonucleare, in un’ottica concentrata su questi parametri, è la fonte più adeguata al servizio di base.

Le centrali nucleari sono in grado di rimanere attive per più di trent’anni prima della dismissione, con moderne applicazioni che possono arrivare fino ai sessant’anni (con la dovuta manutenzione).

Questa longevità, unita ad un rendimento che è arrivato fino al 35%, le rende un’ottima fonte di tipo termoelettrico.

L’impatto di una centrale NTE, tuttavia, rimane considerevole.

Nonostante sia stata proposta come alternativa alle TEV, nell’ottica di ridurre le emissioni di gas serra, sono impianti il cui smantellamento è ad oggi un’operazione complessa.

Senza contare il problema del consumo di acqua per il suo funzionamento, e delle scorie nucleari.

Per approfondire un po’ l’argomento “rischi”, date un’occhiata al nostro articolo sull’incidente di Tokaimura. Per citare invece eventi più recenti, abbiamo trattato l’argomento della contaminazione dell’acqua in riferimento all’incidente di Fukushima.

Ringrazio Luca Ricciardi per il suo contributo.

Fonti

“Impianti elettrici, Volume 1” – Fabio Massimo Gatta

“Nature’s building blocks: an A-Z guide to the elements” – John Emsley

Matteo Ricciardi

Ingegnere Elettrico, specializzato nella regolazione della tensione tramite compensazione reattiva e nella trasmissione di energia elettrica tramite collegamenti HVDC. Duca di Nolan (KtS)

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