L'uso pacifico dell'energia nucleare

L'USO PACIFICO DELL'ENERGIA NUCLEARE

PERCHE' SFRUTTARE L'ENERGIA NUCLEARE

Quando si parla di energia nucleare, il primo pensiero va subito alle bombe atomiche. Esse si basano su una forte liberazione di energia in tempi brevissimi. Nel 1942, per la prima volta, si riuscì ad ottenere una fissione controllata cioè in grado di liberare molta energia diluita, però, in piccole dosi (questo lo fece E. Fermi con la sua "pila"): in questo modo si poté incominciare a pensare al nucleare come fonte di energia utilizzabile per scopi civici. Al giorno d'oggi nazioni come la Francia basano completamente la loro produzione di energia sulle centrali nucleari. E non ne hanno tutti i torti.

Veduta esterna di una centrale nucleare. Quelle due strutture ben visibili sono le torri di raffredamento. L'unico gas di scarico è vapor d'acqua.

Analizziamo un grafico sull'utilizzo delle varie forme di energia nel mondo, ordinato per tempo:

 Istogramma della produzione di energia per fonti, nel tempo (Fonte Iea).

In rosso sono indicate le quantità di energia prodotte da metodi alternativi a quelli tradizionali (indicate con "Other"), fra i quali ricordiamo l'energia fotoelettrica, quella geotermica e quella eolica. Queste costituiscono sicuramente delle fonti di energia pulite e rinnovabili che, però, non bastano da sole a soddisfare il bisogno energetico mondiale. Nel 2020 si spera di poter arrivare all'utilizzo dei "motori ad idrogeno", oggi ancora in fase sperimentale, e la banda rossa riferita al 2020, praticamente assente prima, indica, in realtà, solo questa fonte di energia alternativa. Da ciò si può dedurre che l'energia eolica, fotoelettrica e geotermica, non costituiscono delle fonti sulle quali potersi basare.  Restano l'utilizzo del carbone, del petrolio, dei gas (metano, etano, ecc.), dell'energia nucleare e di quella idroelettrica (che nel grafico è indicata con "Hydro"). In realtà, quest'ultima è l'unica fonte di energia veramente rinnovabile e pulita e produce all'incirca la stessa quantità di elettricità del nucleare, diciamo circa il 18% del totale.

Una piccola considerazione. Le dighe, solo in Italia, hanno fatto più di 2000 morti in questo secolo. 80 centrali nucleari in Francia nemmeno uno

L'unico incidente nucleare che ha fatto veramente paura e che ha prodotto danni seriamente significativi è avvenuto a Chernobyl, ma di questo ne parleremo più in là. Ci si accorgerà, allora, che, in effetti, le conseguenze sono state pesanti, ma mai pesanti come il crollo della diga del Vayont o simili.  E ciò è successo in una centrale intrinsecamente insicura  per il comportamento criminale dei tecnici, che, diciamo così, se la sono andata veramente a cercare.  
Noi, in Italia, non abbiamo centrali nucleari. Questo perché purtroppo, nella nostra informazione, vale l'equazione "nucleare = radiazioni = morte". Forse non consideriamo il fatto che il fabbisogno energetico della nostra nazione si basa soprattutto sull'importazione dall'estero. Circa il 20% dell'energia che noi, quotidianamente, sfruttiamo proviene dalla Francia e, precisamente, da quelle 4 centrali nucleari che si trovano praticamente al confine con il nostro paese: è come se stessero a due passi da noi. Non penso, infine, che nazioni, diciamo così, "avanzate", come gli Stati Uniti e la Francia siano talmente sprovvedute da costruire "bombe a cielo aperto" senza preoccuparsi dei rischi ambientali che potrebbero derivarne. Evidentemente, con l'avanzamento delle tecnologie e delle conoscenze teoriche nel campo del controllo e dello sfruttamento dell'energia nucleare, la costruzione di reattori nucleari non spaventa più coloro i quali sono informati in merito. Da ciò si arriva conclusione che in Italia c'è poca vera informazione su questo argomento.

I REATTORI NUCLEARI

Una centrale nucleare brucia uranio e produce energia elettrica, ma a differenza di una normale centrale termoelettrica, che brucia carbone, petrolio o gas, non sfrutta reazioni chimiche, ma reazioni di fissione nucleari, delle quali si è già parlato, 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, una centrale nucleare media produce circa 1000 Mw.

Oltretutto, i combustibili fossili costituiscono una fonte di energia non rinnovabile e 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 esistono metodi per estrarre uranio in quantità quasi infinita dall'acqua di mare e da altri materiali comuni (basti pensare che anche il granito, il principale componente delle rocce che caratterizzano la crosta continentale, è costruito in parte anche da uranio) .Oltretutto 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.

L'interno del nocciolo di una centrale nucleare.

Il problema maggiore sta nella produzione di scorie nucleari radioattive (prodotti di fissione: cesio, stronzio, iodio, rubidio, ecc) estremamente pericolose da trattare. Per le scorie si sono proposti tanti tipi di trattamento, dal bruciamento nel 'Rubbiatrone' alla vetrificazione.

Al momento, per onestà intellettuale, bisogna dire che l'unico modo serio di disfarsi delle scorie è di chiuderli in bidoni adeguatamente schermati (quelli progettati recentemente offrono garanzie elevatissime) in posti geologicamente stabili e adeguatamene monitorati. E' esattamente quello che si fa con i rifiuti chimicamente tossici. Anzi, si può dire che per i rifiuti nucleari c'è un'attenzione molto maggiore e vengono prodotti in quantità molto minore 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. Per esempio, il sito di Cadarache, in Provenza, dove si trovano alcuni reattori funzionanti e un deposito di scorie, causa un'esposizione alla popolazione di 7 microsievert/anno, contro un millisievert/anno di fondo naturale.

REATTORI AD ACQUA LEGGERA O PESANTE

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%.

Esiste in tutto il mondo una gran varietà di reattori per la produzione di energia nucleare, che differiscono l'uno dall'altro per il tipo di combustibile, il moderatore o il sistema di raffreddamento. Nei reattori moderati e refrigerati ad acqua, viene generalmente usata acqua naturale (non pesante) e questo richiede l'impiego, come combustibile, di uranio arricchito.

La grande maggioranza delle centrali nucleari è del tipo PWR (Pressurized Water Reactor, cioè, reattore ad acqua in pressione). Questo tipo di reattore è molto diffuso perché costituisce quello tecnologicamente più semplice, non pone particolari problemi di reperibilità né dei materiali né del combustibile, ed offre ottime garanzie di sicurezza. Nel nocciolo avvengono le reazioni nucleari, che riscaldano a temperature anche notevoli gli elementi di combustibile, (l'uranio) che è impilato in cilindri molto lunghi e stretti. Questo sono lambiti dall'acqua di raffreddamento del circuito primario, che raffreddandoli asporta il calore e si riscalda. L'acqua si trova a circa 300-330°, ma non evapora, perché viene tenuta a una pressione di circa 155 bar (155 volte la pressione atmosferica).

Proseguendo nel suo cammino l'acqua scambia calore con altra acqua in un secondo circuito, a una pressione inferiore. Questa evapora, e il vapore arriva, ad una pressione di circa 55 bar e ad una temperatura di circa 280°, e investe una turbina, collegata a un alternatore che dà energia alla rete elettrica.

Il vapore a bassa pressione in uscita dalla turbina viene raffreddato da acqua che scorre in un terzo circuito che viene poi alla fine raffreddato ad aria in torri di raffreddamento. Se la centrale si trova nelle vicinanze di un fiume l'acqua del circuito di condensazione (il terzo), che non ha avuto il minimo contatto con zone contaminate viene presa e scaricata dal fiume, ovviamente con portate e temperature tali da non influire sull'ecosistema.

Schema di funzionamento di un reattore PWR (reattore ad acqua in pressione).

Nel reattore ad acqua bollente (Boiling Water Reactor, BWR), l'acqua refrigerante è mantenuta a una pressione inferiore, e portata all'ebollizione nel nocciolo. Il vapore prodotto viene mandato direttamente nel generatore a turbina, condensato, e quindi ripompato nel reattore. Sebbene il vapore sia radioattivo, non c'è bisogno di alcuno scambiatore di calore intermedio tra reattore e turbina, con il conseguente guadagno in efficienza. 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 da una serie di strumenti di vario genere. La potenza in uscita viene regolata mediante l'inserimento o la rimozione dal nocciolo del reattore di barre di controllo, cioè di elementi costituiti da un materiale capace di assorbire neutroni molto efficientemente. La posizione delle barre viene determinata in modo che la reazione a catena proceda a ritmo costante.

Durante il funzionamento, e anche dopo l'interruzione, un grosso reattore da 1000 Mw ha una radioattività di miliardi di curie (Il Curie un'unità di misura della radioattività definita come quella quantità di sostanza nella quale si disintegrano 37 miliardi di atomi al secondo). Le radiazioni emesse dal materiale radioattivo vengono assorbite da opportune schermature poste intorno al reattore e al circuito di raffreddamento primario. Altre strutture di sicurezza sono un sistema di raffreddamento del nucleo, che evita che quest'ultimo raggiunga temperature pericolosamente elevate in caso di avaria dei sistemi di raffreddamento principali, e, nella maggior parte dei casi, una struttura di contenimento di tutto il materiale radioattivo che eviti qualunque fuga radioattiva in caso di rottura.

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 le preoccupazioni per la sicurezza e vari fattori di tipo economico hanno bloccato ogni ulteriore sviluppo nel campo dell'energia nucleare. Dal 1978 in poi non sono stati messi in cantiere altri impianti nucleari, e alcuni di quelli completati dopo quella data non sono stati resi operativi. Nei primi anni Cinquanta, quando iniziò 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 l'uso di ossido di deuterio (D₂O), o acqua pesante; l'acqua naturale, infatti, ha la caratteristica di catturare un numero eccessivo di neutroni che d'altra parte sono necessari in elevate quantità a causa del basso rendimento del combustibile.

I primi reattori, alimentati con barre di uranio naturale, moderati a grafite e refrigerati con ossido di deuterio, furono in seguito soppiantati da reattori a uranio arricchito, e dai più avanzati AGR (Advanced Gas-cooled Reactor, Reattore avanzato raffreddato a gas). In Francia, in seguito alla costruzione di impianti per l'arricchimento di uranio, sono stati costruiti reattori del tipo PWR. La Russia e gli altri stati dell'ex Unione Sovietica hanno un programma molto ampio di sfruttamento dell'energia nucleare, che prevede sia il sistema PWR sia quello moderato a grafite. All'inizio degli anni Novanta erano in costruzione in tutto il mondo più di 120 nuovi impianti per la produzione di energia nucleare.

REATTORI A PROPULSIONE

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.

Tre navi nucleari, su iniziativa di Stati Uniti, Germania e Giappone, hanno operato per periodi limitati a scopo di sperimentazione ma, nonostante il successo ottenuto dal punto di vista tecnico, le regolamentazioni portuali restrittive e altri motivi di carattere economico hanno imposto la fine di questi 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.

REATTORI AUTOFERTILIZZANTI

L'uranio, la risorsa naturale da cui dipende la produzione di energia nucleare, si trova in giacimenti diffusi in tutto il mondo; non se ne conosce con precisione la disponibilità, ma essa sembra essere molto limitata, soprattutto se si trascurano fonti a bassissima concentrazione, quali il granito e le argilliti.

La caratteristica fondamentale di un reattore autofertilizzante è nel fatto che esso può produrre, a partire da sostanze dette fertili, una quantità di materiale fissile superiore a quella che consuma. Il sistema ad autofertilizzazione più diffuso in tutto il mondo usa uranio 238 come materiale fertile. L'assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238 dà luogo a un processo radioattivo chiamato decadimento-b, durante il quale il nucleo si trasforma nell'isotopo fissile plutonio 239. La sequenza di reazioni nucleari è

Nel decadimento beta un neutrone decade in un protone, una particella beta e un antineutrino elettronico. La fissione di un nucleo di plutonio 239, innescata da un neutrone, avviene con emissione di una media di 2,8 neutroni, uno dei quali è necessario per indurre la fissione nello stadio successivo della reazione a catena. Circa 0,5 neutroni (in media) vengono persi perché assorbiti dalle strutture del reattore o dal refrigerante e i restanti 1,3 neutroni possono essere assorbiti dall'uranio 238 per la produzione di altro plutonio 239, secondo la reazione sopra riportata.

L'INCIDENTE DI CHERNOBYL

La centrale di Chernobyl. Alcuni errori umani, il 26 aprile del 1986, provocarono un "disguido" dal grosso impatto ambientale.

L'unico incidente nucleare veramente "importante" è avvenuto il 26 aprile del 1986 a Chernobyl, tra l'Ucraina e la Bielorussia.
La centrale di Chernobyl, chiusa recentemente, generava 4000Mw di elettricità. Fu costruita nell'1983 ed è classificabile come una centrale "del vecchio tipo" in quanto utilizzava la grafite come moderatore. Senza scendere in particolari tecnici, questo tipo di reattore ha un'antipatica particolarità: in caso di fusione del nocciolo, cioè se la temperatura sale in modo incontrollato, la grafite inizia reagire con l'acqua di raffreddamento, aggiungendo danno a danno. Il 26 aprile del 1986 si stava eseguendo una prova tecnica, atta allo studio del comportamento di un sistema di sicurezza in condizioni critiche. Furono, quindi, esclusi i sistemi di spegnimento automatico del nocciolo, e fu portato il reattore a funzionare ad una potenza molto inferiore a quella di targa, condizione in cui quel nocciolo diveniva, evidentemente, instabile. Nel caso specifico, instabile vuol dire che, in caso di una fluttuazione di potenza, la reazione a catena tende a salire in modo incontrollato. In Europa occidentale e in America è assolutamente vietato produrre reattori che abbiano una modalità di funzionamento di questo tipo.

Alle ore 01:23 il reattore arrivò, nel giro di 20 secondi, a 100 volte la sua potenza nominale. L'esplosione distrusse il nocciolo, l'edificio di contenimento e la sala turbine, buttando pezzi di nocciolo, di copertura e di macchine tutto intorno. a grafite prese fuoco, e si creò una colonna di fumo che trasportò in aria tonnellate di particolati radioattivi tra qui vi erano prodotti di fissione, il peggio che si possa immaginare. Il 15% ricadde sulla centrale, il 50% nella 'Zona rossa' intorno alla centrale stessa, e il resto fu trasportato dalle correnti. Il grosso della nube radioattiva passò sul nord Europa, e scese, poi, sull'Europa centrale, e meridionale.

Le conseguenze furono praticamente nulle fuori dalla Bielorussia e dall'Ucraina. In Italia la concentrazione di Iodio 131 (il radionuclide più presente nella nube) rimase entro la concentrazione ammessa in caso di incidente per un lavoratore esposto: assolutamente, quindi, entro i limiti di sicurezza. La dose assorbita da noi italiani è stata equivalente a quella di una radiografia, ma meno pericolosa perché diluita in una settimana. La proibizione delle verdure a foglia larga fu decisa per scrupolo, ma la radioattività di un chilo di lattuga era di circa quattro microcurie,  assolutamente, quindi, non pericolosa. Non ci sono stati incrementi di nessun tipo di tumore rilevati, in Italia, a livello statistico (fonte Oms, Organizzazione Mondiale della Sanità).

 In Ucraina le cose andarono, purtroppo, diversamente. Gli addetti alla sala controllo sono tuttora sanissimi. Ci furono 31 morti nel primo anno e 9 negli anni seguenti a causa dell'esposizione a dosi di radiazioni eccessivi. Negli anni successivi si sono avuti 900 casi di tumore alla tiroide nei bambini, di cui circa 100 mortali, a causa dello iodio 131. Il grosso problema da affrontare fu, inoltre, quello dell'evacuazione. La 'zona rossa' in cui c'è stata contaminazione sensibile si estende per circa 3000 km quadrati, distribuiti a macchia di leopardo in un raggio di 50 km dalla centrale. Entro questo raggio ci sono zone con contaminazione 100 volte superiore al livello di guardia e zone in cui la radioattività ambientale è comparabile al fondo naturale. 135000 persone hanno dovuto abbandonare le loro case.

In definitiva al momento si può dire che, al di fuori di alcune aree contaminate, la situazione ambientale può essere considerata soddisfacente. Il grano prodotto in Ucraina e in Bielorussia, su cui si è tanto parlato, presentava livelli di contaminazione ai limiti della sensibilità strumentale, al punto da richiedere l'utilizzo di contatori speciali per la misura. Al giorno d'oggi non presentano più alcuna contaminazione.

L'unico problema ancora aperto è legato al confinamento dei resti di nocciolo della centrale.
Il sarcofago costruito appoggia su pareti che non hanno la consistenza strutturale per reggerne il peso, e presenta alcune fessure che non presentano, tuttavia, un pericolo per il pubblico o per gli operatori. C'è però il rischio di collasso del sarcofago, che andrà presto o ricostruito o ricoperto con un secondo sarcofago. Anche in caso di collasso, però, gli unici esposti sarebbero gli operatori della centrale, che riceverebbero una dose di qualche millisievert, assolutamente non pericolosa.
La dinamica dell'incidente di Chernobyl ha portato a una rivisitazione della filosofia con cui vengono costruite le centrali. Visto che l'incidente (come quello di Tokaimura in Giappone nel Settembre '99) è stato causato da un errore umano e dalla palese infrazione delle più elementari norme di sicurezza, la progettazione di nuove centrali si sta orientando verso impianti profondamente sicuri rispetto alla componente umana. E le nuove tecnologie, soprattutto quelle informatiche, certamente aiuteranno molto in questo.