Energia nucleare

Generalità

L'energia nucleare rappresenta, allo stato attuale della ricerca e della tecnologia energetica, la forma di energia veramente sostituita a quella ottenuta dalle fonti fossili tradizionali (carbone, petrolio e gas naturale).

Alla luce dell'evoluzione dei costi e del fatto che le scorte delle fonti fossili si vanno assottigliando con il trascorrere del tempo, la scelta energetica nucleare, allo stato attuale delle cose, diventa una scelta obbligatoria senza la quale il genere umano dovrà segnare il passo rispetto al progresso cui deve tendere.

Anche la produzione di energia per via nucleare presenta, come tutti gli altri sistemi di produzione energetica, una certa quantità di pericoli per la sicurezza della salute del genere umano, sono infatti ancora vivi nella mente di tutti gli "incidenti nucleari" di Three Miles Island (USA) avvenuto nel 1979 e quello ancora più grave di Chernobylsk (URSS) avvenuti il 26 aprile 1986; ma, al di là dell'impatto psicologico momentaneo, è senza dubbio necessario continuare nella strada intrapresa, magari adottando sistemi protettivi più aggiornati e potenti, perché se l'umanità dovesse scartare la via energetica nucleare (fissione e fusione) dovrà fare i conti con lo spettro di un futuro oscuro e di regresso totale.

A tutt'oggi esistono al mondo alcune centinaia di impianti che utilizzano reattori nucleari a fissione per produrre energia elettrica da utilizzare poi nelle normali reti di distribuzione civile.

Negli USA, per esempio, alla fine del 1985, c'erano un centinaio di impianti nucleari in funzione  i quali producevano circa il 20% del totale dell'energia elettrica prodotta in tutta la nazione.

La radioattività

Quella che sarà la forma di energia nucleare illimitata, sicura e pulita, cioè l'energia ottenuta dal processo di fusione, nel quale l'energia è sviluppata dalla fusione di due nuclei leggeri( idrogeno) rimane e rimarrà ancora per parecchio tempo allo stato di sperimentazione di laboratorio.

L'energia sviluppata dalla fissione di un nucleo pesante è invece, commercialmente utilizzabile per la generazione di energia elettrica.

In natura si verificano una certa quantità di reazioni chimiche le quali producono un rilascio energetico e che  sono state osservate ed impiegate dall'uomo ormai da molto tempo; queste reazioni si verificano a causa di mutamenti che avvengano nella regione esterna dell'atomo, lasciando il nucleo immutato.

Gli isotopi che esistono in natura sono stabili nella maggior parte degli elementi, ma gli elementi che hanno numero atomico uguale o superiore ad 84 non hanno isotopi stabili e quando decadono emettono particelle a

La particella a non è altro che un atomo di elio; esso ha un limitato potere di penetrazione ed un alto potere ionizzante.

In aggiunta alle particelle a, nel decadimento radioattivo si osservano altri due tipi di emissione, i raggi beta b ed i raggi g. E' noto che la radiazione elettromagnetica è liberata da un atomo quando un elettrone si muove  da uno stato energetico ad uno stato energetico più basso.

Le energie sviluppate sono caratteristiche dei processi nucleari e la frequenza della radiazione è 1 milione di volte più grande di quella di un processo atomico. Se aumenta la frequenza, la lunghezza d'onda diminuisce.

Quando la lunghezza d'onda l diminuisce, aumenta la capacità della radiazione di penetrare la materia.

Sebbene la lunghezza d'onda della luce visibile(circa 5*10^-5cm) è relativamente corta, essa non è certamente sufficiente corta da penetrare neanche un sottile foglio di carta.

La lunghezza d'onda di un raggio X (circa 10^^-9 cm) o di un raggio g (circa 10^^-12 cm)sono sufficienti per penetrare la materia.

Le particelle beta emanate da un nucleo sono di due tipi , identiche ma cariche elettricamente di segno contrario (b )e (b

Nel processo di decadimento dei raggi gamma sono conservati sia la carica che il numero di nucleoni.

Per tutti gli elementi che esistono in natura(eccezione fatta per l'idrogeno), la massa del nucleo è inferiore alla massa totale dei componenti nucleici. La diminuzione di massa che si verifica con la formazione di un nucleo determina un rilascio di energia in accordo con la legge della conservazione d'energia E= m c²  dove il termine C indica la velocità della luce nel vuoto.

Fissione nucleare

Enrico Fermi, già nel 1935 aveva ottenuto sperimentalmente la fissione dell'Uranio 235. Egli, nel corso di alcune ricerche sistematiche sull'interazione dei neutroni con vari elementi del sistema periodico, aveva constatato, pur senza individuarne la natura, il versificarsi di anomalie le quali, soltanto dopo tre anni, con l'esperienza di Hahn e Strassman in Germania, furono interpretate come processo di "fissione nucleare". Questo processo non è altro che la scissione di un nucleo pesante sotto bombardamento neutronico.

La fissione dell'uranio 235 genera, in aggiunta a due nuclei di peso medio(frammenti di fissione), un certo assortimento di particelle comprendenti fra l'altro alcuni neutroni. Ogni volta che si verifica un processo di fissione viene liberata una certa quantità di energia, circa 200 MeV, che deriva dalla maggior parte dall'energia cinetica dei frammenti di fissione e di neutroni, una piccolissima parte dell'energia è generata dalle particelle b e dalle radiazioni g

Ovviamente, alla fine del processo di fissione, la massa totale dei prodotti di fissione è inferiore alla massa originaria combinata del nucleo scisso e del nucleo incidente. Per rendersi conto dell'enorme quantità di energia liberata durante ogni fissione di un atomo di uranio 235 (200MeV) è sufficiente confrontarla con quella prodotta dalla combustione di un atomo di carboni con l'ossigeno per produrre l'anidride carbonica la quale è soltanto di 4eV, per cui, ogni volta che si produce un processo di fissione è come se si bruciassero circa 50.000.000 di atomi di carbonio.

L'isotopo di uranio 235 è il combustibile nucleare usato nei reattori nucleari di potenza  a tutt'oggi in funzione.

La massa del nucleo di uranio 235 e quella del neutrone incidente è maggiore della massa totale dei nuclei prodotti e dei due neutroni liberati.

La riduzione di massa per queste reazioni è di circa 0,2032 amu, la cui energia equivalente è circa 189 MeV.

I due frammenti di fissione hanno, ovviamente, entrambi carica elettrica positiva per cui, a causa della repulsione si allontanano uno dall'altro con velocità estremamente elevata, si è stimato che la velocità di ciascuno sia vicina ai 16000 km/sec, essi penetrano i materiali del reattore fino ad una profondità di circa 0.015 mm, e la loro energia cinetica si converte immediatamente in energia termica.

La reazione Bario-Kripto rappresenta soltanto una delle numerose reazioni che si possono verificare nella fissione del nucleo dell'uranio 235:si può dire che dei due frammenti di fissione di Bario è un isotopo stabile, mentre il Kripto è un isotopo instabile.

Quando il neutrone entra nel  nucleo del U235 la struttura è trasformata in quella dell'isotopo instabile dell'U236 il quale fissiona attraverso immediatamente nello Cesio 140 e nello Stronzio 94.

I prodotti finali, cioè il Cesio 140 e lo Zirconio 94 sono isotopi stabili quindi il decadimento del materiale è terminato, cioè, i prodotti di fissione, non sono più radioattivi.

Progetto del reattore

I neutroni prodotti dalla fissione nucleare hanno una velocità iniziale estremamente elevata che corrisponde all'incirca ad un energia cinetica di 2 MeV. A seconda della velocità dei neutroni che si realizzano il processo di fissione si classifica in tre tipi di reattori:

Reattori veloci, quando la maggior parte della reazione di fissione avvengono per mezzo di neutroni con energie superiori a 1 MeV;

Reattori intermedi, quando i neutroni che realizzano la fissione hanno energie comprese tra 1 MeV e 0.05 eV;

Reattori termici, quando la fissione è realizzata da neutroni che hanno energia media compresa tra 0.025 eV e 0.05eV (questi sono definiti lenti).

Allo scopo do produrre  il processo di fissione del combustibile nucleare è necessario provvedere per ogni singolo tipo di reattore ad un adeguata riduzione della velocità nei neutroni di fissione e per questo preciso motivo all'interno dei reattori termici viene introdotto un materiale definito "moderatore".

Tutti i neutroni veloci che vengono diffusi dal combustibile fissionato incontrano il moderatore il quale riduce la loro velocità, così rallentati, essi hanno un'elevata possibilità di provocare una fissione nell'U235 mentre hanno una bassa probabilità di essere catturati nell'U238.

Il processo di rallentamento si ottiene mescolando al materiale fissile in forma omogenea e eterogenea, un materiale che assorba il meno possibile di neutroni e sia di basso peso atomico, come per esempio: l'acqua leggera, in questo modo i neutroni urtando contro i nuclei di dimensioni paragonabili alle proprie possono perdere rapidamente energia a seguito di collisioni elastiche.

In questo modo, com'è già stato accennato, aumenta la probabilità che i neutroni vengano assorbiti  dall'U235 dando luogo alla fissione, ma, agli effetti della realizzazione di un processo che si autosostenga.

Agli effetti che il fenomeno si autosostenga è necessario intervenire affinché in media almeno uno dei 2.5 neutroni prodotti da ogni singola fissione sia disponibile per dar luogo a sua volta ad un'altra fissione e così via. Per mantenere la reazione a catene è necessario limitare le perdite dei neutroni dovuta da una parte alla presenza delU238 e di altri materiali, quali il moderatore ed il refrigerante destinato ad asportare il calore prodotto nella fissione, che catturano neutroni senza dar luogo alla fissione, e dall'altra alle fughe dei neutroni stessi della superficie esterna del sistema sede del processo di fissione detto "core"(nocciolo) del reattore.

Esistono certe dimensioni critiche del nocciolo al di sotto delle quali non è possibile mantenere la reazione a catena in quanto risulta eccessiva la frazione di neutroni che fuggono rispetto a quelli prodotti.

Allo scopo di limitare le fughe neurotiche dal core si ricorre all'uso di un materiale riflettore in quale ha la funzione di rinviare all'interno i neutroni che tendono a fuggire. 

In quanto al moderatore l'elemento più adatto è senza dubbio l'Idrogeno, infatti esso consiste in un protone che ha la stessa grandezza del neutrone, per cui, spesso si ricorre all'uso di acqua, di cui l'Idrogeno è un componente per moderare i reattori termici. Il problema dell'idrogeno è che il suo nucleo assorba il neutrone e si trasformi in un Deuterio ed emetta un raggio g, per cui si ovvia sostituendo acqua leggera l'acqua pesante (deuterio) che si comporta ottimamente come moderatore.

Tra gli altri eventuali materiali che potrebbero essere usati come moderatori ci sono il Litio ed il Boro ma questi vengono scartati a causa della loro grande capacità di assorbire neutroni, per cui, si è ricorso molto spesso, in passato, alla graffite, un ottimo moderatore tra l'altro, anche molto affidabile strutturalmente. Recenti sperimentazioni hanno dimostrato un ottimo comportamento come moderatore da parte del berillio, questo elemento però è abbastanza raro e di conseguenza molto costoso per cui è usato raramente.

Potenza del reattore

Il core di un reattore eterogeneo è composto da un elevato numero di barre di combustibile. Ogni barra di combustibile può contenere, a seconda dell'altezza, da 100 a 200 pellets cilindriche di circa 10mm di diametro.

La maggior quantità di fissioni nel core del reattore avviene essenzialmente nel centro geometrico della struttura, in questo modo, il flusso neutronico e di conseguenza la generazione di calore o la densità di potenza raggiunge generalmente i valori massimi nel centro del core cilindrico.

La distribuzione radiale della potenza diminuisce dal valore massimo raggiunto nell'asse del cilindro del core fino ai valori minimi della sua superficie esterna, allo stesso modo la densità di potenza si distribuisce all'interno di ogni singola barra di combustibile.

In una reazione di fissione l'energia totale generata è di circa 200 MeV, ma non tutta questa energia viene trasferita al refrigerante, circa il 20% di essa viene perduta per cui per ogni fissione l'energia prodotta effettivamente e circa 180 MeV.

Generazione di calore nel core del reattore

Un reattore eterogeneo è costituito da un core formato da un elevato numero di barre di combustibile ognuna delle quali è circondata dal refrigerante e, nel caso di alcuni particolari reattori, l'acqua leggera costituisce sia il refrigerante che il moderatore neutronico.

La densità di energia più elevata esiste al centro del core(cilindrico), il punto cioè in cui il flusso neutronico raggiunge il suo valore massimo; è ovvio che queste considerazioni sono valide soltanto quando il reattore non è influenzato dalla presenza delle barre di controllo.

La quantità di calore generato del core di un reattore eterogeneo è data dal prodotto dal volume totale delle barre di combustibile per la quantità media di energia specifica.

Reattori di potenza

Un reattore di potenza, spesso sinonimo di generatore nucleare di vapore, è un impianto nel quale l'energia termica, prodotta dalla reazione di fissione nel combustibile nucleare, viene rimossa da un fluido refrigerante tenuto in circolazione.

In generale questo fluido a sua volta trasferisce il calore in un generatore di vapore, producendo vapore di caratteristiche tali da alimentare un gruppo turbina- alternatore.

Un reattore di potenza per impianti industriali dovrà possedere ottime caratteristiche dal punto di vista:

a)     Delle prestazioni termiche, cioè della potenza specifica del combustibile nucleare;

b)     Dello sfruttamento del materiale fonte, cioè dell'energia producibile per tonnellata utilizzata di uranio naturale;

c)     Della sicurezza nucleare;

d)     Della disponibilità e continuità di funzionamento e della flessibilità alle variazioni di carico richieste.

In generale un reattore di potenza comprende:

Un nocciolo, costituito da elementi di combustibile, un moderatore, ove presente barre di controllo;

Un circuito primario per il trasferimento del calore prodotto nel nocciolo, costituito da un recipiente a pressione, generatori di vapore, tubazioni di collegamento, pompe o soffianti per tenere in circolazione il fluido refrigerante, e corredato da un insieme di impianti ausiliari. In un reattore ad acqua in pressione, l'acqua, ad una pressione superiore a quella di saturazione, fluisce attraverso il nocciolo aumentando la sua temperatura e quindi, passando attraverso i boccheggi di uscita, convoglia il calore ai generatori di vapore. Da questi passando attraverso le pompe di circolazione, l'acqua rientra nel reattore attraverso i boccheggi di ingresso e scende nell'intercapedine fra la parete del recipiente a pressione ed il mantello del nocciolo. Il pressurizzatore provvede al controllo della pressione.

Strumentazione e regolazione

La potenza del reattore viene misurata mediante complessi di misura del flusso  neutronico installati all'esterno del recipiente a pressione. La regolazione della potenza del reattore viene ottenuta, mediante il movimento delle barre di controllo, variando il salto termico del refrigerante tra l'ingresso e l'uscita del reattore. La variazione di reattività a lungo termine del nocciolo vengono compensate regolando la concentrazione di un assorbitore neutronico nel refrigerante.

Un sistema per il maneggio degli elementi combustibile

Le attrezzature per il movimento del combustibile sono costituite essenzialmente di un carroponte dotato di una gru con manipolatore, che permette di trasportare sott'acqua gli elementi di combustibile scaricati dal reattore. Gli elementi, dopo essere stati ribaltati orizzontalmente, vengono trasferiti attraverso un condotto, sempre sott'acqua, alla vasi di decadimento.

Rifiuti radioattivi

I rifiuti radioattivi si presentano sotto diversi stati: allo stato solido sono i rifiuti radioattivi propriamente detti; sotto forma liquida o gassosa, prendono il nome di effluenti radioattivi. Per valutare il pericolo che essi presentano, intervengono diversi fattori(natura, periodo, attività, quantità). Si classificano, piuttosto arbitrariamente, in rifiuti o effluenti debolmente(dell'ordine delle millicurie), mediamente(dell'ordine delle curie), fortemente(oltre il curie)radioattivi. Gli effluenti gassosi vengono generalmente evacuati nell'atmosfera, mentre gli effluenti liquidi vengono sono scaricati nei fiumi; queste operazioni esigono però controlli severi.

Evacuazione e trattamento degli effluenti e dei rifiuti radioattivi 

Poco rilevanti finora, le quantità di effluenti e di rifiuti radioattivi da smaltire in futuro saranno funzione dei diversi progetti adottati per la costruzione dei delle centrali nucleari. Per una potenza elettrica nucleare di 850, 3.000 e 10.000 MW, l'attività totale dei rifiuti radioattivi  prodotta in un anno sotto tutte le forme sarebbe rispettivamente di 2.000, 10.000 e 30.000 Mci(milioni di curie). Negli USA per una potenza installata di 30.00 MW nel 1970, si valuta la produzione annua di rifiuti e effluenti radioattivi a 90 miliardi di curie, contenuti in 27 milioni di litri di soluzione.

Trattamento degli effluenti e dei rifiuti radioattivi

• Quando si parla di effluenti gassosi e di effluenti liquidi di bassa attività si applica il principio della dispersione. Se questo procedimento è inutilizzabile, si blocca in un cero qual modo la radioattività mediante procedimenti di contenimento

Dispersione

Può essere applicato solo agli effluenti gassosi, mediante alti fumaioli a tiraggio forzato, e agli effluenti liquidi a bassa attività. Nei fiumi a causa della corrente, in mare gli effluenti, pur venendo rapidamente diluiti, danno luogo ad una "nube" che si disperde molto lentamente.

Contenimento

Viene applicato quando non è possibile disperdere tutta l'attività e si esegue in un primo metodo mescolando il residuo radioattivo con cemento, ghiaia ed acqua per fabbricare sul posto cemento.

Concentrazione

Si impiega questo processo soprattutto per gli effluenti liquidi fortemente radioattivi e per i solidi.

per gli effluenti liquidi si agisce per evaporazione il procedimento più semplice e efficace.

per i rifiuti solidi si agisce in due modi: a) compressione di certi solidi riducendo il loro volume nella proporzione da 5 a 1. si effettua per mezzo di presse idrauliche in fusti metallici, protetti nel corso della dell'operazione in contenitori di calcestruzzo ;b) incenerimento che permette notevoli riduzioni di volume.

Immagazzinamento dei rifiuti radioattivi

Seppellimento

Oltre al seppellimento in prossimità del luogo stesso di produzione, si è prospettata l'ipotesi di utilizzare gallerie abbandonate, antiche miniere o cave e anche pozzi di petrolio ormai esauriti.

Immersione

Bisogna distinguere il caso di effluenti liquidi e effluenti solidi:

• per i liquidi non ci sono seri pericoli perché il mare e già di se radioattivo(solo effluenti liquidi di piccola e media attività)
• per i solidi si possono immergere solo una volta inglobato i rifiuti radioattivi in contenitori di calcestruzzo o in fusti metallici, è possibile immergere questi blocchi nelle profondità marine.

effluenti liquidi, si agisce per evaporazione, il processo più semplice e efficace.

rifiuti solidi, agisce in due modi: