Centrale nucleare

Centrale nucleare di Cofrentes (Spagna)

Per centrale nucleare si intende normalmente una centrale nucleare a fissione, ovvero una centrale elettrica che utilizza uno o più reattori nucleari a fissione.

Il termine si può applicare anche alle future centrali a fusione nucleare, che impiegheranno un reattore a fusione nucleare; tuttavia la ricerca in questo campo è ancora molto incompleta e sono stati ottenuti solo degli abbozzi di fusione controllata; pertanto l'opinione degli esperti del settore è che non verranno costruite centrali a fusione prima del 2050.

Centrale nucleare a fissione

Schema di principio del funzionamento di una centrale nucleare a fissione con reattore PWR

In ogni centrale elettrica basata su un ciclo al vapore avviene una reazione che libera calore utilizzato per la vaporizzazione dell'acqua e quindi la generazione di lavoro meccanico. Il principio fisico alla base della generazione del calore in una centrale nucleare a fissione è dunque la fissione nucleare, ovvero la scissione del nucleo di atomi pesanti quali uranio e plutonio. In una centrale a fusione la reazione è la fusione nucleare, ovvero l'unione dei nuclei di atomi leggeri come l'idrogeno.

Ad agosto 2007 vi erano 439 centrali nucleari operative nel mondo [1], in 31 diversi stati [2], che attualmente producono il 17% dell'energia elettrica mondiale. La potenza degli impianti varia da un minimo di 40 MW fino ad oltre un gigawatt (1000 MW). Le centrali più moderne hanno tipicamente potenza compresa tra i 600 MW e i 1200 MW.

La vita operativa di una centrale nucleare è in genere stata stimata in 25-30 anni, anche se oggi si pensa di prolungarla a 40 - 50 anni. Al termine di questo periodo l'impianto va smantellato, il terreno bonificato e le scorie stoccate adeguatamente. Questi aspetti, in parte comuni ad esempio alle miniere ed agli impianti chimici, assumono particolare rilevanza tecnica ed economica per le centrali nucleari, al punto da vanificare in buona parte il vantaggio dovuto al basso costo specifico del combustibile. Il costo di smantellamento viene oggi ridotto prevedendo un lungo periodo di chiusura della centrale, che permette di lasciar decadere naturalmente le scorie radioattive poco durevoli, costituite dalle parte di edificio sottoposte a bombardamento neutronico.

Sebbene poco noto, l'esposizione alle radiazioni ionizzanti (o come si dice comunemente alla radioattività) è sempre presente in natura, e molto variabile a seconda dei luoghi. In alcuni luoghi particolarmente "sfortunati", l'irraggiamento di fondo può anche essere doppio rispetto alle normali emissioni di una centrale nucleare. Le attuali normative anti-inquinamento prevedono limiti stringenti sull'esposizione individuale, che coinvolgono anche l'esposizione a materiali da costruzione comuni come il tufo (che sprigiona vapori di radon).

Centrale nucleare di Civaux (Francia). Di proprietà della EDF, utilizza l'acqua della Vienne ed è composta da due unità di 1500 MW ciascuna. È una delle più moderne attualmente in funzione in Francia. Nonostante ciò è oggetto di contestazione da parte delle popolazioni locali a causa dei numerosi incidenti di minore entità cui è stata soggetta.

Vantaggi

Le centrali nucleari a fissione producono una quantità di energia molto elevata e possono raggiungere potenze dell'ordine del gigawatt al pari delle grandi centrali termoelettriche e di fatto rappresentano oggi l'unica reale alternativa ad esse in termini di quantità di energia prodotta.

Le centrali nucleari, a differenza delle termoelettriche, non hanno emissione di fumi poiché non sfruttano il principio della combustione per la produzione di calore e non provocano quindi alcun inquinamento atmosferico, ad eccezione del vapore acqueo proveniente dalle torri di raffreddamento dell'acqua di condensazione, che comunque condensa in poco tempo. In base a ciò l'Unione Europea ha recentemente definito il nucleare come uno strumento importante per la lotta contro il riscaldamento climatico.

In alcune tipologie di reattori l'acqua del ciclo di potenza dei generatori a turbina non ha alcun contatto con il reattore nucleare, e quindi è esente da qualsiasi forma di emissione radioattiva; in altre tipologie (come ad esempio i reattori BWR) invece questa separazione tuttavia non esiste.

I costi di costruzione di una centrale nucleare sono notoriamente molto maggiori di una centrale tradizionale a causa delle misure di sicurezza da adottare, ma una volta costruita, secondo diversi studi, produce energia a costi maggiormente competitivi.

Discorso più articolato merita il costo della materia prima, l'uranio. Per circa cinque decenni, dal 1950 al 2000, il prezzo dell'ossido di uranio (naturale, quindi da arricchire successivamente) è stato generalmente basso e comunque quasi sempre in discesa considerando i prezzi al netto dell'inflazione, fatta eccezione per la seconda metà degli anni'70, cui venne di fatto trascinato in alto dal generale apprezzamento delle materie prime seguito alle crisi petrolifere del 1973 e 1979. Tale situazione favorevole era chiaro segno di una sempre maggiore disponibilità, nonostante la costante crescita dei consumi.

Tuttavia, nel primo decennio del nuovo secolo tale andamento si è bruscamente invertito, facendo crescere il prezzo del materiale fino a livelli mai raggiunti in precedenza (pur considerando l'effetto della svalutazione del dollaro), anche con forti oscillazioni (in pochi anni si è passati da meno di 10$/lb del 2002 ad oltre 130$/lb di metà 2007, con un successivo calo attorno ad 85$/lb. Tali logiche economiche e speculative non hanno eguali neanche nel comparto petrolifero e sono probabilmente imputabili anche all'ovvio controllo - e quindi alla limitatezza delle compravendite - che viene effettuato su questo materiale, utilizzabile anche per scopi bellici. Risulta tuttavia anche probabile, non essendoci (come invece negli anni '70) chiare cause esterne scatenanti, che tale incremento sia imputabile ad uno scompenso tra crescita della domanda e carenza di offerta sul mercato.

In ogni caso è opportuno sottolineare che il prezzo dell'uranio incide solamente per il 5-7% sul totale dei costi riguardanti la produzione di energia nucleare.

Svantaggi

Quantitativo di Uranio consumato annualmente da una centrale nucleare di media dimensione

Elemento di combustibile: assemblaggio di barre in reticolo quadrato 17x17

Pastiglie di ossido d'uranio da inserire nella barra di combustibile

File:Vitrification1.jpg

Esperimento di vetrificazione di scorie radioattive

Attualmente, gli svantaggi maggiori di una centrale nucleare sono identificabili nel rischio (basso ma comunque non azzerabile) di incidenti e nel corretto smaltimento del combustibile nucleare residuo, ovvero delle scorie radioattive. In effetti, una volta esaurito l'elemento fissile del combustibile, restano i suoi sottoprodotti, che non sono fissili ma radioattivi. Questi sottoprodotti sono una gamma di isotopi con tempo di dimezzamento molto vario, ma che può arrivare anche ad alcune migliaia di anni. Quindi è necessario prevedere sia delle aree di stoccaggio in cui gli isotopi più radioattivi abbiano il tempo di decadere, sia dei siti di immagazzinamento definitivo in cui riporre il restante materiale radioattivo a lunga vita (almeno per alcuni secoli).

Scorie nucleari, se pure molto poco durevoli in termini di radiotossicità, sono anche grandi parti delle strutture delle centrali nucleari. La radioattività indotta da neutroni e gli elementi, ad alta attività ma breve vita, rilasciati dall'operazione quotidiana del ciclo di raffreddamento sulle parti a contatto con il fluido primario, determinano la necessità tecnica, per evitare alti costi e rischi per il personale, di attendere lunghi periodi, dopo la fine delle operazioni produttive e lo spegnimento del reattore, prima di iniziare lo smantellamento. In Inghilterra, dove per centrali come quella di Calder Hall sono previsti cento anni di chiusura dopo lo spegnimento, il costo dello smantellamento si prospetta molto più basso (molte decine di volte minore) di quello che scontano ad esempio reattori come quelli Italiani, il cui smantellamento "accelerato" è stato deciso per ragioni politiche nella tredicesima legislatura, con un decreto dell'allora ministro Bersani, per i quali il costo di smantellamento potrà essere alla fine anche due o tre volte superiore a quello di costruzione.

Un altro problema che accomuna questo tipo di centrali con quelle termoelettriche è l'elevata quantità di acqua necessaria per il raffreddamento, acqua che dopo il processo viene rilasciata a temperature più elevate rispetto a quella dell'ambiente creando uno sbilanciamento termico con impatti ambientali rilevanti soprattutto sulla fauna e flora dei fiumi; tale aspetto ha spinto la Francia alla creazione di un sistema di allevamento ittico che garantisse l'utilizzo economicamente conveniente del calore (che agevola l'itticoltura) e allo stesso tempo la salvaguardia dell'ecosistema.

Un altro problema delle centrali nucleari è dovuto al progressivo esaurimento del combustibile nucleare, con i ritmi attuali di aumento della produzione (+40% negli ultimi venti anni) si stima che l'uranio presente sia in grado di assicurare circa 50 anni di attività delle centrali nucleari. Questo problema viene considerato molto meno critico dei precedenti dato che l'utilizzo di reattori autofertilizzanti potrebbe innalzare significativamente l'efficienza di utilizzo dell'uranio portando dal 5% degli attuali reattori ad un teorico 99% di reattori autofertilizzanti di nuova generazione. L'innovazione introdotta da questa nuova tecnologia (FBR, Fast Breeder Reactor) sfrutta la conversione dell'isotopo non fissile uranio 238, e circa 140 più abbondante dell'isotopo fissile con numero di massa 235, in plutonio 239. Tuttavia il plutonio è materiale adatto alla realizzazione di armamenti ed è chimicamente tossico (oltre che molto radioattivo), per cui la sua produzione è problematica. Vi sono comunque molti studi su questa nuova generazione di reattori che il progressivo esaurimento dell'uranio potrebbe rendere molto convenienti, alcuni modelli di FBR (Fast Breeder Reactors, reattori veloci autofertilizzanti) sono stati costruiti e operano nel mondo tutt'ora, uno di essi era il francese Superphénix, oggi chiuso per problemi tecnici.

Per far fronte a questo problema sono state sviluppate inoltre delle centrali nucleari che utilizzano il torio al posto dell'uranio come combustibile nucleare. Poiché il torio è molto più comune dell'uranio potrebbe fornire combustibile per moltissimi secoli, anche se è necessario un procedimento di fertilizzazione del torio per trasformarlo in uranio fissile. Come ulteriore vantaggio non sono note, a tutt'oggi, tecniche per produrre armi nucleari a partire dal torio e dai rifiuti nucleari delle centrali che lo usano. In India sono già operative alcune centrali nucleari a torio, la scelta di questo combustibile è stata particolarmente vantaggiosa per la nazione asiatica che possiede numerose miniere dell'elemento sul suo territorio.

Sicurezza

Durante l'esercizio, la centrale rilascia nell'ambiente una quantità di radiazioni molto bassa: circa 0,2 millirem/anno, quando il totale di radiazioni di origine artificiale risulta essere di 67 millirem/anno. Di contro, l'esposizione alla radioattività naturale risulta essere di 126 millirem/anno (quasi il doppio) composta principalmente da 50 millirem/anno legati alla radiazione cosmica, 47 millirem/anno alle emissioni della Terra e addirittura 21 millirem/anno dovuti ai tessuti umani.

Le centrali nucleari a fissione seguono oggi standard di sicurezza di livello molto elevato e normalmente condensano al loro interno un bagaglio tecnologico molto avanzato per la gestione di tutti i processi. Le centrali nucleari a fissione sono di fatto tra gli impianti più controllati in uso odiernamente anche se storicamente si sono verificati diversi incidenti di gravità più o meno seria che hanno permesso di affinare procedure e tecniche costruttive. Prendendo in esame il problema dal punto di vista puramente tecnico, una centrale nucleare recente integra sistemi di protezione (ad esempio di caduta del nocciolo) e di verifica tali da mitigare (ma non annullare) tutti i problemi prevedibili.
La IAEA ha stabilito una scala (scala INES - International Nuclear Event Scale) di gravità degli incidenti possibili in una centrale nucleare, che si articola nei seguenti livelli:

• Livello 0 (deviazione): Evento senza rilevanza sulla sicurezza.
• Livello 1 (anomalia): Evento che si differenzia dal normale regime operativo, che non coinvolge malfunzionamenti nei sistemi di sicurezza, né rilascio di contaminazione, né sovraesposizione degli addetti.
• Livello 2 (incidente): Evento che riguardi malfunzionamento delle apparecchiature di sicurezza, ma che lasci copertura di sicurezza sufficiente per malfunzionamenti successivi, o che risulti in esposizione di un lavoratore a dosi eccedenti i limiti e/o che porti alla presenza di radionuclidi in aree interne non progettate allo scopo, e che richieda azione correttiva.
  • esempio: l'incidente di Civaux, Francia 1998
• Livello 3 (incidente serio): Un incidente sfiorato, in cui solo le difese più esterne sono rimaste operative, e/o rilascio esteso di radionuclidi all'interno dell'area calda, oppure effetti verificabili sugli addetti, o infine rilascio di radionuclidi tali che la dose critica cumulativa sia dell'ordine di decimi di mSv.
• Livello 4 (incidente grave senza rischio esterno): Evento causante danni gravi all'installazione (ad esempio fusione parziale del nucleo) e/o sovraesposizione di uno o più addetti che risulti in elevata probabilità di decesso, e/o rilascio di radionuclidi tali che la dose critica cumulativa sia dell'ordine di pochi mSv.
• Livello 5 (incidente grave con rischio esterno): Evento causante danni gravi all'installazione e/o rilascio di radionuclidi con attività dell'ordine di centinaia di migliaia di TBq come ¹³¹I, e che possa sfociare nell'impiego dii contromisure previste dai piani di emergenza.
  • esempio: l'incidente di Three Mile Island, USA (1979) e l'incidente di Windscale, UK (1957)
• Livello 6 (incidente serio): Evento causante significativo rilascio di radionuclidi e che potrebbe richiedere l'impiego di contromisure, comunque meno rischioso dell'incidente molto grave.
  • esempio: l'incidente di Kyshtym, URSS (1957)
• Livello 7 (incidente molto grave): Evento causante rilascio importante di radionuclidi, con estesi effetti sulla salute e sul territorio.
  • esempio : L'incidente di Chernobyl, URSS (1986)

Si noti come in quattro casi, in oltre 50 anni di esercizio, si siano avuti incidenti gravi con contaminazione esterna (e di questi, 3 abbiano riguardato la filiera gas-grafite, ormai obsoleta). Molto più numerosi e spesso poco noti sono gli incidenti anche gravi e con potenziale rischio esterno dovuti principalmente a errori umani e che tuttavia sono stati confinati all'interno delle centrali grazie alle misure di sicurezza ed in qualche caso anche grazie alla fortuna, come nel caso di Browns Ferry in cui un gruppo di tecnici provocarono un incendio nel tentativo di riparare una perdita d'aria da un tubo . Continui e molto frequenti sono gli eventi di livello 0 e 1, sia in occidente che nel resto del mondo.

Centrale nucleare a fusione

File:ITER reactor cutout.png

Schema di un apparecchio sperimentale per ottenere la fusione nucleare tramite confinamento magnetico

Le future centrali a fusione nucleare si baseranno su un principio differente: anziché spaccare atomi pesanti mediante bombardamento con neutroni come avviene nella fissione, si fondono insieme due atomi leggeri, generalmente trizio e deuterio ottenendo dal processo una enorme quantità di energia termica. È lo stesso processo utilizzato dal Sole e nelle bombe termonucleari (o bombe all'idrogeno, infatti deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno). Questo tipo di reattori è da anni allo studio di diversi gruppi di scienziati e tecnici, ma sembra non aver ancora dato risultati apprezzabili in quanto, pur essendo riusciti ad avviare la reazione di fusione, a oggi non si è in grado di mantenerla stabile per tempi significativi. Attualmente si attende la realizzazione del progetto ITER, un impianto che vorrebbe dimostrare la possibilità di ottenere un bilancio energetico positivo (ma senza produzione di energia elettrica). Un altro progetto è DEMO che prevede la realizzazione di una vera e propria centrale a fusione nucleare. Le stime attuali non prevedono l'utilizzo effettivo di energia da fusione nucleare prima del 2050

Vantaggi e svantaggi

Le centrali a fusione nucleare produrrebbero, come principale tipo di scoria, elio 4 che è un gas inerte e assolutamente non radioattivo, inoltre non userebbero sistemi a combustione e quindi non inquinerebbero l'atmosfera (di fatto non avrebbero emissioni di pericolosità rilevante). In più dovrebbero essere in grado di ottenere grandi quantità di energia, superiori rispetto a quelle delle centrali a fissione odierne.

Esistono vari meccanismi di fusione nucleare, tuttavia il più facile da produrre artificialmente richiede l'utilizzo di due isotopi pesanti dell'idrogeno: deuterio e trizio. Il deuterio rappresenta una minima percentuale dell'idrogeno in natura, ma può essere convenientemente ottenuto tramite elettrolisi dall'acqua pesante. Il trizio, al contrario, ha una vita media molto breve e non è presente in natura; può essere prodotto con reazioni nucleari indotte tramite bombardamento neutronico di isotopi del litio. Inoltre, a causa della sua instabilità, il trizio non può essere stoccato per lunghi periodi; deve essere prodotto sul momento sfruttando i neutroni prodotti dalle reazioni di fusione oppure da un centrale ausiliaria a fissione.

Si può alimentare una reazione di fusione anche solo con atomi di deuterio, tuttavia il bilancio energetico, meno conveniente della reazione di fusione del deuterio, ne rende molto più difficile lo sfruttamento ai fini della produzione di energia.

La fusione richiede temperature di lavoro elevatissime, tanto elevate da non poter essere contenuta in nessun materiale esistente. Il plasma di fusione viene quindi trattenuto grazie all'ausilio di campi magnetici di intensità elevatissima, e le alte temperature vengono raggiunte con l'utilizzo di potenti laser. Il tutto rende il processo difficile, tecnologicamente dispendioso e complesso.

Inoltre rimane per queste, come per le centrali nucleari a fissione, il problema delle scorie a breve vita derivanti dall'attivazione neutronica di parti degli edifici di centrale, le quali anche se poco durevoli sono, in termini quantitativi, molto grandi.

Classificazione dei reattori nucleari

Reattore nucleare a fissione

• Reattori nucleari di I generazione:
  • Reattori moderati a grafite:
    • Magnox (Magnesium Uranium Oxide) - reattori di origine britannica oggi obsoleti;
    • Reattore nucleare RBMK, la classe sovietica ormai obsoleta cui appartiene la centrale di Chernobyl.
  • Reattori raffreddati e moderati ad acqua:
    • BWR (Boiling Water Reactor) come il Borax, uno dei primi reattori al mondo, in cui il fluido che muove la turbina entra in contatto con gli elementi di combustibile;
    • PWR, reattori ad acqua pressurizzata (Pressurized Water Reactor), in cui esiste un fluido intermedio (categoria a cui appartiene la centrale di Three Mile Island).

• Reattori nucleari di II generazione, evoluzione dei precedenti.

• Reattori nucleari di III generazione, introducono migliorie senza cambiamenti sostanziali (in fase di definizione o progettazione):
  • EPR o Reattore nucleare europeo ad acqua pressurizzata, basato sul PWR, è un reattore nel quale il raffreddamento e la moderazione vengono ottenuti grazie all' acqua pressurizzata;
  • ABWR o Reattore nucleare avanzato ad acqua bollente, basato sul BWR.
• Reattori nucleari di III+ generazione:
  • ESBWR, Reattore Economico Semplificato ad Acqua Bollente, basato sul BWR.

• Reattori nucleari di IV generazione, introducono cambiamenti sostanziali nel processo tecnologico (in fase di studio teorico):
  • FBR (Fast Breeder Reactor) o Reattore nucleare veloce autofertilizzante;
  • VHTR o Reattore nucleare a temperatura molto alta, reattore moderato a grafite con temperatura di circa 1000°C;
  • PBMR o Reattore nucleare modulare pebble bed che utilizza ciottoli di grafite pirolitica come moderatore ed un gas inerte o semi-inerte come refrigerante e per muovere la turbina direttamente, senza uso di acqua e vapore.

Reattore nucleare a fusione

(principi fisici applicati in fase di definizione teorica)

• Tokamak (тороидальная камера с магнитными катушками) o Camera toroidale a bobine magnetiche
  • JET (Joint European Torus), progetto principale della CE, su cui si basa ITER;
  • ITER, DEMO e PROTO, progetti successivi della Comunità Europea.

Voci correlate

• Centrale elettrica
• ITER
• Reattore nucleare a fissione
• Reattore nucleare a fusione
• Cella calda

Collegamenti esterni

• (EN) sito IAEA (AIEA)
• Portale italiano sul nucleare
• Alcuni incidenti nucleari poco noti
• The Nuclear Fuel Cycle
• (EN) The Nuclear Energy Option