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Come funziona un reattore nucleare?

Autori: Riccardo Luigi Sansone, Sofia Portolan , Pierluigi Tagliabue.



La fissione nucleare.


Pensando ad una centrale nucleare, a molti verrà in mente l’immagine stereotipata di Homer Simpson, protagonista dell’omonima serie, personaggio simpatico e un po’ tonto alla gestione dell’impianto dell’avido Mr. Burns. Oppure ancora a Chernobyl, o Fukushima: comunque a qualcosa di terribilmente complicato e pericoloso, di difficile accessibilità.


Be’, non avete tutti i torti. Con queste premesse è facile costruire storie e articoli estremamente attraenti, anche se non sempre realistici. L’idea del racconto di oggi è spiegare come funziona una centrale nucleare (in modo semplice, tranquilli) e il principio cardine su cui tutto questo meccanismo si basa: la fissione.


Con “fissione” si intende il fenomeno naturale per cui un nucleo atomico si può dividere in due nuovi nuclei figli, chiamati "prodotti di fissione”. Questo avviene grazie all’azione di un neutrone che, viaggiando libero tra gli atomi della materia, può casualmente sbattere contro questo nucleo. Un po’ come un proiettile che colpisce e rompe un bersaglio. Oltre alla creazione dei prodotti di fissione, viene anche liberata dell’energia sotto forma di calore. Tantissima energia. Pensate che il calore che si può generare da 1 kg di uranio corrisponde all’equivalente prodotto da 120’000 kg di carbone!


Come si passa dall’energia rilasciata dalla fissione di un singolo atomo a coprire il fabbisogno di più di 300 case continuativamente, considerando il picco di richiesta (circa 1000 Megawatt di elettricità)? Facile! Servono molte fissioni, ottenibili sfruttando una reazione a catena. Infatti, ogni fissione produce da 2 a 3 neutroni ed ognuno di essi può, a sua volta, sbattere contro un altro nucleo di uranio e generare un’altra fissione! Così via, fino a raggiungere un numero sufficiente di fissioni al secondo. Una volta raggiunto un numero predefinito, intervengono degli elementi di controllo (ad esempio, le famose barre di controllo) che garantiscono un’emissione di energia controllata, continua e costante assorbendo i neutroni in eccesso. Una cosa che potrebbe sorprendere in molti è che la fissione, di per sé, è un processo naturale e spontaneo, che avviene costantemente intorno a noi (su scala atomica).



Come viene prodotta energia attraverso la fissione?


Cos'è allora che differenzia le fissioni in un reattore rispetto a quelle in natura? La loro riproducibilità e controllabilità. Per poter spiegare questo punto, è necessario entrare nel dettaglio e introdurre il concetto di moderazione. Quando un neutrone viene generato da una fissione, esso ha una certa energia, tipicamente molto alta: tanto alta da non poter provocare una fissione (può sembrare controintuitivo: ma non sempre essere più energetici è meglio). Per produrre una fissione occorre che i neutroni abbiano un'energia ben precisa e bisogna dunque rallentarli (o “moderarli”).

Nei reattori ad acqua, vengono utilizzati proprio gli atomi di acqua per rallentare i neutroni. Immaginate una palla da biliardo in movimento che ne urta un’altra: cosa succede? La palla in movimento si ferma, o comunque rallenta moltissimo. Tramite questo evento la probabilità di generare una fissione è molto più elevata. Attenzione però: sebbene la maggior parte dei reattori ad oggi in funzione sfrutti il concetto di moderazione, molti altri (per esempio i cosiddetti “reattori veloci”) non hanno bisogno di implementarla per funzionare.


Infatti, esistono diverse tipologie di centrali nucleari. Oggi, ci limiteremo a parlare della tecnologia di gran lunga più diffusa, cioè quella dei “reattori ad acqua pressurizzata” (PWR).

L’idea che sta alla base della produzione di energia è comune a quasi tutti gli impianti: l’obiettivo è sfruttare il calore creato dalla fissione per riscaldare un fluido (solitamente dell’acqua, appunto) fino a farlo bollire e creare vapore ad alta temperatura e pressione. Questo poi viene fatto entrare in una turbina che, ruotando, produce energia elettrica. In alternativa, il vapore ad alta temperatura e pressione può essere usato per riscaldare case o dare calore a processi industriali che ne necessitano, ma qui entriamo in un’area leggermente più complicata; per cui nell’articolo di oggi ci limiteremo solo alla descrizione di quegli impianti che producono elettricità.


Fino a qui tutto semplice no? Di base, si. Tuttavia, molti altri fattori sono da prendere in considerazione: disponibilità e costo del combustibile, costo di operatività e mantenimento della centrale, norme statali, incentivi finanziari, legami geopolitici della nazione ospitante e, non da ultimo, l’impatto ambientale. Negli ultimi anni, l’energia nucleare ha suscitato grande interesse, specialmente nelle generazioni più giovani, per essere essenzialmente priva di emissione di CO2eq. Nell’intero ciclo di vita di una centrale nucleare, l’emissione di sostanze nocive in atmosfera è la più bassa tra tutte le fonti di energia, anche minore di quella di solare ed eolico, sia onshore che offshore [1], Sezione 5.1.



Come funziona un reattore nucleare?


A questo punto, siamo pronti per capire come viene riscaldata questa benedetta acqua! Prendiamo come riferimento i reattori PWR (Pressurized Water Reactor). Come avrete capito, l’acqua è scaldata attraverso il calore rilasciato dalla fissione. Anche se si parla di uranio come un “combustibile”, in realtà è un nome improprio: nulla, ma proprio nulla, brucia. Anzi, l’uranio si trova sempre allo stato solido all’interno del reattore e qualsiasi sua transizione verso la fase liquida deve essere evitata ad ogni costo, altrimenti ci troveremmo in uno scenario di incidente.


Il combustibile è prodotto sotto forma di piccoli cilindri da 1 cm di altezza e 1 cm di diametro (minuscoli!). I cilindretti sono disposti l’uno sopra l’altro all’interno di un involucro stretto e lungo 4 metri, chiamato “cladding”, che in italiano sta per “rivestimento”. Nel nucleo del reattore si trovano tantissime barre, fino a 60’000 per i reattori più potenti (come quello di Leibstadt, in Svizzera). Tuttavia, occupano uno spazio molto ridotto. Queste producono il calore che riscalda l’acqua.

L’acqua viene pompata all’interno del nucleo con grande energia, ne passano fino a 34 tonnellate al secondo [2] Sezione 10.6! Una volta uscita dal nucleo, l’acqua è calda, ma non è evaporata. Viene quindi mandata verso uno scambiatore di calore, chiamato “generatore di vapore”.

Capite facilmente quale sia il suo scopo. È l’equivalente della caldaia di casa: l’acqua calda passa attraverso dei tubi, e dall’altra parte dei tubi, in circuito detto “secondario”, scorre altra acqua che ne assorbe il calore, riscaldandosi a sua volta. La differenza è che questa volta, l’acqua del circuito secondario, riscaldandosi, diventa vapore. Ora è pronta per essere mandata in turbina e produrre elettricità. Quando esce dalla turbina, viene raffreddata ulteriormente attraverso un altro scambiatore di calore, detto “condensatore”, così che da vapore ritorni liquida. Il condensatore funziona in maniera molto simile al generatore di vapore, ma al contrario. Esso necessita di (tanta) acqua fredda che attraversa un circuito terziario e si può scaldare (acqua di mare, fiume o lago!).

L’ultima parte del processo (dalla generazione di vapore alla condensazione) è tipica di qualsiasi impianto ad acqua per produzione di energia elettrica: non è prerogativa esclusiva degli impianti nucleari. Quindi, quando vi dicono che gli impianti nucleari non possono operare d’estate causa siccità, sappiate che la situazione è la stessa anche per le centrali a carbone e ciclo combinato.

C’è un’ultima cosa importante da capire. Ogni volta che c’è dello scambio di calore tra circuito primario e secondario e tra secondario e terziario, i fluidi delle due parti non entrano mai in contatto tra loro e sono fisicamente separati! Questo sistema agisce da importantissima barriera contro eventuali (piccole o grandi) fughe di radioattività dal nucleo del reattore verso l’ambiente esterno.


Lavorare in una centrale nucleare non implica assorbire una dose di radioattività maggiore di quella che una persona media assorbe ogni giorno. Si, perché la radioattività è un fenomeno naturale ed ogni giorno ne assorbiamo una certa quantità. Numerosi e scrupolosi controlli sono effettuati periodicamente o permanentemente all’interno di una centrale nucleare e nell’ambiente circostante. Inoltre, gli enti regolatori nazionali e internazionali sono particolarmente restrittivi nelle loro misurazioni e concessioni. Col nucleare non si scherza e la rigorosità è molto alta e fatta rispettare dall’ente regolatore internazionale, la International Atomic Energy Agency (IAEA), attraverso controlli annunciati o non, in ogni nazione. L’IAEA è un ente sovrano sotto l’egida delle Nazioni Unite (UN). Di per sé non ha poteri di indire sanzioni, ma può trasferire la questione al Consiglio di Sicurezza delle Nazioni Unite (UNSC), che può applicare sanzioni come l’embargo dell’uranio contro una nazione. [3]


È evidente quanti temi diversi possono essere discussi arrivati a questo punto. Se siete curiosi e volete saperne di più, continuate a leggere gli articoli che usciranno le prossime settimane!






BIBLIOGRAFIA:

[] semplicemente invertendo la formula per l’energia cinetica E=1/2*m*v2 con massa in kg ed energia in J (alternativamente MeV/c^2 per la massa e eV per l’energia, risultato in frazione di c)

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