Sistemi elettorali

Come funziona una centrale nucleare

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Tutti, dagli autori di fumetti ai fisici teorici hanno descritto la scissione dell’atomo come l’atto finale dell’uomo che decide di giocare ad essere Dio, ed è quindi facile dimenticare che in realtà la fissione nucleare avviene in maniera naturale ogni giorno. L’uranio, per esempio, subisce costantemente la fissione spontanea molto lentamente. È per questo che l’elemento emette radiazioni, e perché è una scelta naturale per la fissione indotta che le centrali nucleari richiedono..
L’uranio è un elemento comune sulla Terra. E’ composto da una miscela di tre isotopi, 234U, 235U, e 238U.

E’ presente da quando è stato creato il pianeta. L’uranio-238 (U-238) ha una emivita estremamente lunga (emivita: tempo impiegato da una sostanza radioattiva per perdere metà della sua radioattività, cioè di “decadere”, la disintegrazione spontanea o indotta artificalmente del nucleo) di 4,5 miliardi di anni. Pertanto, è ancora presente in quantità abbastanza grandi. L’U-238 rappresenta il 99,27 per cento dell’uranio sulla Terra, mentre l’uranio-235 (U-235) costituisce circa il 0,72 per cento dell’uranio residuo che si trova in natura. L’uranio-234 è ancora più raro, formato dal decadimento dell’U-238. L’U-238 passa attraverso molte fasi di decadimento nel suo ciclo di vita, alla fine formando un isotopo stabile del piombo, così l’U-234 è solo un anello di quella catena (vedi tabella).

nuclide nome storico (abbrev.) nome storico (completo) tipo di decadimento emivita energia rilasciata, MeV prodotto di decadimento
238U U Uranium α 4.468·109 a 4.270 234Th
234Th UX1 Uranium X1 β 24.10 d 0.273 234Pa
234Pa UZ Uranium Z β 6.70 h 2.197 234U
234U UII Uranium two α 245500 a 4.859 230Th
230Th Io Ionium α 75380 a 4.770 226Ra
226Ra Ra Radium α 1602 a 4.871 222Rn
222Rn Rn Radon α 3.8235 d 5.590 218Po
218Po RaA Radium A α 99.98 %
β 0.02 %
3.10 |min 6.115
0.265
214Pb
218At
218At     α 99.90 %
β 0.10 %
1.5 s 6.874
2.883
214Bi
218Rn
218Rn     α 35 ms 7.263 214Po
214Pb RaB Radium B β 26.8 min 1.024 214Bi
214Bi RaC Radium C β 99.98 %
α 0.02 %
19.9 min 3.272
5.617
214Po
210Tl
214Po RaC’ Radium C’ α 0.1643 ms 7.883 210Pb
210Tl RaC” Radium C” β 1.30 min 5.484 210Pb
210Pb RaD Radium D β 22.3 a 0.064 210Bi
210Bi RaE Radium E β 99.99987%
α 0.00013%
5.013 d 1.426
5.982
210Po
206Tl
210Po RaF Radium F α 138.376 d 5.407 206Pb
206Tl     β 4.199 min 1.533 206Pb
206Pb     stabile

 
L’uranio-235 ha una caratteristica interessante che lo rende comodo per la produzione sia di energia nucleare sia per le bombe nucleari. L’U-235 decade naturalmente, proprio come l’U-238, da radiazioni alfa: si libera di una particella alfa, o due neutroni e due protoni legati insieme. L’U-235 subisce anche una fissione spontanea per una piccola percentuale di tempo. Tuttavia, l’U-235 è uno dei pochi materiali che possono subire la fissione indotta. Se un neutrone libero si imbatte in un nucleo di U-235, il nucleo assorbirà il neutrone, diventa instabile e si divide immediatamente.

L’immagine di cui sopra mostra un nucleo di uranio-235, che viene “bombardato” da un neutrone che si avvicina dall’alto. La probabilità che un atomo U-235 catturi un neutrone di passaggio è elevato. In effetti, in base alle condizioni del reattore, un neutrone espulso da ogni fissione provoca il verificarsi di un’altra fissione.

Non appena il nucleo cattura il neutrone, si scinde in due atomi più leggeri e si libera di due o tre nuovi neutroni (il numero di neutroni espulsi dipende da come l’U-235 si divide). Il processo di cattura dei neutroni e la scissione avviene molto rapidamente, nell’ordine di picosecondi (1×10 elevato a -12 secondi).

La scissione di un atomo sprigiona una incredibile quantità di calore e radiazioni gamma, o radiazioni fatte di fotoni ad alta energia. I due atomi che derivano dalla fissione successiva rilasciano radiazioni beta (elettroni super veloci) e radiazioni gamma. L’energia liberata da un’unica fissione deriva dal fatto che i prodotti di fissione e i neutroni, insieme, hanno un peso inferiore rispetto all’originale atomo U-235. La differenza di peso viene convertita direttamente in energia ad un tasso disciplinato dall’equazione E = mc2.
Il decadimento di un singolo atomo U-235 rilascia approssimativamente 211 MeV (milioni di elettronvolt). Che potrebbe non sembrare molto, ma ci sono un sacco di atomi di uranio in una libbra (0,45 kg) di uranio. Così tanti, infatti, che un chilo di uranio altamente arricchito, come quelli utilizzati per dare energia ad un sottomarino nucleare, è pari a circa un milione di litri di benzina.
Tuttavia, per tutto questo lavoro, un campione di uranio deve essere arricchito.

L’uranio altamente arricchito ha una concentrazione dell’isotopo 235U o di 233U pari o superiore al 20%.
L’uranio fissile presente nelle armi nucleari abitualmente contiene circa il 85% o più di 235U, ed è noto come uranio a gradazione per le armi (weapon-grade), anche se basta circa un 20% di arricchimento per costruire un’arma nucleare cruda, molto inefficiente (noto come weapon-usable). Tuttavia, anche un arricchimento molto minore può sostenere una reazione a catena ma -ovviamente- la massa critica richiesta aumenta rapidamente. Comunque, l’utilizzo sapiente dell’implosione e dei riflettori di neutroni, può permettere la costruzione di un’ arma con un quantitativo di uranio minore rispetto alla abituale massa critica per il suo livello di arricchimento, anche se questo potrebbe avvenire più probabilmente in un paese che già possiede un’estensiva esperienza nello sviluppo di armi nucleari. La presenza di un eccesso dell’isotopo 238U rende meno veloce il decorso della reazione nucleare a catena che è determinante nel fornire potenza esplosiva all’arma. La massa critica per un “core” di uranio altamente arricchito (al 85%) è di circa 50 chilogrammi.

L’uranio altamente arricchito (HEU) può essere usato anche in un reattore a neutroni veloci così come pure nei reattori dei sommergibili nucleari, dove viene arricchito a livelli oscillandi dal 50% di 235U, a oltre il 90% a seconda del reattore. Il primo reattore veloce sperimentale (Fermi-1) utilizzava HEU arricchito, contenente il 26,5% di 235U.

Il miscuglio di uranio 235 e 238 viene introdotto in una centrifuga contenuta in un ambiente sotto vuoto e riscaldato per conservare l’esafluoruro di uranio sotto forma gassosa. Nella fase successiva di ‘centrifuga‘ il materiale viene posto a una maggiore forza di gravità che consente la ‘separazione’ dell’uranio 238, più pesante, dall’uranio 235. Il miscuglio arricchito di uranio 235 resta al centro della centifruga, viene recuperato e sottoposto ad altre centifrughe. Il materiale ai bordi delle centrifughe viene invece eliminato. Al termine del processo l’uranio gassoso è riportato allo stato metallico e trasformato in pastiglie. L’uranio 235 al 3-7% è destinato all’utilizzo come combustibile delle centrali nucleari a fissione, l’uranio 235 al 80% è invece utilizzato per fini militari e bellici, in particolar modo per la costruzione delle bombe atomiche.

Sottocriticità, criticità e Supercriticità

Quando un atomo U-235 si scinde, due o tre neutroni volano via. Se non vi sono altri atomi U-235 attorno, allora questi neutroni liberi volano nello spazio come raggi di neutroni. Tuttavia, se l’atomo U-235 è parte di una massa di uranio, allora ci sono un sacco di altri atomi U-235 nelle vicinanze che possono entrare in collissione con i neutroni liberi.
Saranno uno o più dei neutroni liberi che ha colpito un altro atomo U-235? La risposta a questa domanda determina lo stato di un reattore nucleare.

Massa critica: se, in media, esattamente uno dei neutroni liberi da ogni fissione colpisce un altro nucleo di U-235 e ne provoca la scissione, allora la massa di uranio viene detta critica. La massa si troverà ad una temperatura stabile.
Massa subcritica: se, in media, meno di uno dei neutroni liberi colpisce un altro atomo U-235, allora la massa è sottocritica. Alla fine, la fissione indotta si concluderà in queste condizioni e la sua fonte di energia con essa.
Massa supercritica: se, in media, più di uno dei neutroni liberi colpisce un altro atomo U-235, allora la massa è supercritica. Questo farà sì che il reattore si scaldi.

Nella progettazione di una bomba nucleare, gli ingegneri hanno bisogno di una massa di uranio molto supercritica in modo che tutti gli atomi U-235 nella massa si scindano in un solo microsecondo. Pensate a come tutti i semi in un sacchetto di popcorn scoppino contemporaneamente.

In un reattore nucleare, comunque, l’ultima cosa che si vuole è la scissione degli atomi in contemporanea. Ma il nocciolo del reattore deve essere sempre leggermente supercritico in modo che i gestori degli impianti possano alzare e abbassare la temperatura del reattore. Le barre di controllo forniscono agli operatori il mezzo per assorbire i neutroni liberi consentendo così di mantenere il reattore ad un livello critico. Ne parleremo più avanti.

Come gli ingegneri controllano la criticità dell’uranio? La quantità di U-235 nella massa (il livello di arricchimento) svolge un ruolo importante, così come la forma della massa stessa. Se la forma della massa è un foglio molto sottile, la maggior parte dei neutroni liberi volerà nello spazio piuttosto che colpire altri atomi di U-235. In quanto tale, una sfera è la forma ottimale, e ci sarebbe bisogno di circa un chilo (0,9 kg) di uranio-235 in essa per ottenere una reazione critica. Tale ammontare è quindi denominato la massa critica. Per il P-239, la massa critica è di circa 283 grammi.

Come fanno i tecnici di controllo a mantere questi livelli in una centrale nucleare?

Innazitutto, ricordiamo la definizione di centrale nucleare: per centrale nucleare si intende generalmente una centrale nucleare a fissione, ovvero una centrale termoelettrica che utilizza uno o più reattori nucleari a fissione.
Cosa succede in una centrale nucleare?

All’interno di una Centrale Nucleare

Per pervenire dalla fissione nucleare all’energia elettrica, il primo passo per gli operatori degli impianti nucleari è quello di essere in grado di controllare l’energia sprigionata dall’uranio arricchito e permettere allo stesso uranio di trasformare l’acqua in vapore.
L’uranio arricchito è tipicamente formato in pellets di 2,5 cm di lunghezza, ciascuno avente circa lo stesso diametro di dimensione. Successivamente, il pellet è disposto in lunghi cilindri, e le barre sono raccolte in fasci. I fasci sono immersi in acqua in un recipiente a pressione. L’acqua agisce come liquido di raffreddamento. Per far sì che il reattore funzioni, i fasci sommersi devono essere leggermente supercritici. Lasciato a se stesso, l’uranio si surriscalderebbe e si fonderebbe.

L’interno del nocciolo, schematicamente, è mostrato nell’immagine sottostante.

Si tratta di centinaia di barre di combustibile (uranio arricchito o plutonio) alternate con barre moderatrici (in genere berillio o grafite) e di controllo (in genere cadmio o boro, che possono scorrere verticalmente comandate dall’esterno per regolare la potenza della centrale).
Per evitare il surriscaldamento, si utilizzano quindi queste barre di controllo, barre che assorbono neutroni attraverso un meccanismo che può alzare o abbassare le stesse barre.

Alzando e abbassando le barre di controllo, si consente agli operatori di controllare la velocità della reazione nucleare. Quando un operatore vuole che il nocciolo di uranio produca più calore, le barre di controllo vengono sollevate dal fascio di uranio (quindi assorbendo meno neutroni). Per creare meno calore,  le barre sono calate nel fascio di uranio. Le barre possono anche essere abbassate completamente nel fascio di uranio per chiudere il reattore nel caso di incidente o per cambiare il combustibile.

Dentro questo nocciolo viene realizzata quindi la reazione nucleare a catena controllata che produce l’energia che ci interessa.

La peculiarità di questo fornello, rispetto agli altri ad esempio delle centrali termiche, riguarda  le elevatissime temperature che si originano dalla reazione nucleare. Come detto, il sistema deve essere ben controllato per mantenerlo sempre a  temperature (intorno ai 400 °C) tali da non danneggiarlo.
I fasci di uranio agiscono come una fonte estremamente alta di calore. Riscaldano l’acqua e la trasformano in vapore. Il vapore aziona una turbina, che mette in movimento un generatore per produrre energia. Gli esseri umani hanno sfruttato la trasformazione dell’acqua in vapore per centinaia di anni.

Serve quindi un efficientissimo sistema di raffreddamento ed estrazione del calore prodotto. In pratica  deve circolare dell’acqua per estrarre il calore prodotto con continuità.

La quantità d’acqua richiesta è notevole e, a volte, la stessa acqua non ce la fa ad assorbire tutto il calore prodotto; è il caso di alcune centrali nucleari che debbono utilizzare del sodio liquido per la sua maggiore efficienza relativa allo scopo.

 Passiamo ora a vedere come questo nocciolo è collegato all’insieme della centrale, a partire dagli elementi fondamentali.

Il vapore d’acqua (ci riferiamo ora al vapore d’acqua come  intermediario per gli scambi di calore, ma ve ne sono anche altri) ad alte temperatura e pressione esce dal nocciolo ed in E entra nella prima parte (scambiatore) del sistema che va a produrre energia elettrica. Nello scambiatore il vapore proveniente dal nocciolo cede gran parte della sua energia termica all’acqua ivi presente.

Questa, a sua volta, diventa vapore ad alte pressione e temperatura che è canalizzato verso turbine gigantesche che, a loro volta, fanno girare enormi generatori di corrente alternata (che dovrà poi essere trasformata prima dell’invio nell’elettrodotto).

Ma ora torniamo al vapore che ha fatto girare le turbine.
Fuoriuscito da queste, esso si dirige verso un sistema (condensatore) che serve a raffreddarlo al fine di rinviarlo sotto forma di acqua nello scambiatore.
La quantità di calore da sottrarre è enorme e, spesso, non basta lo scambio semplice con una sorgente fredda naturale, come acqua di fiumi, laghi o mare (grandi masse d’acqua vengono aspirate da queste sorgenti fredde, vanno a sottrarre calore all’acqua proveniente dallo scambiatore, vengono quindi riversate di nuovo nella sorgente fredda ma a temperature superiori di vari gradi).
Occorre raffreddare queste masse d’acqua prima di riversarle di nuovo nelle sorgenti fredde, facendole circolare dentro delle gigantesche torri di raffreddamento.
Quando il liquido di raffreddamento a contatto con il nocciolo del reattore è gas (anidride carbonica) o metallo liquido (sodio, potassio), i reattori permettono al nucleo di funzionare a temperature più alte.
Nella sezione successiva, esploreremo le barriere di protezione tra di noi e il cuore atomico della centrale.

In sintesi, per sfruttare una tale energia sono necessarie alcune condizioni:
– occorrono una enormità di nuclei che simultaneamente si fissionino;
– occorre innestare la reazione a catena che deve mantenere la combustione per produrre energia con continuità;
– occorre il controllo del processo: la possibilità di regolarne la potenza nel tempo e nella durata.

La struttura di un reattore nucleare deve quindi prevedere schematicamente:
– un fornello, detto nocciolo, nel quale si sviluppi la reazione a catena;
– un efficientissimo sistema di estrazione del calore (raffreddamento) dal nocciolo;
– una schermatura molto importante per fermare le radiazioni prodotte in modo ineliminabile dal processo di fissione;
– sistemi di regolazione dei processi mediante strumenti di controllo, al fine dell’uso pratico del reattore.

Al di fuori di una centrale nucleare

Una volta oltre il reattore stesso, c’è poca differenza tra una centrale nucleare e una centrale a carbone o ad olio combustibile, fatta eccezione per la fonte di calore usata per creare il vapore. Ma  essendo una fonte che può emettere livelli dannosi delle radiazioni, sono necessarie ulteriori precauzioni.

Un rivestimento di cemento generalmente racchiude il reattore e agisce come uno scudo di radiazione. Questo rivestimento, a sua volta, è ospitato all’interno di un contenitore (detto Vessel) molto più grande  in acciaio. Il Vessel contiene il nocciolo del reattore, che i lavoratori dell’impianto utilizzano per il rifornimento e manutenzione del reattore. Il Vessel di contenimento in acciaio funge da barriera per impedire la perdita di eventuali gas o liquidi radioattivi dalla centrale.
Un edificio di cemento esterno serve come ultimo strato esterno, proteggendo il Vessel. Questa struttura in calcestruzzo è abbastanza forte per sopravvivere al tipo di danni enormi che potrebbero derivare da terremoti o dallo schianto di un aereo. Queste strutture secondarie di contenimento sono necessarie per impedire la fuga di radiazioni e vapore radioattivo in caso di incidente. L’assenza di strutture di contenimento secondario nelle centrali nucleari sovietiche ha consentito al materiale radioattivo di fuoriuscire a Chernobyl.
Lavoratori nella sala di controllo presso la centrale nucleare sono in grado di monitorare il reattore nucleare e intervenire se qualcosa va storto.

Classificazione dei reattori nucleari (da wikipedia)

Reattore nucleare a fissione

Tutti questi reattori utilizzano generalmente uranio e/o plutonio; sono stati condotti alcuni studi ed avanzate proposte per l’uso del “ciclo del torio” (con grandi vantaggi per quanto riguarda le scorie) su alcune tipologie di impianti.

  • Reattori nucleari di I generazione: si tratta di piccoli reattori sperimentali o proto-commerciali degli anni quaranta-cinquanta, evoluti poi nella II generazione
  • Reattori nucleari di II generazione, versioni commerciali derivate di quelli di prima generazione. Sono gran parte dei reattori attualmente in funzione.
    • Reattori moderati a grafite:
      • Magnox – reattori di origine britannica raffreddati a gas oggi obsoleti;
      • AGR (Advanced gas-cooled reactor) – evoluzione dei Magnox;
      • Reattore nucleare RBMK, classe sovietica raffreddata ad acqua bollente ormai obsoleta cui appartiene la centrale di Chernobyl.
    • Reattori raffreddati e moderati ad acqua:
      • BWR reattori ad acqua leggera bollente (Boiling Water Reactor) in cui il fluido che muove la turbina è in contatto diretto con gli elementi di combustibile; di origine americana.
      • PWR, reattori ad acqua leggera pressurizzata (Pressurized Water Reactor), in cui vi sono due circuiti d’acqua in serie (categoria a cui appartiene la centrale di Three Mile Island); di origine americana.
      • CANDU Reattore ad acqua pesante pressurizzata di origine canadese (a detta dei progettisti, adatto all’uso del torio).
  • Reattori nucleari di III generazione e di III+ generazione, introducono migliorie senza cambiamenti sostanziali (in fase di definizione/progettazione con pochissimi esempi realizzati o in costruzione), ad esempio:
    • 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; di origine franco-tedesca.
    • ABWR o Reattore nucleare avanzato ad acqua bollente, basato sul BWR.
    • ESBWR, Reattore Economico Semplificato ad Acqua Bollente, basato sul BWR.
    • AP, Reattore Pressurizzato Avanzato, basato sul PWR; di origine americana.
    • Evoluzioni della filiera CANDU di origine canadese (a detta dei progettisti, adatti all’uso del torio)

 

  • Reattori nucleari di IV generazione: attualmente la dicitura si riferisce ufficialmente ad alcune proposte di un consorzio internazionale; introducono cambiamenti sostanziali nel processo tecnologico (in fase di studio).

Si fa presente che queste distinzioni sono state definite sostanzialmente a posteriori e che il confine fra una e l’altra generazione non è sempre netto ed individuabile. Ad esempio alcune caratteristiche tipiche dei cosiddetti 4° generazione sono già state sperimentate fin dagli anni quaranta con una accelerazione negli anni settanta, senza tuttavia far decollare la filiera a causa dei problemi riscontrati.

VARI TIPI DI CENTRALI NUCLEARI                                                                                                                     

Le centrali più diffuse sono quelle ad acqua leggera (Light Water Reactor, LWR) che sono di due tipi, quelle ad acqua in pressione (PWR, brevetto Westinghouse) e quelle ad acqua bollente (BWR, brevetto General Electric). In tali centrali il combustibile è uranio arricchito ed il moderatore è acqua naturale.  Vi sono poi le centrali ad acqua pesante (Heavy Water Reactor, HWR) che sono essenzialmente quelle brevettate in Canada (CANadian Deuterium-Uranium, CANDU). In tale centrale il combustibile è uranio naturale ed il moderatore è acqua pesante.  Altro tipo di centrali è quello sviluppato principalmente in Francia, si tratta dei reattori autofertilizzanti o reattori veloci o breeders (LMFBR).  Vi sono infine alcuni tipi di centrali sviluppate nella ex URSS che vedremo oltre, soffermandoci solo al tipo VVER 440 essendo questo il reattore di Chernobyl. Altre centrali hanno ormai solo un  interesse storico come quelle a gas (Magnox ed AGR), sviluppate soprattutto in Gran Bretagna.

CENTRALI  LWR  DI  TIPO  PWR

Riproduco lo schema di funzionamento di tale centrale  per illustrarla in breve

Fatto che distingue questo tipo di reattore dal BWR è il circuito chiuso dell’acqua che dal nocciolo va allo scambiatore.

Un altro circuito d’acqua, completamente separato, è quello che muove le turbine.

Inoltre, l’acqua che si trova nel nocciolo, oltre ad essere ad alta temperatura è anche ad alta pressione perché, ad essa, viene impedita ogni espansione.

Le dimensioni standard di un nocciolo sono di circa 5 metri di diametro e di circa 15 metri di altezza con uno spessore del contenitore di acciaio che varia dai 150 ai 300 mm.

La carica di combustibile prevede circa 90 tonnellate che permettono il suo funzionamento per circa un anno. La pressione dell’acqua è intorno ai 150 Kg/cm² e la temperatura intorno ai 280 °C.

CENTRALI LWR DI TIPO BWR

Parto anche qui da uno schema di principio di questi reattori

Come si vede, l’acqua a diretto contatto con il combustibile nucleare, è quella che, bollendo, fornisce il vapore che fa muovere le turbine.

Altro vapore viene fornito dallo scambiatore.

In questa centrale, come nell’altra PWR, l’acqua svolge due ruoli: quella di raffreddamento del sistema e quella di moderatore dei neutroni generati nella reazione nucleare.

CENTRALI  HWR  DI  TIPO  CANDU

 Anche qui parto da uno schema del nocciolo di un CANDU. 
Cambia un poco la struttura ma il principio è il medesimo.
Anche qui il vapore va ad azionare delle turbine ed è necessario un condensatore per il raffreddamento dell’acqua che dovrà tornare ad estrarre calore dal nocciolo.

Qui il circuito dell’acqua a contatto con gli elementi di combustibile deve essere rigorosamente sigillato in quanto contiene acqua molto costosa, l’acqua pesante.

La carica degli elementi di combustibile è circa di 130 tonnellate inserite nel contenitore che ha un diametro di meno di 10 metri, una lunghezza di circa 6 metri ed uno spessore di circa 30 millimetri.

REATTORI  RAFFREDDATI  A  GAS

Presento solo uno schema di una tale centrale, la GCR MAGNOX, che utilizza uranio naturale (in sbarre racchiuse in una lega di magnesio chiamata magnox) come combustibile,  anidride carbonica come estrattore del calore, barre di acciaio al boro come controllo e  barre di grafite come riflettore e come moderatore.

Si vede facilmente che, a parte il nocciolo ed i dimensionamenti relativi alle potenze in gioco, la struttura è ancora simile a quella delle altre centrali termiche. La carica di combustibile è di circa 350 tonnellate.

REATTORI VELOCI

In questi reattori manca un moderatore. Di conseguenza i neutroni non sono rallentati molto.
Ciò vuol dire che il combustibile deve essere dell’uranio arricchito con una percentuale maggiore di Uranio 235 o direttamente del plutonio.
Questi reattori sono anche chiamati autofertilizzanti perché portano simultaneamente avanti due processi: da una parte producono energia e dall’altra si fabbricano il combustibile per il futuro arricchendo dell’uranio naturale disposto appositamente a mantello intorno al nocciolo.
Come sappiamo se l’uranio naturale viene colpito da neutroni veloci, si realizza la reazione nucleare che dà origine al plutonio.

E, come abbiamo visto, queste centrali funzionano proprio con barre contenenti buone percentuali di plutonio. Per rendere efficiente il processo di conversione di uranio in plutonio occorre che il reattore lavori a temperature più alte rispetto a quelle di altri tipi di centrale.
Queste elevate temperature fanno si che è impossibile usare acqua per il raffreddamento, poiché la pressione sarebbe molto elevata mettendo a rischio la sicurezza delle canalizzazioni.
E’ qui dove si usa del sodio liquido che ha la proprietà di mantenere basse pressioni ad elevate temperature. Ma ciò non basta: occorre anche che questo sodio venga fatto circolare ad elevate velocità per sottrarre tutto il calore al nocciolo.
Nella figura  sottostante è mostrato un nocciolo di tali reattori. Si noti il mantello di uranio che, nel funzionamento, viene preparato per il successivo uso.

Reattore nucleare a fusione

Questi reattori dovrebbero usare come “combustibile” deuterio e trizio (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 dell’Unione Europea, su cui si basa ITER;
    • ITER, DEMO e PROTO, progetti successivi dell’Unione Europea.
    • IGNITOR progetto italiano dell’ENEA

Centrale nucleare a fusione

Le centrali a fusione nucleare si baseranno su un principio differente: anziché scindere atomi pesanti mediante bombardamento con neutroni come avviene nella fissione, la fusione implica invece l’unione di due atomi leggeri, generalmente trizio e deuterio, ottenendo dal processo una enorme quantità di energia termica, un nuovo nucleo più grande (quale l’elio) e nucleoni. 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 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, un cinquemillesimo dell’idrogeno in natura, ma può essere convenientemente ottenuto tramite elettrolisi dall’acqua pesante. Il trizio, al contrario, essendo radioattivo ed avendo una vita media molto breve, non è presente sulla terra; 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 trizio, 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.

Il problema delle scorie derivanti dall’attivazione neutronica di parti degli edifici del reattore, è minimo: i tempi di decadimento della radioattività indotta nei suddetti materiali sono comparabili con i tempi di vita delle centrali stesse. E benché le quantità di materiale attivato possano essere considerevoli, il problema del loro stoccaggio è enormemente più semplificato rispetto al caso delle centrali a fissione. Comunque sia, i risultati nel campo della ricerca di materiali a bassa attivazione, sono incoraggianti.

Written by sistemielettorali

2 dicembre 2009 a 14:35

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