Scientifico!
Oggi, con il prezzo del metano e dell’energia che schizzato alle stelle, sentiamo sempre più spesso parlare dell’opzione del nucleare, ma in che cosa consiste l’energia nucleare?
In questo articolo vorrei spiegarvi che cos’è l’energia nucleare e come può essere sfruttata dall’uomo attraverso le centrali nucleari in tre punti:
- la storia;
- come funziona una centrale nucleare;
- quali conseguenze può avere.
1.La storia
L’energia nucleare, come l’energia elettrica, era già presente in natura e l’uomo non l’ha inventata , ma ha imparato a controllarla. Infatti nelle tre miniere di Oklo in Gabon , l’unico esempio noto, 1,7 miliardi di anni fa si innescò la prima reazione nucleare. Ciò poté avvenire grazie alla presenza di una grande quantità di Uranio-235 (²³⁵U o uranio arricchito) che all’epoca si pensa che ammontasse a circa il 3% del materiale presente nella miniera, alla presenza di una grande quantità di acqua che funzionò sia da liquido refrigerante sia da moderatore dei neutroni (oggi nelle centrali nucleari delle barre di grafite svolgono quest’ultimo compito). La reazione continuò per centinaia di migliaia di anni, con una potenza di 100 kW termici (la potenza media di una centrale nucleare moderna è tra i 600 MW e i 1600W, 1000 di più rispetto al reattore nucleare naturale).
La prima reazione nucleare artificiale avvenne nel 1932, quando i fisici Ernest Walton e John Cockcroft riuscirono, accelerando dei protoni e facendoli “scontrare” contro un atomo di litio (⁷Li), a separarlo in due atomi di elio. Due anni più tardi la chimica Ida Noddack fu la prima a ipotizzare come avvenisse la reazione a catena della fissione nucleare. Sempre nello stesso anno Otto Frisch e Lisa Meitner crearono i primi fondamenti della teoria. Il 22 ottobre 1934 Enrico Fermi e la sua équipe composta da Ettore Majorana, Emilio Segrè, Oscar D’Agostino, , Bruno Pontecorvo, Franco Rasetti e da Edoardo Amaldi (altrimenti detti “I Ragazzi di Via Panisperna”) fecero la prima reazione nucleare su un atomo di uranio. Il gruppo però non intuì che l’atomo si divise in due , ma credettero che l’atomo creò due elementi transuranici.
Nella notte a cavallo tra il 17 e il 18 dicembre 1938, quattro anni più tardi la scoperta di Fermi, il chimico nucleare tedesco Otto Hahn e il suo aiutante Fritz Strassmann dimostrarono sperimentalmente che se un atomo di uranio assorbe un neutrone, si separa in due o più atomi frammenti, dando origine alla fissione del nucleo. Inizia così per i chimici e i fisici inizia una “corsa” che porterà alla costruzione del primo reattore nucleare, il Chicago Pile-1 (creato da Fermi a Chicago) nel 1941 e alla prima bomba nucleare che esplose nel poligono militare di Alamogordo il 16 luglio 1945 (poco meno di un mese dopo venne lanciato il Little Boy che distrusse la città di Hiroshima).
2. Come funziona una centrale nucleare
La fissione nucleare.
Durante il processo di fissione nucleare un atomo di uranio arricchito (²³⁵U) o di plutonio (²³⁹Pu) viene “bombardato” da un neutrone e si “rompe” in due elementi più leggeri, il kripton e il bario. Durante questa reazione tre neutroni “saltano” va. Uno di questi verrà assorbito da un atomo di uranio-238 che si bilancerà; un altro neutrone verrà assorbito e non continuerà la reazione o riesce ad uscire dal sistema. Il terzo neutrone invece, andrà a colpire un altro atomo di uranio-235 e la reazione ricomincia. Durante la separazione dei tre neutroni viene sprigionata una grande quantità di energia. Infatti, se si prova a misurare la massa dell’uranio a fine del processo di fissione, ci si accorgerà che la massa dell’uranio alla fine del processo sarà minore a quella della massa di partenza. Quella differenza tra le due masse è la quantità di energia sprigionata e si può calcolare grazie alla formula E=mc² elaborata da Albert Einstein nel 1905. Questa formula non vale solo per l’energia nucleare, ma anche per le altre forme di energia.
Il funzionamento di una centrale nucleare.
Le centrali nucleari rientrano nella categoria delle centrali termiche, centrali che sfruttano il calore prodotto da diverse fonti come il petrolio, il gas o l’uranio per creare vapore ad alta temperatura e pressione che serve per far girare una turbina.
Una centrale nucleare si può dividere principalmente in tre parti importanti, il reattore nucleare, la sala delle turbine e la torre di raffreddamento.
All’interno del reattore nucleare sono presenti un nocciolo, una sala di controllo e uno scambiatore di calore.
Il nocciolo è la sezione dove avviene la reazione di fissione e contiene al suo interno delle barre di ²³⁵U e delle barre di controllo in grafite che vanno a bilanciare la reazione assorbendo alcuni neutroni. Il nocciolo è immerso nella cosiddetta “piscina nucleare” che ha la funzione di raffreddare il nocciolo.
La sala di controllo, come si può intuire, è la sala dove sono presenti i comandi di tutta la centrale. È piombata per evitare che le radiazioni entrino al suo interno e siano fonte di rischio per gli operatori, ma sempre più spesso si trova fuori dal reattore. Qui lavorano dei tecnici specializzati che monitorano costantemente i valori (pressione dell’acqua, temperatura interna del nocciolo…) e le condizioni del reattore. Normalmente ci sono dei computer specializzati che svolgono questo compito, ma è sempre necessaria la figura umana per evitare pericolose situazioni come le avarie. I tecnici non hanno molti metodi per controllare la reazione all’interno del nocciolo se non attraverso le barre di controllo. In caso di avarie delle barre di controllo o di altre parti del nocciolo è presente un team specializzato che effettua le riparazioni il più velocemente possibile anche se sottoposti a livelli altissimi di radiazioni.
Nello scambiatore di calore, grazie al calore del nocciolo, invece viene a formarsi il vapore ad alta pressione (circa 7 atm) e ad altissima temperatura, la temperatura del vapore infatti varia dai 288°C ai 325°C a seconda del tipo di centrale. Il vapore viene quindi incanalato verso una speciale turbina a vapore che sfrutta tutta l’energia del vapore per ruotare su sé stessa e azionare un alternatore.
L’energia elettrica prodotta dall’alternatore avrebbe un voltaggio troppo alto per essere inserita nella rete pubblica, infatti neanche i cavi per l’alta tensione sarebbero abbastanza resistenti per resistere al sovraccarico. Per evitare il collasso delle linee elettriche c’è un trasformatore che ne abbassa il voltaggio e che permette di non danneggiare le linee pubbliche.
Il vapore in uscita dalla turbina è a una temperatura troppo elevata per il essere reinserito nello scambiatore di calore all’interno del nocciolo e per questo viene raffreddamento da un altro scambiatore di calore nel quale passa un flusso continuo di acqua fredda. Quest’acqua dopo diversi cicli di raffreddamento si riscalda e per questo viene inviata verso la torre di raffreddamento, dove si può vedere l’uscita del vapore. C’è da chiarire subito che l’acqua all’interno dei moderni reattori nucleari è inserita in un circuito chiuso e che quindi non può entrare in contatto con l’esterno. Nelle centrali più vecchie, soprattutto nell’Est Europa e in Asia, non sono presenti torri di raffreddamento ma bensì dei bacini esterni che spesso sono in comunicazione con i corsi d’acqua.
3. I pro e i contro
L’energia nucleare rientra tra le forme di energia non rinnovabili anche se nell’ultimo periodo sono state sviluppate centrali nucleari autofertilizzanti ed è una delle poche fonti di energia che inquinano di meno. Infatti l’energia nucleare non produce molte emissioni di gas serra se non una piccola quantità di vapore acqueo.
Una centrale nucleare di per sé non presenta un rischio per gli abitanti e per la natura se tenuta correttamente, ma se ciò non accadesse presenterebbe un grosso rischio per ciò che la circonda (per esempio la centrale di Chernobyl).
Ritornando alle emissioni è vero che non produce gas serra, ma d’altra parte presenta un problema non da poco, la produzione di scorie radioattive al termine del processo di fissione nucleare che devono essere spartite. In genere le scorie vengono inserite in dei bidoni, cementate e poi portate in dei luoghi di stoccaggio che possono essere dei capannoni appositi, delle miniere abbandonate o dentro delle specie di magazzini in cemento armato sotto il suolo. Il grosso problema delle scorie è che ci mettono migliaia di anni per diminuire la loro radioattività e che con il passare degli anni i bidoni in ferro si degradano. Se poi si trovano nei magazzini sotterranei c’è il rischio delle infiltrazioni che si contaminerebbero per poi finire nelle falde acquifere.
Un esempio sono le scorie radioattive con un volume pari a 60 edifici che sono state immagazzinate in una miniera di sale 500 metri di profondità in Germania negli anni ’60 e ’70 che hanno contaminato le acque circostanti con cesio, stronzio e plutonio.
Francesco Savio, 1ASA