Centrale nucleare
Le centrali nucleari sono sostanzialmente delle centrali termoelettriche che utilizzano uno o più reattori nucleari a fissione; la differenza sostanziale sta nel processo che viene utilizzato per fornire calore e formare il vapore da inviare alle turbine.
Inoltre il termine potrebbe riferirsi anche a un centrale a fusione nucleare, tuttavia la ricerca in questo campo è ancora molto incompleta e sono stati ottenuti solo degli abbozzi di fusione controllata. L'opinione degli esperti del settore è che non verranno costruite centrali a fusione prima del 2050.
Al 2005 vi erano 443 centrali nucleari nel mondo [1], e di queste 443 erano operative in 31 diversi stati [2]. La potenza degli impianti varia da un minimo di 40MW fino a più di un Gigawatt (1000MW), le centrali costruite nel ventunesimo secolo hanno tipicamente potenza compresa tra i 600MW e i 1200MW. Attualmente queste producono il 17% dell'energia elettrica mondiale.
Centrale nucleare a fissione
Vantaggi
Le centrali nucleari a fissione producono una quantità di energia molto elevata e possono raggiungere potenze dell'ordine del GW al pari delle grandi centrali termoelettriche e di fatto rappresentano oggi l'unica reale alternativa ad esse in termini di quantità di energia prodotta. I costi di costruzione di una centrale nucleare sono notroriamente molto maggiori di una centrale tradizionale a causa delle misure di sicurezza da adottare, ma una volta costruita, secondo alcuni, produce energia a costi competitivi. Inoltre, in passato il costo dell'uranio era piuttosto stabile. Oggi questo non è più vero, tanto che negli ultimissimi anni tale costo è aumentato di oltre il 1000% (cioè decuplicato) [2] secondo logiche economiche e speculative che non hanno eguali neanche nel comparto petrolifero. Le centrali nucleari, a differenza delle termoelettriche, non hanno emissione di fumi perché non sfruttano un principio di combustione e non provocano quindi nessun inquinamento atmosferico, ad eccezione del vapore acqueo proveniente dalle torri di raffreddamento dell'acqua di condensazione, che comunque si condensa in poco tempo.
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 (ad esempio i reattori BWR) invece questa separazione non c'è.
Svantaggi
Gli svantaggi maggiori di una centrale nucleare sono il combustibile nucleare residuo, le famose scorie radioattive; 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 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[3].
Sicurezza
Durante l'esercizio, la centrale rilascia nell'ambiente una quantità di radiazioni molto bassa: circa 7 μSv/anno, a fronte di una radioattività naturale (per la maggior parte di origine cosmica e solare) che varia dai 700 ai 1000 μSv/anno a seconda dell'altitudine e della geologia del territorio considerato.
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 sicuri 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 i possibili problemi.
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 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 [4].
Centrale nucleare a fusione
La centrale a fusione nucleare si basa su un principio differente: quello della fusione di due atomi leggeri, generalmente trizio e deuterio ottenendo dal processo una enorme quantità di energia. È lo stesso processo utilizzato dal Sole e nelle bombe termonucleari. Questo tipo di centrali 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, anche superiori rispetto alle centrali a fissione odierne.
Esistono vari mecanismi 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[5]. 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.
Voci correlate
Note
- ^ Per un dossier sugli incidenti di Civaux, si veda http://stopcivaux.free.fr/civaux/
- ^ Dati finanziari tratti da http://www.cameco.com/investor_relations/ux_history/historical_ux.php
- ^ (EN) approfondimento sulle centrali al torio da American Scientist
- ^ In inglese: http://www.ccnr.org/browns_ferry.html e http://en.wikipedia.org/wiki/Brown's_Ferry
- ^ Energia da Fusione (PDF)
