Energia nucleare

Energia nucleare

Il sole e le stelle sono apparentemente fonti inesauribili di energia. La loro energia è il risultato di reazioni nucleari, in cui la materia viene convertita in energia. Oggi siamo in grado di sfruttare tale meccanismo ed usarlo regolarmente per generare energia. Attualmente, l’energia nucleare fornisce circa il 16% dell’elettricità mondiale (quasi tremila terawatt/ora). A differenza delle stelle, i reattori nucleari che abbiamo oggi lavorano sul principio della fissione nucleare. Gli scienziati stanno lavorando negli ultimi anni per realizzare i reattori a fusione che hanno il potenziale di fornire più energia con meno svantaggi dei reattori a fissione, il principale dei quali sono le scorie radioattive.

I cambiamenti possono verificarsi nella struttura dei nuclei degli atomi. Questi cambiamenti sono chiamati reazioni nucleari. L’energia creata in una reazione nucleare si chiama energia nucleare o energia atomica. L’energia nucleare è prodotta artificialmente dall’uomo in operazioni sotto il controllo umano, ma può essere prodotta naturalmente, come quella del sole. Ma in questo caso non è gestibile.

L’energia nucleare può essere artificiale quando provocata da macchine chiamate reattori nucleari, inseriti nelle più ampie centrali nucleari, in grado di fornire energia elettrica a molte città. Le reazioni nucleari artificiali si verificano anche nei casi delle bombe atomiche e bombe all’idrogeno. L’energia nucleare è prodotta in due modi diversi: in uno, nuclei di grandi dimensioni sono suddivisi per liberare energia, nell’altro piccoli nuclei sono uniti per il rilascio di energia.

Nella fissione nucleare i nuclei degli atomi sono suddivisi, producendo energia che viene rilasciata. La bomba atomica e i reattori nucleari funzionano con la fissione. L’uranio è il principale combustibile utilizzato per effettuare la fissione nucleare per produrre energia dal momento che ha molte proprietà favorevoli. L’altro combustibile più utilizzato è il plutonio, ma è più costoso e più raro. I nuclei di uranio possono essere facilmente suddivisi in neutroni. Inoltre, una volta che un nucleo di uranio viene diviso, più neutroni sono rilasciati per dividere gli altri nuclei dell’uranio. Questo fenomeno è noto come reazione a catena.

Nella fusione nucleare, i nuclei degli atomi sono uniti, o fusi. Questo avviene solo in condizioni molto calde. Il sole, come tutte le altre stelle, genera calore e luce attraverso la fusione nucleare. Nel sole, i nuclei di idrogeno si fondono per produrre l’elio. L’arma più potente e distruttiva che l’umanità abbia mai progettato è la bomba all’idrogeno, opera di fusione. Il calore necessario per avviare la reazione di fusione è così grande che una bomba atomica viene usata per fornirla. I nuclei di idrogeno si fondono per formare elio e nel processo rilasciano enormi quantità di energia producendo così una enorme esplosione.

Un sistema di raffreddamento rimuove il calore dal nucleo del reattore e lo trasporta in un’altra area dello stabilimento, dove l’energia termica può essere sfruttata per produrre elettricità. In genere il liquido refrigerante caldo sarà utilizzato come fonte di calore per una caldaia, e il vapore pressurizzato dalla caldaia darà energia ad una o più turbine a vapore che alimenteranno generatori elettrici. Ci sono molti progetti di reattori differenti, utilizzando diversi combustibili e liquidi di raffreddamento e che incorporano sistemi di controllo differenti. Il metodo più utilizzato resta comunque l’acqua, e così ogni centrale ha un enorme bisogno di acqua dolce che dev’essere sempre immediatamente disponibile. Per questo motivo le centrali nucleari di solito sono costruite a ridosso dei fiumi.

Alla fine del processo si produce un flusso di rifiuti che rappresenta il problema più importante per le centrali nucleari. Esso è composto principalmente da uranio non convertito e significative quantità di attinidi transuranici (plutonio e curio, per lo più). Inoltre, circa il 3% di esso è prodotto dalla fissione di reazioni nucleari. Gli attinidi (uranio, plutonio, e curio) sono responsabili della maggior parte della radioattività a lungo termine, mentre i prodotti di fissione sono responsabili della maggior parte della radioattività a breve termine.

Dopo circa il 5% di reazione di una barra di combustibile nucleare all’interno di un reattore nucleare, essa non è più in grado di essere utilizzata come carburante (a causa della formazione dei prodotti di fissione). Oggi, gli scienziati stanno sperimentando metodi per riciclare queste barre in modo da ridurre i rifiuti e utilizzare i rimanenti attinidi come combustibile, ma per anni hanno rappresentato un enorme problema perché diventavano a tutti gli effetti dei rifiuti. Un tipico reattore da 1000 MW produce circa 20 metri cubi (circa 27 tonnellate) di combustibile nucleare esaurito ogni anno (ma solo 3 metri cubi di volume sono vetrificati se ritrattati). Tutto il combustibile esaurito prodotto ad oggi da tutti gli impianti di energia nucleare commerciale nei soli Stati Uniti coprirebbe un campo di calcio della profondità di circa un metro.

Il combustibile nucleare esaurito è inizialmente molto radioattivo e quindi deve essere maneggiato con grande cura. La sua carica radioattiva si riduce in migliaia di anni. Dopo 40 anni, il flusso di radiazione è del 99,9% inferiore a quello che era il momento in cui il combustibile nucleare esaurito è stato rimosso dal servizio, anche se è ancora pericolosamente radioattivo in quel momento. Solo dopo 10.000 anni di decadimento radioattivo, il combustibile nucleare esaurito non sarà più una minaccia per la salute e la sicurezza pubblica.

Appena estratte, le barre di combustibile esaurite sono stoccate in bacini protetti d’acqua che di solito si trovano sul posto. L’acqua li raffredda e, dopo un periodo di tempo (in genere cinque anni per gli impianti negli Stati Uniti), il combustibile meno radioattivo viene spostato in un impianto di stoccaggio a secco o in un deposito sicuro, in cui è accumulato in contenitori di acciaio e calcestruzzo. La maggior parte dei rifiuti si conservano presso il sito nucleare dove vengono generati, ma i metodi di smaltimento idonei permanenti sono sempre discutibili. Negli Usa ad esempio il deposito designato per 50 mila tonnellate di immondizia nucleare era l’interno della montagna Yucca, ma dopo numerose proteste l’idea è stata accantonata.

La quantità di rifiuti ad alto livello può essere ridotta in vari modi, in particolare con il ritrattamento nucleare. Anche così, i rifiuti residui rimarranno sostanzialmente radioattivi per almeno 300 anni, anche se gli attinidi vengono rimossi; e fino a migliaia di anni se gli attinidi vengono lasciati al loro posto. Anche con la separazione di tutti gli attinidi, e usando veloci reattori autofertilizzanti, i rifiuti non possono venire in contatto con l’ambiente per alcune centinaia di anni.

Ma l’industria nucleare produce anche un enorme volume di rifiuti radioattivi di basso livello in forma di oggetti contaminati come i vestiti, utensili, resine depuratrici di acqua, e (previa disattivazione) i materiali di cui è costruito il reattore stesso. Questi possono essere trattati come normali rifiuti in discarica, riciclati, ecc., anche se rimangono leggermente radioattivi per l’intera durata del loro ciclo di vita.

Nei Paesi in cui c’è l’energia nucleare, i rifiuti radioattivi sono meno dell’1% del totale dei rifiuti industriali tossici, molti dei quali sono pericolosi a tempo indeterminato. Nel complesso, l’energia nucleare produce materiale di scarto in molto minor volume rispetto alle centrali a combustibili fossili. L’unico metodo per ridurre le scorie nucleari oggi noto si chiama ritrattamento.

Il ritrattamento è potenzialmente in grado di recuperare fino al 95% del rimanente uranio e plutonio in combustibile nucleare esaurito, inserendolo in un nuovo combustibile ad ossidi misti. Questo produce una riduzione della radioattività a lungo termine all’interno del rifiuto residuo, trattandosi di prodotti di fissione in gran parte di breve durata, e riduce il suo volume di oltre il 90%. Il ritrattamento del combustibile civile dai reattori attualmente è fatto su larga scala solo in Gran Bretagna, Francia, Giappone e Russia, e presto sarà fatto in Cina e forse in India. La Francia è generalmente citata come il Paese con il maggior successo in questo ambito, ma oggi ricicla solo il 28% della massa ogni anno.

L’arricchimento dell’uranio produce molte tonnellate di uranio impoverito (DU) che consiste in U-238 con la maggior parte della fissione dell’isotopo U-235 rimosso. L’U-238 è un metallo duro con diversi usi commerciali, ad esempio, buono per la produzione di velivoli, schermate contro le radiazioni e protezioni, in quanto ha una densità maggiore di piombo. L’uranio impoverito viene anche usato in modo controverso per munizioni, proiettili all’uranio impoverito e altri scopi militari.

L’energia nucleare ha una storia piuttosto recente:

• 2 dicembre 1942: l’era nucleare inizia presso l’Università di Chicago, quando Enrico Fermi individua una reazione a catena in una pila di uranio;
• 6 agosto 1945: gli Stati Uniti sganciano una bomba atomica su Hiroshima, in Giappone, uccidendo oltre 100.000 persone;
• 9 Agosto 1945: gli Stati Uniti sganciano una bomba atomica su Nagasaki, in Giappone, uccidendo oltre 40.000 persone;
• 1 Novembre 1952: La prima versione della bomba all’idrogeno di grandi dimensioni (migliaia di volte più potente della bomba atomica) viene fatta esplodere dagli Stati Uniti per un test;
• 21 Febbraio 1956: La prima grande centrale elettrica nucleare viene aperta in Inghilterra.

Da allora una lunga serie di centrali nucleari si sono succedute nei vari Paesi mondiali, portando a versioni sempre nuove, alcune delle quali ancora in fase sperimentale.

L’energia nucleare non viene utilizzata soltanto per produrre energia elettrica o bombe, ma ha anche altre applicazioni, specialmente nel campo del trasporto militare. Tipici della Guerra Fredda furono i sottomarini nucleari, mentre oggi si calcola che circa 150 navi da guerra siano alimentate da questa forma di propulsione. Oltre ai sottomarini militari, le altre applicazioni sono:

• portaerei;
• navi civili di grandissime dimensioni, soprattutto rompighiaccio;
• Testate per le applicazioni spaziali;
• Razzi militari;
• Missili nucleari termici;
• Razzi a radioisotopi;
• Jet.

Anatolij Perminov, capo dell’agenzia spaziale russa RKA, ha annunciato che sta per sviluppare un veicolo spaziale a propulsione nucleare per i viaggi nello spazio profondo. Il progetto dovrebbe essere completato entro il 2012, dopo 9 anni di sviluppo, e costerà circa 430 milioni di euro.

Tornando al nucleare civile, sono gli Stati Uniti il Paese che produce la maggior quantità di energia elettrica con questa fonte, provvedendo a circa il 19% del proprio fabbisogno nazionale, mentre il Paese che più di tutti fa affidamento sul nucleare è la Francia che produce l’80% dell’elettricità in questo modo. Nell’Unione Europea il 30% del fabbisogno è coperto da quest’energia.

L’economia delle centrali nucleari è influenzata principalmente dall’elevato investimento iniziale necessario per costruire un impianto. Nel 2009, le stime per il costo di un nuovo stabilimento negli Stati Uniti variavano dai 6 ai 10 miliardi di dollari, ma le nuove centrali hanno un costo molto maggiore ed imprevedibile, visto quanto sta accadendo in Finlandia. E’ quindi più economico farle funzionare il più a lungo possibile o costruire blocchi di reattori aggiuntivi in impianti esistenti.

Vantaggi:

• La Terra ha limitate forniture di carbone e petrolio. Le centrali nucleari potrebbero ancora produrre energia elettrica dopo che gli altri combustibili fossili saranno diventati scarsi.
• Le centrali nucleari hanno bisogno di meno carburante rispetto a quelle che bruciano combustibili fossili. Una tonnellata di uranio produce più energia di quanto è prodotto da diversi milioni di tonnellate di carbone o da diversi milioni di barili di petrolio.
• Gli impianti a carbone e petrolio inquinano l’aria. Le centrali nucleari, senza falle e incidenti, non rilasciano sostanze contaminanti nell’ambiente, ad esclusione delle scorie.

Svantaggi:

• Tramite centrali nucleari è possibile costruire anche la bomba atomica. Siccome sono diverse le nazioni che attualmente ne sono in possesso, ci sono le potenzialità per distruggere il mondo. Le due nazioni più potenti – Russia e Stati Uniti – hanno circa 50.000 testate nucleari stimate complessivamente.
• Le esplosioni nucleari producono radiazioni. La radiazione nucleare danneggia le cellule del corpo che può far ammalare o addirittura uccidere chi ne è colpito. La malattia può colpire persone anche anni dopo la loro esposizione alle radiazioni nucleari, e non manifestare problemi direttamente in loro, ma far nascere i loro figli deformi.
• Un tipo di possibile catastrofe del reattore è conosciuta come fusione. In un simile incidente, la reazione di fissione va fuori controllo, portando ad una esplosione nucleare e all’emissione di grandi quantità di radiazioni.  Nel 1986 si ricorda il disastro peggiore che abbia mai coinvolto il nucleare. Si tratta della centrale russa di Chernobyl, in Ucraina. In questo incidente, una grande quantità di radiazioni fuggirono dal reattore. Centinaia di migliaia di persone furono esposte ad esse. Diverse decine di morti si contarono in pochi giorni, ma negli anni a venire furono migliaia le persone morte a causa di tumori indotti dalle radiazioni. Ancora oggi nessuno vive nella zona diventata ormai una città fantasma.
• I reattori nucleari hanno problemi di smaltimento dei rifiuti. Essi producono scorie nucleari che emettono radiazioni pericolose. Potrebbero uccidere chi li tocca, per questo non possono essere gettati via come la spazzatura ordinaria in quanto rimangono pericolosi per migliaia di anni.
• A dispetto degli altissimi costi di costruzione, i reattori nucleari hanno una durata di vita di circa quaranta a cinquanta anni.
• Le centrali nucleari si basano sul plutonio e l’uranio che sono combustibili fossili, e dunque non infiniti. Attualmente c’è molta confusione sull’argomento, tra chi dice che finiranno nel giro di poche decine di anni e chi sostiene che ci saranno ancora per centinaia di anni. Fatto sta che non è un’energia rinnovabile.

Per saperne di più:

• Centrale nucleare più grande del mondo
• Costo nucleare
• Incidenti nucleari
• Nave nucleare
• Nucleare in Italia
• Politica nucleare in Italia
• Proteste anti-nucleare
• Scienza e nucleare

[Fonti: Thinkquest; Wikipedia]