Reattore PWR da 1300 MWE così abbiamo il combustibile, un bel po’ di Ossido di Uranio, nel quale abbiamo mescolato U238 e U235. Quest’ultimo a dire il vero è pochino, la sua concentrazione non raggiunge l’1% e quindi dovremo fare in modo di aggiungerne un po’. In altre parole dovremo arricchire il combustibile.
Immaginiamo di avere fatto tutto questo. Adesso, per produrre la nostra energia elettrica ci basta costruire una centrale nucleare. A sentire i rappresentanti del nostro governo dev’essere una passeggiata o quasi.
Vediamo un po’ come stanno le cose.
Storicamente, le prime sperimentazioni sono avvenute negli USA subito dopo la guerra: il 20 dicembre 1951 si ebbe la prima produzione di elettricità da parte di un reattore, che nel 1955 ebbe anche la prima parziale fusione del nocciolo e quindi il primo incidente nucleare. Ma la prima centrale vera e propria venne costruita in Unione Sovietica, nel 1954 a Obninsk: produceva circa 5 MW di potenza. Per avere un termine di paragone, la vecchia centrale di Caorso aveva una potenza di circa 850 MW. Erano anni in cui l’atomo (come allora si chiamava “il nucleare”) lasciava intravvedere prospettive davvero straordinarie se il presidente della Atomic Energy Commission statunitense, Lewis Strauss, in un convegno di scrittori scientifici sostenne: "Non è troppo aspettarsi che i nostri figli usufruiranno nelle loro case di energia elettrica troppo economica per poter essere misurata". Non sappiamo se egli fosse solo troppo ottimista o un inguaribile ingenuo.
Oggi ci sono 439 reattori funzionanti nel mondo: 104 negli USA, 58 in Francia, 53 in Giappone.
Il primo passo verso la realizzazione di un impianto nucleare è scegliere la sua ubicazione. Già, perché non è che possiamo installarla dove ci pare: occorre evitare le zone sismiche (nell’ultimo anno in Giappone hanno avuto problemi seri con alcune centrali per questo motivo e il caso più recente è di poche settimane fa): solo un ingenuo può pensare a L’Aquila o al Belice o al Friuli.
Inoltre serve che ci sia dell’acqua intorno: tanta acqua!
Dunque la “location” (come si dice oggi) ideale è vicino ad un fiume o sulle sponde di un lago o in riva al mare. Un posto perfetto sarebbe Caorso (di nuovo!) o il Delta del Po magari a Porto Tolle dove già il parco naturale è messo a durissima prova da mille attentati inquinatori.
Nonostante siamo abituati ad associare il termine “bruciare” alla combustione e al fuoco, possiamo dire che anche nella centrale nucleare viene bruciato del carburante (l’Uranio) e per questo serve un “fornello” esattamente come in ogni altra centrale tradizionale, dove a bruciare sono il gas, il petrolio, il carbone.
Nella centrale nucleare esiste un reattore, cioè un insieme di apparecchiature in grado di trasformare l’energia nucleare in elettricità. Ogni centrale può avere più reattori (ad esempio i 19 siti francesi contano 58 reattori). Nel reattore c’è il nostro fornello, che si chiama nocciolo e ne è il cuore, la parte sicuramente più delicata.
Chiunque abbia seguito il dibattito sul nucleare sa che ci sono varie “generazioni” di reattori. Sono tre: la prima è costituita dai primi reattori costruiti dopo la guerra, la seconda è rappresentata dalla quasi totalità di quelli oggi esistenti e funzionanti nel mondo. La terza generazione rappresenta una evoluzione dei primi due, senza che siano state tuttavia apportate modifiche sostanziali sui principi di funzionamento. Ciò significa che migliorie, ad esempio, nell’uso degli attuali sistemi di refrigerazione-moderazione non ce ne sono state. Il risultato è che il parco di reattori oggi funzionante è vecchio, ancorché si parli di terza generazione come qualcosa di assolutamente innovativo: è una bugia.
I reattori di quarta generazione, semplicemente non esistono; su questo tema non vorrei tornare, almeno fino a quando uno di questi reattori (in fase iniziale di sperimentazione) non si presenti al pubblico dicendo “sono in grado di accendere la vostra lampadina”.
La terza generazione ha invece portato migliorie alla centrale, fornendo un aumentato isolamento del reattore, con materiali più sicuri e duraturi. Ha inoltre semplificato il complesso insieme di sistemi riducendoli di numero per diminuire anche le probabilità di incidente. Gli ultimi reattori di III generazione sono gli EPR (European Pressurized Reactor); in costruzione ce ne sono soltanto due: uno in Finlandia a Olkiluoto e l’altro in Francia a Flamanville. Il primo ha sforato ogni budget di spesa e di tempo e le previsioni per la sua entrata in funzione continuano ad allungarsi. Questo è il tipo di reattore che il nostro governo vorrebbe per l’Italia.
C’è da sottolineare che l’aumento delle protezioni e della sicurezza dev’essere pagato. Ciò spinge ad aumentare la potenza erogata dal reattore fino a 1600 MW (contro i 1000 tradizionali) in modo da concentrare nella stessa struttura quanta più potenza possibile. L’energia elettrica prodotta dal reattore di Olkiluoto costerà al cittadino il doppio di quella prodotta da un “normale” reattore di terza generazione, progettato e costruito con ampio uso di prefabbricati. Il preventivo per il reattore finlandese, costruito dalla multinazionale francese Areva, era di tre miliardi e mezzo di euro, che però sono già aumentati considerevolmente almeno del 50%. (fonte)
All’interno di ogni generazione ci sono numerosi e differenti tipi di reattore. Non ne parlerò qui, perché voglio fissare l’attenzione solo sul nocciolo, sul suo funzionamento generale e sulla sua protezione. Mi riprometto però di tornare sull’argomento in un articolo successivo.
Il “nucleare” è, nell’immaginario collettivo, l’estrema sintesi della scienza più avanzata. E tuttavia a produrre energia non è una strana macchina che starebbe bene in una puntata di Star Trek, ma una comunissima turbina a vapore collegata ad un alternatore. Si tratta, in termini semplici semplici, di un insieme di matasse di filo elettrico (ad es. di rame) che ruotano dentro un campo magnetico e producono corrente elettrica.
Chi fa girare questa turbina?"
E’ un po’ quello che succede (o succedeva perché anche qui le cose cambiano in fretta) con la dinamo della bicicletta: se pedalo faccio girare le ruote, queste fanno girare la dinamo e la lampadina del fanale si accende. Nelle turbine delle centrali convenzionali si utilizza del vapore sotto pressione prodotto dalla combustione di carbone, petrolio o gas per far girare la turbina; nelle centrali idroelettriche si usa invece l’acqua proveniente dal bacino che si trova lassù e che guadagna velocità arrivando a valle dove viene costruita la centrale.
Nelle centrali nucleari si usa l’energia termica prodotta dalla reazione di fissione per scaldare una grande quantità di acqua, trasformarla in vapore, incanalarlo opportunamente per poi far girare la turbina.
C’è un dato importante di cui tenere conto: il rendimento della centrale. Non è molto alto. Se consideriamo una centrale media da 1000 MW la quantità di energia termica trasformata in energia elettrica è all’incirca del 35%, molto meno di quella ottenuta (tanto per fare un esempio) da una centrale a ciclo combinato a metano, che supera il 55%.
Questo significa che resta un 65% di energia termica da smaltire in qualche modo. Come? Cerchiamo di capirlo con un esempio semplice.
Quando guidiamo un’automobile usiamo una macchina termica, il motore a scoppio, che trasforma l’energia chimica della benzina (o del gas o del gasolio) in energia di movimento. Lo fa attraverso un ciclo termodinamico, che non ha niente a che vedere con il funzionamento di un reattore nucleare, ma i due hanno qualcosa in comune. Anche il motore a scoppio della nostra automobile ha un rendimento termodinamico, nel senso che produce energia meccanica nella misura del 25% (quando va bene) e disperde il restante 75% nell’ambiente circostante sotto forma di calore. Ce ne rendiamo conto semplicemente aprendo il cofano dopo una corsa in macchina e constatando quanto calde siano le parti coinvolte, oppure aprendo le bocchette che collegano il vano motore con l’abitacolo e osservando che entra aria calda. Si tratta appunto di una parte di quel 75% di energia “perduta”. Ma questo lo facciamo solo d’inverno. Nel restante periodo dell’anno quell’aria calda non riscalda le nostre ossa, ma l’atmosfera.
Dal momento che non è affatto saggio lasciare che le parti del motore si scaldino troppo, vengono utilizzati dei metodi per smaltire il calore e inviarlo verso l’esterno. In generale si usa un liquido refrigerante particolare (acqua più antigelo) che passa attraverso tubicini e intercapedini apposite che avvolgono le parti più delicate del motore (ad es. la testata). Alla fine del proprio giro il liquido, riscaldato per aver portato via al motore parte del calore, finisce in un contenitore chiamato radiatore. Qui si raffredda a contatto con l’aria e il calore viene espulso verso l’esterno, aiutato da una ventilazione forzata ottenuta con una ventola. Il circuito di raffreddamento è chiuso e le perdite di liquido refrigerante abbastanza rare. Pertanto non si deve pescare continuamente da una fonte esterna mentre si cammina: ogni tanto serve fare un rabbocco.
Nelle centrali nucleari il calore prodotto dalla reazione di fissione è enormemente più grande. Pertanto occorre provvedere al raffreddamento in modo diverso. Lo vedremo tra breve.
Ma torniamo al nostro reattore e cerchiamo di capire come funzionano le cose là dentro. Dov’è il combustibile? Come si regolano le reazioni nucleari? Chi trasforma l’energia?
L’uranio si trova in pastiglie cilindriche da 1,5 cm circa di diametro e altezza, “infilate” in contenitori metallici, chiamati “barre” e realizzati in lega di zirconio(1), lunghe grossomodo 4 m. Si prendono circa 300 di queste barre e si realizza un modulo per il reattore. Quanti moduli servano dipende dal tipo di reattore che si utilizza, ma sono sempre dell’ordine di qualche centinaia, diciamo mediamente 300. Ciò significa che il nocciolo si compone di decine di migliaia di barre.
Se si lasciassero così le cose, sarebbe un guaio grosso poiché i neutroni prodotti da ogni fissione nucleare innescherebbero una reazione a catena che farebbe saltare tutto per aria. E’ allora necessario predisporre del materiale in grado di assorbire una parte di questi neutroni affinché la reazione sia tenuta sotto controllo. Il materiale impiegato è solitamente Argento arricchito di Cadmio e Indio. La proprietà di queste barre di controllo è quella di assorbire neutroni senza rilasciarne. Quando il numero di particelle prodotte dalla fissione è statisticamente uguale a quello assorbito si raggiunge il punto di criticità e l’impianto può iniziare il suo lavoro.
Ci sono poi ancora altre barre che possono essere estratte parzialmente o inserite più a fondo. Queste servono per regolare la potenza del reattore. In caso di incidente è qui che si agisce per fermare tutto.
Infine ci sono i neutroni che devono fissionare l’U235. Se questi sono troppo “veloci” il tempo della loro permanenza nel nucleo è troppo breve per provocare la reazione. Occorre quindi un mezzo in grado di rallentarli o, come si dice, di moderarli. Nei primi reattori veniva usata della grafite, in quasi tutti quelli attuali si utilizza l’acqua, in alcuni tuttavia viene impiegata dell’acqua pesante (2) (ad es. nel CANDU, CANadian Deuterium Uranium un tipo di reattore ampiamente diffuso in Canada).
Manca solo l’ultimo anello: il mezzo che deve portarsi via il calore in eccesso, il quale produrrà il vapore sotto pressione per far girare la turbina. Si tratta, come già detto, del fluido refrigerante, solitamente acqua prelevata dalle sorgenti esterne (fiumi, laghi, mare). La quantità d’acqua necessaria è considerevole e a volte insufficiente per il suo scopo. In questi casi bisogna usare del sodio liquido per aumentare l’efficienza del raffreddamento (e notevolmente anche i costi di produzione).
Centrale di Three Mile IslandTutto questo po’ po’ di roba non può stare a cielo aperto; va messa in una custodia sicura. Il nocciolo della centrale di seconda generazione di Three Mile Island (che si trova in Pennsylvania, USA, ed è tristemente famosa per il grave incidente del 1979 - vedi foto) contiene 100 tonnellate di combustibile, racchiuse in un enorme cilindro d’acciaio di 4 metri di diametro e 10 di altezza; esso è “immerso” in un pozzo di calcestruzzo e altro acciaio. La parete interna del cilindro dev’essere tale da riflettere i neutroni che “scappano” alla fissione e all’assorbimento. Questo perché gli atomi dell’acciaio colpiti si disallineano avendo come effetto una perdita di elasticità del materiale, che diventa così più fragile.
Quello che noi vediamo dall’esterno è una grande cupola di cemento, che “protegge” l’ambiente dalla radioattività prodotta al suo interno. La speranza è che regga; se dovesse cedere, bisognerebbe aspettare che il livello di radioattività degli atomi presenti nel cemento ridiscenda a livelli sufficientemente bassi per permettere agli operai di lavorare. Questo tempo d''attesa non è mai inferiore a 50 anni!
Ma nemmeno questo è sufficiente: dev’essere a tenuta stagna (rispetto alle radiazioni), per questo è attraversato da cavi d’acciaio che lo tengano il più teso possibile. Ma questi cavi col passare del tempo tendono a distendersi indebolendo la compressione del cemento.
Insomma qua non è come recita una nota pubblicità: una centrale nucleare non è per sempre; prima o poi (30 anni può essere un valore “medio”) vanno smantellate ed (eventualmente, ma speriamo di no) ricostruite. Questa fase è quella più costosa e quella che produce più scorie.
Ci sono molte altre questioni in sospeso: l’acqua serve, ma quanta acqua?
I reattori sono di diversi tipi: quali? E che differenze ci sono tra di essi?
Cosa sono le scorie prodotte e dove vanno a finire?
Come si fa a smantellare una centrale?
Ne parleremo nelle prossime puntate.

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(1) Zirconio (Zr) elemento chimico di numero atomico 40. Le leghe metalliche di zirconio sono prin-cipalmente impiegate negli impianti nucleari sia per la bassa sezione di assorbimento per i neutroni, sia come rivestimento del combustibile nucleare che nelle strutture di sostegno del nocciolo, sia per la loro resistenza alla corrosione in acqua. (da Wikipedia)
(2) L’acqua pesante è acqua che sostituisce ai due atomi di Idrogeno, due atomi di Deuterio. Il deuterio è un isotopo dell’idrogeno. Nel suo nucleo oltre al protone è presente anche un neutrone. Da qui l’aggettivo “pesante”.