nucleare, industria

nucleare, industria

Insieme dei processi industriali finalizzati alla generazione di elettricità dall’uranio (fonte primaria) mediante fissione. Comprende, oltre alla filiera di costruzione e di esercizio delle centrali, l’intero ciclo di vita del combustibile nucleare: estrazione dell’uranio, processo di arricchimento, fabbricazione degli elementi di combustibile, eventuale riprocessamento del combustibile esausto per il recupero del materiale fissile residuo e trattamento dei rifiuti radioattivi.

Funzionamento di un reattore nucleare

L’attività di un reattore n. è basata sulla fissione controllata di nuclei di uranio e di plutonio. Come nelle centrali termoelettriche, il calore prodotto dalle fissioni è trasformato in vapore che, azionando un gruppo turbina-alternatore, genera elettricità. L’uranio è il più pesante dei 92 elementi presenti in natura ed è un metallo distribuito diffusamente nella crosta terrestre. Sebbene sia un elemento relativamente abbondante, costituisce una fonte primaria non rinnovabile. In natura è presente in una miscela di isotopi composta per il 99,3% da U-238 (238=92 protoni+146 neutroni) e per lo 0,7% da U-235 (235=92 protoni+143 neutroni). L’U-235, a differenza dell’U-238, è fissile: a seguito della cattura di un neutrone, il nucleo di U-235 ha un’elevata probabilità di scindersi in due frammenti più leggeri, emettendo un numero variabile di neutroni (da 2 a 3) e rilasciando una grande quantità di energia sotto forma di calore. I neutroni, se catturati da altri nuclei di U-235, producono nuove fissioni, innescando, sotto opportune condizioni, una reazione a catena. Parte dell’energia proviene dalla fissione del plutonio (Pu-239), un elemento che non esiste in natura, ma che è prodotto all’interno del reattore a seguito della cattura di un neutrone da parte di un nucleo di U-238 (per questo detto nucleo fertile).

Struttura di un reattore

In un reattore n. è possibile distinguere alcuni componenti principali. Gli elementi di combustibile, costituiti da pastiglie di ossido di uranio disposte in tubi metallici a base di leghe speciali (zircaloy), formano il nocciolo del reattore. Il moderatore, generalmente acqua leggera ma anche acqua pesante o grafite, rallenta i neutroni di fissione in modo che possano sostenere più efficacemente la reazione a catena. Le barre di controllo, composte di materiali idonei ad assorbire neutroni, hanno lo scopo di controllare ed eventualmente arrestare la reazione. Il fluido termovettore circola nel nocciolo e raffredda il reattore, recuperando il calore prodotto dalle fissioni. Il recipiente in pressione (vessel) contiene il nocciolo, le barre di controllo e il fluido termovettore. Il contenitore esterno, in cui è alloggiato il vessel, garantisce il contenimento della radioattività in caso di incidente e l’integrità del reattore da eventi esterni (terremoti e attacchi terroristici).

La maggior parte dei reattori in esercizio utilizza uranio arricchito, con una concentrazione di U-235 tra il 3,5 e il 5%, e acqua naturale (leggera) come refrigerante (LWR, Light Water Reactors). Esistono anche reattori ad acqua pesante (acqua con una percentuale superiore di deuterio, isotopo pesante dell’idrogeno, che ha un nucleo composto da un protone e un neutrone) e uranio naturale (HWR, Heavy Water Reactors). L’acqua svolge la duplice funzione di moderatore e di fluido termovettore secondo due tecnologie principali: reattori ad acqua in pressione (PWR, Pressurized Water Reactors) e reattori ad acqua bollente (BWR, Boiling Water Reactors).

Il problema del combustibile esausto

Gli impianti n. durante il normale funzionamento producono frammenti di fissione che si accumulano all’interno degli elementi di combustibile, riducendo l’intensità delle reazioni. Il normale esercizio di un impianto n. prevede la sostituzione periodica del combustibile esausto: esso è costituito da prodotti di fissione (3%), plutonio e attinidi minori (1%), uranio leggermente arricchito (96%). Il combustibile esausto può essere riprocessato per il recupero dell’uranio e del plutonio. La quantità maggiore di rifiuti radioattivi proviene dallo smantellamento delle centrali: il 95% in volume è costituito da rifiuti solidi a bassa e media attività; il restante 5% è rappresentato da rifiuti ad alta attività e lunga vita in cui è concentrato il 95% della radioattività totale. I rifiuti radioattivi devono essere opportunamente trattati e messi in sicurezza.

I reattori di nuova generazione

Sono in fase di commercializzazione i reattori di terza generazione avanzata, caratterizzati da elevati standard di sicurezza, efficienza e affidabilità. Tra i reattori ad acqua leggera, l’EPR (European Pressurized Reactor) della francese Areva e l’Advanced Passive (AP-1000), prodotto dalla Westinghouse, adottano tecnologia PWR, mentre l’ABWR Della General Electric-Hitachi è ad acqua bollente. Sono in fase di studio i reattori di quarta generazione, progettati per il massimo utilizzo del combustibile e la minimizzazione dei rifiuti, con standard di sicurezza elevati e costi ridotti. Tra i progetti selezionati sono previsti anche reattori autofertilizzanti (a neutroni veloci), in grado di produrre più materiale fissile (plutonio) di quanto ne consumino. La commercializzazione di questi reattori potrebbe rendere le riserve di uranio presenti nella crosta terrestre praticamente inesauribili.

Distribuzione dei reattori a livello mondiale e capacità produttiva

L’energia n. permette di generare elettricità su vasta scala in assenza di emissioni di gas climalteranti: il 14% dell’energia elettrica mondiale è prodotta da 438 reattori in esercizio in 30 Paesi. L’Europa (al 2011) ha 148 reattori in funzione, distribuiti in 15 Stati, e produce per via nucleare un terzo dell’energia elettrica. Gli Stati Uniti hanno il maggior numero di reattori in esercizio (104), la Francia è al secondo posto (58), il Giappone al terzo (54). La gran parte delle centrali in funzione è stata realizzata negli anni 1970 e 1980 e altri 61 reattori sono in costruzione (al 2012) in 16 Paesi, di cui 24 in Cina e 11 in Russia. L’industria n. ha tuttavia subito un duro colpo con il terremoto/maremoto in Giappone del marzo 2011. I danni subiti dal reattore di Fukushima con il rilascio di radiazioni pericolose sono stati devastanti per l’immagine dell’industria n., e in molti Paesi, fra cui la Germania, il ricorso all’energia n. è in via di abbandono.