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Energia Nucleare: tutte le implicazioni e i problemi di una scelta difficile.

Creato Mercoledì, 11 Agosto 2010 11:00 Scritto da Massimo Andriolo

Il Governo Berlusconi ritorna a parlare di nucleare. In questi 13 anni in realtà  si è sempre avuto il sentore che nel 1987 si sia fatto un errore. Presi dal terrore che un nuova nuvola di Chernobyl potesse coprire i cieli d’Italia e d’Europa, gli italiani hanno scelto di rinunciare al nucleare. 

Delle quattro nostre centrali, una era già stata chiusa qualche anno prima, due avrebbero avuto vita breve, forse altri 3-4 anni, ma una, quella di Caorso, la più potente, non aveva neanche 10 anni e questa è oggi una delle candidate alla riapertura.

Che cos'è l'energia atomica e come funziona una centrale nucleare?

L’energia che tiene legate le parti del nucleo (protoni e neutroni, chiamati nucleoni) è detta energia di legame nucleare ed è pari all’energia che si dovrebbe cedere al sistema per separare i nucleoni. Cedendo energia, per la relazione di Einstein (E=mc2) è come se si “regalasse” massa e di conseguenza diminuisse la massa del singolo nucleone. La differenza è chiamata difetto di massa. L’energia di legame non è quindi uguale per tutti ed è caratteristica per ogni isotopo (atomo con differente numero di neutroni). Se un sistema passa da un atomo con meno energia di legame ad uno con più energia, i singoli nucleoni passano da uno stato con massa maggiore ad uno con massa minore e la differenza di massa viene liberata sotto forma di radiazioni e calore (E=difetto di massa * c2).

Gli atomi con maggiore energia sono quelli che pesano fra i 50 e i 100 nucleoni. Imprimendo ad un atomo pesante un’energia sufficiente alla sua rottura (o fissione) in due parti, si passa a livelli di energia maggiori, ottenendo una scomparsa di massa per nucleone equivalente alla comparsa di energia. La fissione (dal latino findere = spaccare) e la fusione (fondere = unire) seguono questa legge, l’una partendo da atomi pesanti, l’altra da elementi leggeri.

E’ come se colpendo una mela si formassero due mezze mele e tanti pezzettini venissero sparati attorno e alcuni di questi pezzettini si trasformassero in energia.

I materiali che possono essere colpiti da un neutrone e possono dare origine ad una reazione sono l’uranio 233, il plutonio 239 e l’uranio 235, detti materiali fissili. E’ proprio quest’ultimo l’elemento di partenza più comune che però in natura si trova in quantità molto ridotte, lo 0,7% dell’uranio complessivo. E’ necessario quindi procedere all’ “arricchimento” dell’Uranio 238, aumentando fino al 3% la quantità dell’isotopo 235.

A questo punto la reazione può aver luogo, l’isotopo è colpito, libera energia e altri neutroni andranno a colpire altri elementi, scindendoli in altri elementi più piccoli. Ci sono circa 40 combinazione possibili che a loro volta possono dar luogo ad altre reazione o decadere liberando radiazioni Beta.

Oltre ai materiali fissili, ci sono poi i materiali fertili, l’uranio 238 e il torio 232 che se vengono bombardati con neutroni lenti si trasformano rispettivamente in plutonio 239 e uranio 233, i fissili visti prima. Le centrali che utilizzano questi elementi vengono chiamate “autofertilizzanti” poichè si producono da sole il materiale fissile necessario.

I neutroni che vengono liberati nelle reazioni non vanno tutti a colpire altri elementi innescando nuove reazioni a catena ma in parte vengono assorbiti. Perché una reazione a catena proceda a velocità costante, ogni fissione deve generare una sola nuova fissione (K=1). Per assorbire i neutroni in eccesso e rallentare o fermare la reazione a catena, tra le barre di combustibile (uranio, torio, o plutonio) di forma esagonale ci sono degli spazi per barre di cadmio o bario che assorbono un gran numero di neutroni. Se le barre di cadmio o bario vengono calate completamente, tutti i neutroni vengono assorbiti (K=0) e la reazione di spegne in una mezz’ora circa, anche se il decadimento degli elementi produce valori importanti di calore per qualche ora.

Nelle centrali di prima generazione (PWR a pressione, BWR ad acqua bollente, CANDU a deuterio) il nocciolo (dove sono le barre) è immerso in acqua che funge sia da assorbitore di neutroni sia da vettore (pressurizzata o in vapore) del calore. Ricordate qualche film di 007 che passeggia sui reattori immersi in acqua?

Le centrali di seconda generazione sono caratterizzate per avere grafite invece di acqua come moderatore di neutroni. La grafite ha infatti una maggiore capacità di assorbire calore in caso di guasti. Per una centrale di prima generazione da 1 GW il calore emesso dai prodotti di fissione (quindi a reazione ferma K=0) sarebbe di 210 MW termici capaci di generare le prime rotture dopo appena 50 secondi, ad una temperatura di 1650 gradi. Con la grafite ci vorrebbe un’ora per raggiungere tale temperatura e si può resistere fino a temperature  di 2.200 gradi, valore raggiungibile in 10 ore, tempo più che sufficiente per prendere le necessarie precauzioni e riportare il sistema a regime. In questo sistema il vettore refrigerante è un gas, elio o anidride carbonica, che non diventano radioattivi e che, anche in caso di fessure dell’involucro, non avrebbero la forza di uscire in grandi quantità a causa della perdita di pressione.