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Le centrali nucleari. L'energia che scaturisce dal bombardamento dell'uranio con neutroni. Il processo di 'fissione/fusione nucleare'. Il problema della radioattivitą e delle scorie.

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Prospettive a partire dalla evoluzione in atto della III generazione - Sergio Orlandi -

I reattori nucleari a fissione possono essere sommariamente classificati appartenenti a quattro generazioni, in base ad alcune caratteristiche comuni e in base all’epoca in cui sono stati progettati e costruiti.

L’impianto nucleare, indipendentemente dalla generazione cui appartiene, è un sistema nel quale l’energia nucleare rilasciata nelle reazioni di fissione viene trasferita dal combustibile nucleare ad un fluido refrigerante termovettore, che provvede al trasferimento verso i gruppi turboalternatori, nei quali avviene la conversione dell’energia termica in energia meccanica (nelle turbine) e successivamente in energia elettrica (negli alternatori).

Un impianto nucleare è dunque paragonabile ad un impianto tradizionale in cui il calore viene prodotto per mezzo di reazioni nucleari di fissione anziché chimiche di combustione.

I reattori nucleari sono classificati in diverse concezioni tecnologiche o filiere. Ciascuna filiera fa riferimento ad un modello di reattore alle cui caratteristiche principali posso ricondursi più impianti. I più comuni reattori nucleari di prima e seconda generazione possono essere ricondotti ai seguenti modelli principali:

  • PWR (Pressurized Water Reactor, reattore ad acqua in pressione);
  • BWR (Boiling Water Reactor, reattore ad acqua bollente);
  • HWR (Heavy Water Reactor, reattore ad acqua pesante);
  • GCR (Gas-Cooled Reactor, reattore a gas);
  • AGR (Advanced Gas-cooled Reactor, reattore avanzato a gas);
  • HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactor, reattore a gas ad alta temperatura);
  • FBR (Fast Breeder Reactor, reattore veloce autofertilizzante).

Lo sviluppo dei reattori di terza generazione è basato sull’evoluzione di queste filiere principali. Anche i reattori di quarta generazione introducono elementi innovativi partendo da queste concezioni tecnologiche originarie.

Attualmente sono in funzione circa 440 reattori che appartengono principalmente alla prima e seconda generazione, con alcune unità di terza generazione già operative in Asia.

Dei 440 reattori nucleari in funzione nel mondo, 266 unità sono ad acqua in pressione. Tale tipologia più diffusa include i PWR occidentali e i VVER di progetto russo, entrambi moderati e refrigerati ad acqua leggera in pressione.

Oggi si può parlare di Nuclear Renaissance sintetizzando un certo ottimismo alimentato dalle attuali costruzioni in Asia e dai numerosi progetti e proposte in Russia, America e Europa.

Questo “rinascimento” nucleare appare alquanto visibile nel mondo grazie ad una serie di fattori politici, economici, ambientali e di evoluzione scientifica e tecnologica.

Gli attuali problemi riguardanti la disponibilità di fonti di energia e la qualità dell’aria richiedono una maggiore attenzione verso il ruolo fondamentale dei reattori nucleari nella fornitura di energia elettrica per il futuro.

Per un futuro più remoto sono anche interessanti le prospettive offerte dalle attività di ricerca e sviluppo sui reattori innovativi di quarta generazione, sui sistemi sottocritici e su quelli a fusione.

Analizziamo in maniera sintetica le caratteristiche principali di tali sistemi; per ulteriori approfondimenti si suggerisce il testo Impieghi dell'energia nucleare, Editoriale Delfino (http://www.enricomainardi.it/book.html, E. Mainardi, Gennaio 2008).

La prima generazione include prototipi e reattori destinati alla produzione di energia elettrica o plutonio per armi nucleari, progettati e costruiti prima degli anni ’70 da molti tra i Paesi più industrializzati.

In genere sono caratterizzati da una bassa potenza termica che per i reattori commerciali di potenza si traduce in taglie generalmente inferiori ai 300 MWe.

In Italia possono considerarsi di prima generazione le tre centrali nucleari, attualmente ferme ed in fase di smantellamento (decommissioning), di Latina (GCR – 210 MWe), Garigliano (BWR – 160 MWe) e Trino Vercellese (PWR – 270 MWe).

La seconda generazione comprende principalmente reattori ad acqua leggera, costruiti e utilizzati a partire dagli anni ’70 e ’80 e ancora operativi. In genere sono caratterizzati da una potenza elettrica compresa tra i 300 MWe e i 1000 MWe.

In Italia la centrale nucleare di Caorso (BWR – 860 MWe) può considerarsi di seconda generazione, anche se è attualmente spenta e in fase di decommissioning.

La terza generazione si riferisce a quei reattori avanzati, come l’EPR (European Pressurized water Reactor), l’AP1000 (Advanced Passive) e l’ABWR (Advanced Boiling Water Reactor), derivanti dall’ottimizzazione, in termini di economia e sicurezza, degli attuali reattori ad acqua leggera che saranno operativi prima del 2010.

Alcuni reattori, tra cui gli ABWR costruiti in Giappone, sono già in funzione e possono già considerarsi di terza generazione. In generale, questi reattori sono caratterizzati da una potenza elettrica di oltre 1000 MWe, taglia che sembra affermarsi con maggiore solidità nel mercato.

Viene anche spesso citata una terza generazione avanzata (GEN. III+) che include sistemi che potrebbero essere introdotti entro i prossimi 10-15 anni, quindi assai prima dei reattori di quarta generazione e che risulterebbero utili per lo sviluppo di questi ultimi.

Per la generazione III e III+ sono stati considerati numerosi sistemi che potrebbero essere impiegati prima del 2015 e con performance superiori a quelle dei reattori attuali.

In Italia, si profila la possibilità di costruire reattori nucleari in un contesto di una nuova politica energetica nazionale in armonia con quella europea; si fa pertanto riferimento a reattori commerciali appartenenti a questa nuova generazione.

E' quindi importante segnalare l’attuale partecipazione italiana a progetti di reattori di generazione III+ come AP1000 ed EPR.

A partire dagli anni ’80 l’italiana Ansaldo Nucleare, inizialmente anche con la partecipazione di ENEL (Ente Nazionale per l’Energia Elettrica SpA) ed ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente), ha dato un contributo sostanziale allo sviluppo degli impianti di nuova generazione con tecnologie passive AP600 e AP1000, come partner della società statunitense Westinghouse Electric Company, ora una società del gruppo Toshiba.

Più recentemente Ansaldo Nucleare, in joint venture con Mangiarotti Nuclear, ha firmato un importante contratto con Westinghouse per la progettazione e fornitura di componenti innovativi per la prima unità della centrale elettrica che sarà costruita nel sito cinese di Sanmen e che diventerà operativa entro il 2014.

E’ importante, inoltre, segnalare la più recente partecipazione dell’ente elettrico ENEL con il corrispettivo francese EdF (Electricité de France) alla realizzazione del primo reattore nucleare di terza generazione EPR (European Pressurized Reactor) nel sito francese di Flamanville.

La quarta generazione comprende sistemi nucleari innovativi che probabilmente raggiungeranno maturità tecnica dopo il 2030.

Tali sistemi sono progettati considerando i seguenti aspetti migliorativi: sono molto competitivi da un punto di vista economico; introducono significativi miglioramenti nel campo della sicurezza (specie in caso di incidente); minimizzano la produzione di scorie (in particolare di quelle a lunga vita); sfruttano pienamente il materiale fissile e fertile; consentono di produrre direttamente idrogeno; garantiscono un’alta protezione contro attacchi terroristici e contro la proliferazione.

Saranno necessarie, per la fase dimostrativa, ulteriori attività di ricerca e sviluppo sui reattori di quarta generazione ove consentire all’industria di rendere uno o più sistemi disponibili per il mercato. Tali sistemi dovrebbero coprire le grandi richieste di energia durante tutto il periodo necessario al completo sviluppo e messa in esercizio dei reattori a fusione.

I sistemi a fusione sono ancora in una fase di ricerca e sviluppo di cui non è facile prevedere la tempistica di realizzazione, stimata comunque ben superiore al mezzo secolo.

I sistemi denominati Accelerator Driven System (ADS) sono costituiti dalla combinazione di un ACCELERATORE di particelle con un reattore sottocritico.

I reattori sottocritici hanno bisogno di una sorgente neutronica esterna per mantenere il livello necessario di flusso, e quindi della potenza di operazione del reattore.

Questa sorgente viene fornita mediante un fascio di protoni che, avendo raggiunto velocità molto elevate all’interno di un acceleratore, urtano contro un bersaglio di metallo pesante in forma liquida o solida.

I neutroni che vengono emessi dalle reazioni dei protoni con il bersaglio sono qualche decina per protone incidente e vengono introdotti nel nocciolo sub-critico.

La distanza dalle condizioni critiche rende questi sistemi relativamente sicuri. Da studi effettuati, risulta che per spegnere il reattore in tempi dell’ordine di alcuni millisecondi è sufficiente interrompere il fascio di protoni accelerati.

Lo svantaggio dei sistemi ADS è che circa il 10% dell’energia elettrica prodotta deve essere impiegata per la generazione della CORRENTE protonica.

L’acceleratore può essere costituito da un LINAC (LINear ACcelerator) o da un ciclotrone in grado di fornire un fascio di protoni con energia nell’ordine di 1 GeV.

Un vantaggio dei sistemi ADS consiste nella possibilità di utilizzo di nuovi e più convenienti combustibili basati, ad esempio, sul ciclo del Torio che presenta i seguenti vantaggi:

  1. i rifiuti radioattivi hanno una quantità molto inferiore di attinidi minori, che notoriamente rappresentano la parte più radiotossica dei prodotti di fissione;
  2. in natura il torio è più abbondante dell’uranio;
  3. non esiste il problema della proliferazione, cioè non è possibile ricavarne testate nucleari.

Alcuni problemi restano però ancora insoluti:

  1. si devono costruire acceleratori di nuova generazione, che producano correnti abbastanza elevate da fornire un numero adeguato di neutroni;
  2. occorre migliorare i dati sulle misure sperimentali delle sezioni d’urto;
  3. si devono studiare soluzioni per consentire all’acceleratore di accedere al core (finestra di accesso);
  4. si deve individuare il combustibile più adeguato per rendere possibile la trasmutazione.

Nessuno dei suddetti ostacoli sembrerebbe insuperabile con l’ausilio di finanziamenti e tempi adeguati.

La conversione dell’energia termica in un reattore ADS avviene, poi, come in un normale reattore di potenza. L’energia rilasciata nelle reazioni nucleari di fissione viene trasferita dal combustibile nucleare ad un FLUIDO TERMOVETTORE, che provvede al trasferimento alle turbine, nei quali avviene la conversione dell’energia termica in energia meccanica e successivamente in energia elettrica negli alternatori.

La FUSIONE NUCLEARE controllata appare come una futura fonte ottimale, sotto vari punti di vista, per la produzione di energia elettrica.

Nonostante gli innumerevoli sforzi economici e scientifici, attualmente non si è ancora individuata un’unica strada sicura che porti alla possibilità di sfruttare industrialmente questo processo che avviene in natura nelle stelle.

Per questa ragione la fusione è ancora in una fase di ricerca e sviluppo che, per quanto importante, non può fornire illusioni circa la sua fruibilità in tempi medio-brevi.

Visti gli elevati costi e gli esiti non proprio facilmente prevedibili, la strada che si è maggiormente affermata à quella di una vasta cooperazione internazionale.

La fusione a confinamento magnetico è basata sulla formazione di nuclei ottenuti facendo reagire tra loro nuclei più leggeri all’interno di un gas ionizzato, detto plasma, ad alta temperatura; forze magnetiche tengono il combustibile deuterio-trizio lontano dalle pareti della camera per un tempo tale che un numero sufficiente di reazioni possano avvenire.

La ricerca applicata con numerosi dispositivi sperimentali in tutto il mondo e orientati alla dimostrazione della fattibilità scientifica e tecnologica, è iniziata negli anni ’60 e prosegue tuttora.

Tra i vari progetti di ricerca il più ambizioso attualmente è il progetto internazionale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) gestito da un consorzio di Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d’America, India e Corea del Sud.

Tale progetto punta a sviluppare un reattore in grado di sostenere una reazione di FUSIONE NUCLEARE per diversi minuti e che produca più energia di quanta ne consumi.

Dopo svariati decenni di studi, è stato stabilito il sito di questa macchina presso Cadarache, nel Sud della Francia. Il progetto ITER ha un budget di 10 miliardi di Euro.

La produzione di energia elettrica verrà demandata al progetto successivo chiamato DEMO che integrerà il reattore con tutte le infrastrutture necessarie alla produzione di energia elettrica.

Dopo lo sviluppo del progetto DEMO si potranno progettare delle centrali nucleari a fusione per la produzione commerciale di energia elettrica da immettere nella rete qualora ciò risultasse competitivo, anche dal punto di vista economico, rispetto ad altre fonti disponibili.