Centrali nucleotermoelettriche: problemi e alternative

II

Centrali nucleari

Indice

1. Introduzione

2. Note storiche:

2.1 Breve storia del nucleare...............................................................5

2.2 Breve storia delle centrali nucleari.................................................5

3. Centrali nucleari:

3.1 Aspetti generali..............................................................................7

3.2 Richiami di fisica atomica..............................................................7

3.3 Principio di funzionamento...........................................................10

4. Reattori nucleari:

4.1 Caratteristiche reattori nucleari.....................................................11

4.2 Combustibili nucleari.....................................................................13

4.3 Tipi di reattori:...............................................................................13

• Reattori lenti;
• Reattori intermedi e veloci;
• Reattori moderati con grafite e raffreddati a gas;
• Reattori moderati e refrigerati ad acqua (BWR e PWR);
• Reattori ad acqua pesante;
• Reattori veloci al solido liquido;
• Reattori di prima, seconda, terza e quarta generazione.

5. Sicurezza e prevenzione:

5.1 Norme di sicurezza.......................................................................15

6. Inquinamento ambientale:

6.1 Classificazione delle scorie nucleari.............................................17

6.2 Le radiazioni..................................................................................18

6.3 Pericolosità ed effetti sull'uomo delle scorie nucleari....................20

7. Catastrofe nucleare in Giappone.....................................................21

8. Problemi delle centrali nucleotermoelettriche

8.1 La fissione.....................................................................................21

8.2 Alternative al nucleare...................................................................22

9. Conclusioni........................................................................................23

10. Bibliografia e sitografia....................................................................24

III

1. Introduzione

Sin dalla rivoluzione industriale l'uomo ha cercato di migliorare la qualità della vita attraverso invenzioni e scoperte scientifiche.

Una di queste invenzioni sono le centrali nucleotermoelettriche che producono un'elevata quantità di energia elettrica e rilasciano bassissime emissioni di CO₂ nell'aria.

Ma allo stesso tempo producono scorie radioattive che nuocciono gravemente alla salute dell'uomo, e come altra qualsiasi centrale, se non controllata dall'uomo, può diventare pericolosa.

Questo documento è stato realizzato sulla base delle conoscenze acquisite negli ultimi anni presso l'I.T.I.S. “L. Da Vinci” di Rimini che abbiamo frequentato nell'indirizzo di elettrotecnica e automazione; l'argomento delle centrali nucleotermoelettriche in particolare appartiene al programma del corso di impianti elettrici che abbiamo svolto durante questo ultimo anno.

Consultando alcuni libri di testo, utilizzando gli appunti di lezione e visitando alcuni siti internet, è stato possibile concludere questa relazione in maniera soddisfacente.

Nella prima parte sono state inserite delle note storiche, con un cenno al celebre Fisico Enrico Fermi, inventore della prima pila atomica e di conseguenza la riuscita della prima reazione a catena controllata, nella parte successiva, dopo un richiamo sulla fisica atomica vengono proposte diverse tipologie di reattori nel quale viene spiegato brevemente il loro principio di funzionamento.

Un cenno alle norme di sicurezza e all'inquinamento ambientale, viene sviluppato nei paragrafi successivi.

Nella parte finale della relazione viene invece trattato l'incidente avvenuto in Giappone. Il primo reattore nucleare che poi dal suo nome fu chiamato Pila di Fermi, in ricordo dalla Pila di Volta per l'elettricità.

La cosa buffa da un punto di vista storico è che la Pila di Fermi fu costruita in un sottoscala di uno stadio a causa di uno sciopero degli edili che aveva impedito la costruzione del nuovo laboratorio. 4

2. Note storiche

2.1 Breve storia del nucleare

L'era del nucleare ebbe inizio negli anni 30 con il progetto Manhattan da parte degli Stati Uniti d'America di Roosvelt. Il progetto era basato sulla costruzione del primo ordigno bellico nucleare e ne facevano parte numerosi scienziati tra cui l'italiano Enrico Fermi.

Enrico Fermi (Roma, 29 settembre 1901 – Chicago, 28 novembre 1954) è stato un fisico italiano, tra i più noti al mondo, principalmente per i suoi studi e contributi teorici e sperimentali nell'ambito della meccanica quantistica e più in generale nella fisica nucleare.

Nel 1938 ricevette il Premio Nobel per la fisica, per la sua identificazione di nuovi elementi della radioattività e la scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti.

Con l'entrata in guerra degli U.S.A. il progetto ebbe una svolta importante e il 2 dicembre del 1942 Fermi riuscì ad innescare la prima reazione a catena controllata con la pila atomica.

La pericolosità e la grandezza di tale esperimento ebbe dimostrazione nel 1945 con la fine della seconda guerra mondiale con lo sgancio delle due bombe atomiche in Giappone su Hiroshima e Nagasaki.

La tecnologia nucleare fu utilizzata anche dalla Marina Americana per la propulsione dei sottomarini e delle portaerei.

2.2 Breve storia delle centrali nucleari

La pila di Fermi era dunque una creatura tecnologica straordinaria, e a partire da quel modello abbiamo costruito macchine sempre più grandi.

Nel 1953 il presidente d'America Dwight Eisenhower enfatizzò l'utilizzo dell'atomo per scopi civili e sostenne un piano politico per 5 porre in primo piano gli Stati Uniti in un'ottica di sviluppo internazionale del nucleare.

Gli scienziati Enrico Fermi e Leo Szilard condivisero nel 1955 il brevetto per il primo reattore nucleare e la prima centrale nucleare commerciale al mondo fu quella di Calder Hall in Inghilterra che iniziò a lavorare nel 1956 ad una potenza di 50 MW poi estesa a 200 MW.

Il nucleare fu visto da molte nazioni come una nuova fonte di energia per la produzione di energia elettrica e infatti negli anni 70 con la crisi del petrolio la Francia e il Giappone investirono sul nucleare.

Le centrali nucleari sono una fonte di energia elettrica molto efficiente ma anche molto pericolosa. L'opinione pubblica, in seguito a incidenti quali quello di Three Mile Island (USA) nel 1979, il disastro di Chernobyl del 1986 e dell'ultimo disastro in Giappone, ha iniziato ad avere una crescente sfiducia nei confronti dell'utilizzo del nucleare in ambito civile.

Dopo il disastro di Chernobyl in Italia si svolsero tre referendum sul nucleare, la maggioranza degli italiani che andò alle urne votarono per l'abbandono del ricorso al nucleare come forma di approvvigionamento energetico ed infatti di lì a poco le quattro centrali nucleari in Italia furono chiuse (a Latina 200 MW, a Carignano 160 MW, a Trino Vercellese 270 MW e a Caorso 875 MW).

Nel 2008 il governo Berlusconi ha annunciato la ripresa del piano nucleare interrotto da due decenni, ma l'incidente avvenuto in Giappone ha bloccato temporaneamente il programma nucleare.

Il 12 e 13 giugno 2011 è stato fatto un nuovo referendum per abrogare la norma per la realizzazione sul territorio nazionale di impianti di produzione nucleare.

Ultimamente la Germania ha dichiarato che chiuderà tutte le centrali nucleari presenti nel suo territorio entro il 2020. 6

3. Centrali nucleari

3.1 Aspetti generali

Con il termine centrali nucleotermoelettriche indichiamo tutte quelle centrali elettriche che sfruttano l'energia termica e di pressione del vapore dell'acqua, ottenuta impiegando combustibili nucleari, col fine di alimentare turbine, a loro volta connesse a turboalternatori in grado di produrre energia elettrica. Tutte le centrali termonucleari si basano sull'equazione dell'energia scoperta da Einstain:

W = m*c²

Dove W (j) è l'energia sviluppata dalla trasformazione della massa m (kg); c (m/s) è la velocità della luce nel vuoto pari a 300 mila chilometri al secondo. Trasformazioni energetiche delle centrali nucleotermoelettriche:

In giallo sono evidenziati gli elementi che caratterizzano le varie trasformazioni che a loro volta sono evidenziate in rosso.

3.2 Richiami di fisica atomica

Per capire meglio di cosa stiamo parlando, andiamo ad analizzare quelle che sono le nozioni fondamentali della fisica atomica. In particolar modo parliamo dell'elemento principale ovvero dell'atomo:

• Protoni: sono particelle atomiche aventi carica elettrica positiva;
• Elettroni: sono particelle atomiche di massa molto inferiore a quella protonica, con carica elettrica negativa;
• Neutroni: sono particelle atomiche elettricamente neutre che, insieme ai protoni, costituiscono il nucleo dell'atomo;
• Elettronvolt: è l'energia acquisita da un elettrone che si muove tra i due punti di un campo elettrico tra i quali vi è la differenza di potenziale di 1 V;
• Numero atomico: rappresenta il numero di elettroni presenti nell'atomo; essendo quest'ultimo elettricamente neutro, il numero atomico è anche uguale a quello dei protoni;
• Numero di massa: è la somma del numero dei protoni e di quello dei neutroni presenti nell'atomo;
• Isotopi: uno stesso elemento, a parità di numero di elettroni e protoni (e quindi di numero atomico), può avere un diverso numero di neutroni (e quindi un diverso numero di massa) dando luogo a isotopi dello stesso elemento, aventi differenti caratteristiche fisiche e chimiche.
• Radioattività: alcuni elementi con elevato peso atomico emettono spontaneamente radiazioni, disintegrando il proprio nucleo e trasformandosi in nuovi elementi (questo argomento verrà trattato nel paragrafo 6). Struttura dell'atomo
• Fissione nucleare: è il processo di scissione del nucleo degli elementi a elevato numero atomico, ottenuto per mezzo del bombardamento con neutroni che, essendo privi di carica elettrica, non subiscono azioni di repulsione. Dalla rottura del nucleo si originano due nuclei, aventi però un diverso numero atomico e numero di massa, quindi impoveriti. La somma delle masse dei due frammenti e dei neutroni emessi è leggermente minore di quelle del nucleo originario e del neutrone che lo ha scisso: la massa mancante si è trasformata in energia.

A loro volta i due frammenti generati verranno bombardati da 8 altri neutroni creando così una reazione a catena.