Centrali nucleotermoelettriche: problemi e alternative

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 bas-

sissime 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 re-

lazione in maniera soddisfacente.

Nella prima parte sono state inserite delle note storiche, con un

cenno al celebre Fisico Enrico Fermi, inventore della prima pila ato-

mica e di conseguenza la riuscita della prima reazione a catena

controllata, nella parte successiva, dopo un richiamo sulla fisica ato-

mica 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 Manhat-

tan da parte degli Stati Uniti d'America di Roosvelt. Il progetto era

basato sulla costruzione del primo ordigno bellico nucleare e ne fa-

cevano 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 im-

portante 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 dimostrazio-

ne nel 1945 con la fine della seconda guerra mondiale con lo sgan-

cio delle due bombe atomiche in Giappone su Hiroshima e Nagasa-

ki.

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'uti-

lizzo 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 bre-

vetto per il primo reattore nucleare e la prima centrale nucleare

commerciale al mondo fu quella di Calder Hall in Inghilterra che ini-

zio 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 ener-

gia 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 effi-

ciente 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 nu-

cleare 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 approvvigio-

namento energetico ed infatti di li a poco le quattro centrali nucleari

in Italia furono chiuse ( a Latina 200MW, a Carignano 160MW, a Tri-

no Vercellese 270MW e a Caorso 875MW).

Nel 2008 il governo Berlusconi ha annunciato la ripresa del piano

nucleare interrotto da due decenni, ma l'incidente avvenuto in Giap-

pone ha bloccato temporaneamente il programma nucleare.

Il 12 e 13 giugno 2011 è stato fatto un nuovo referendum per abro-

gare la norma per la realizzazione sul territorio nazionale di impianti

di produzione nucleare.

Ultimamente la Germania ha dichiarato che chiuderà tutte le cen-

trali nucleari presenti nel suo territorio entro il 2020. 6

3. CENTRALI NUCLEARI

3.1 ASPETTI GENERALI

Con il termine centrali nucleotermoelettriche indichiamo tutte quel-

le 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 turboalterna-

tori in grado di produrre energia elettrica. Tutte le centrali termonu-

cleari 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 chi-

lometri 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 par-

ticolar 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,

• 7

insieme ai protoni, costituiscono il nucleo dell'atomo;

Elettronvolt: è l'energia acquisita da un elettrone che si muo-

• ve tra i due punti di un campo elettrico tra i quali vi è la diffe-

renza di potenziale di 1V;

Numero atomico: rappresenta il numero di elettroni presenti

• nell'atomo; essendo quest'ultimo elettricamente neutro, il nu-

mero 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 nu-

mero di neutroni (e quindi un diverso numero di massa) dando

luogo a isotopi dello stesso elemento, aventi differenti caratte-

ristiche 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 elet-

trica, non subiscono azioni di repulsione. Dalla rottura del nu-

cleo 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 cosi una reazione a catena. Affinché la

scissione possa auto-mantenersi è necessario che la massa del

combustibile nucleare sia maggiore o uguale alla massa criti-

ca, ossia una massa al di sotto della quale non si ha una rea-

zione spontanea, se infatti la massa del combustibile nucleare

risulta inferiore a quella critica avremo un regime sub-critico,

dove appunto la reazione a catena tende a diminuire per poi

azzerarsi. Esempio di fissione

nucleare.

Le palline più piccole

rappresentano i

neutroni, invece quelle

più grandi sono gli

atomi. Dal

bombardamento si

disperde dell'energia

come mostrato dalla

figura.

Inoltre il neutrone può

essere respinto o

assorbito dall'atomo

senza ad andarlo a

dividere in due atomi

più leggeri.

Fusione nucleare: consiste nell'unione di due nuclei leggeri

• per originare un nucleo più pesante, ma di massa minore di

quella totale originaria. La differenza di massa, moltiplicata per

c², corrisponde all'energia termica ricavata. Ultimamente la ri-

cerca si sta concentrando su questo fenomeno perché, a diffe-

renza della fissione, non produce scorie radioattive, sviluppa

una maggiore quantità d'energia, se controllata adeguatamen-

te presenta meno pericoli.

Controllare la fusione non è affatto semplice perché sviluppa

temperature di milioni di gradi centigradi dovute al plasma che

si forma e che va tenuto in sospensione altrimenti scioglie ciò

che lo circonda. Un esempio di fusione è ciò che accade sulla

superficie del Sole, dove avviene la fusione di nuclei di idroge-

no in un nucleo di elio. 9

Esempio di fusione nucleare: il deuterio e il

trizio vengono uniti mediante fusione

dando origine ad un singolo nucleo. La

fusione rilascia solo un gas inerte che è

l'elio.

3.3 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Il principio di funzionamento delle centrali nucleari è simile alle cen-

trali termoelettriche. La differenza sostanziale è la modalità di pro-

duzione del vapore.

Attualmente l'energia nucleare si ricava dalla fissione, la quale, per

quanto grezza ed energeticamente poco conveniente (ha un rendi-

mento di circa il 35%) è la via più praticabile. La centrale a fissione

consta di un reattore dove materiale fissile (tipicamente l'uranio

235) viene bombardato con particelle accelerate fino a provocare la

fissione di alcuni atomi, che a loro volta espellono particelle accele-

rate, le quali investono altri atomi, scindendoli: quando la quantità

di particelle irridiate è sufficiente a mantenere la reazione, il bom-

bardamento smette e la fissione procede autonomamente a causa

della reazione a catena causata dalla continua fissione di atomi di

uranio. Per controllare ed eventualmente arrestare la reazione, si

introducono nel reattore delle barre di controllo.(tutto questo avvie-

ne nel nocciolo). La fissione sviluppa calore, che fa evaporare acqua

contenuta in collettori immersi nella camera di reazione; il vapore

ottenuto soffia su turbine solidali con generatori elettrici che ricava-

no corrente. Il vapore viene poi condensato (mediante sistemi di

raffreddamento che sfruttano l'acqua presa dai bacini naturali o ar-

tificiali) in uno scambiatore di calore, ricavando acqua reintrodotta

nel collettore per essere di nuovo convertita in vapore. Questa è la

tecnica adottata nelle centrali di prima generazione: in quelle di se-

conda, l'acqua riscaldata dal reattore cede il proprio calore all'ac-

qua in un circuito secondario, mediante uno scambiatore; l'acqua

secondaria 10

evapora e soffia nelle turbine, quindi il vapore viene condensato e

rientra nel circuito. In tal modo, una perdita nel circuito del reattore

non contamina l'acqua dell'impianto di raffreddamento.

Ovviamente l'energia elettrica verrà trasformata e smistata median-

te delle stazioni elettriche. Funzionamento della centrale

termonucleare: come da