Risposte alle domande d'esame - parziale 1

Aspetti economici del nucleare

Una centrale nucleare, a differenza di centrali di altro genere, comporta un'enorme spesa iniziale, la quale pesa sul costo del kWh prodotto per il 50%, presentando però dei costi di esercizio e manutenzione molto bassi. Quindi, per rendere questa tecnologia competitiva, occorre mantenere una centrale operativa a lungo (almeno 7 kh/anno). Un altro modo per ammortizzare la spesa iniziale consiste nel creare impianti molto grandi, anche se ci sono delle controindicazioni: un maggiore rischio economico; tempi lunghi di costruzione; difficoltà di standardizzazione; costi maggiori di sicurezza.

In generale, la costruzione di una centrale nucleare comporta comunque alcune problematiche:

• Essa richiede almeno 5 anni per essere costruita e deve rimanere operativa per almeno altri 40. Ovviamente è richiesta certezza nelle procedure amministrative e nella stabilità politico-economica, per evitare di dover smantellare l'impianto prima della fine della vita utile (come è successo in Italia dopo il referendum dell'87).
• A causa di recenti liberalizzazioni, si è ridotta la dimensione media delle società energetiche e i relativi finanziatori. A causa di ciò, è diminuito l'interesse verso progetti a medio-lungo termine come una centrale nucleare.
• Le materie prime utilizzate nella costruzione dell'impianto possono avere un prezzo incostante, causando una discrepanza tra costi iniziali preventivati ed effettivi.

D'altro canto, mentre il costo dell'energia derivante da idrocarburi può subire significative variazioni di prezzo dipendente dal costo del combustibile (secondo gli esperti, tenderà ad aumentare in futuro), quella nucleare ha un prezzo di mercato abbastanza stabile, aumentando quindi la sua sicurezza economica e la competitività. Inoltre, si ipotizza che ci potrà essere un abbassamento dei tassi di interesse, riducendo quindi la spesa iniziale e il relativo ammortamento.

Sicurezza delle centrali nucleari

La sicurezza negli impianti nucleari è fondamentale a causa dell'elevato rischio potenziale causato dall'accumulo di prodotti radioattivi nel combustibile alle forme di vita che entrano in contatto con essi.

Le fonti di radiazioni sono:

• Il combustibile fresco, che però decade rilasciando solamente radiazioni alfa, facilmente schermabili con un involucro metallico;
• Prodotti risultanti dalla fissione;
• Prodotti formati per assorbimento di neutroni (fortemente radioattivi).

Gli obiettivi principali della sicurezza sono:

• Evitare il rilascio di prodotti radioattivi che possano entrare a contatto con la popolazione;
• Salvaguardare il personale addetto, in genere altamente specializzato, durante tutto il ciclo di vita del combustibile, ovvero dall'estrazione, all'utilizzo, all'immagazzinamento delle scorie.

Per evitare incidenti, il reattore viene protetto generalmente tramite 3 barriere: una guaina di rivestimento del combustibile, un circuito di raffreddamento, un contenitore. Si definisce "incidente" il danneggiamento di una o più barriere al di sopra dei requisiti ammessi in fase di progetto. Non necessariamente un incidente implica un pericolo, ma è comunque richiesto che la situazione venga ripristinata prima che il reattore riprenda il suo regolare funzionamento.

Le cause di incidenti possono essere interne (malfunzionamenti o rotture di impianto, interventi non corretti da parte degli operatori) o esterne (eventi naturali quali terremoti, uragani, allagamenti, impatti con aerei o missili).

I capisaldi progettuali in termini di sicurezza consistono in:

• Una corretta scelta del sito per ridurre le probabilità di incidenti esterni, sulla base di studi sismologici, meteorologici, idrologici, geologici e antropologici
• Ottima progettazione dell'impianto al fine di ridurre le potenziali situazioni di pericolo (esempio: aumento di potenza al di sopra di quella nominale)
• Controllo della qualità dei materiali, che devono essere esenti da difetti, con una qualità pari a quella richiesta per l'industria aeronautica e aerospaziale
• Adeguato sistema di protezione che preveda la dotazione dell'impianto di una serie di dispositivi protettivi con lo scopo di mitigare gli effetti di un eventuale incidente (sistema di spegnimento di emergenza; raffreddamento del sistema; contenitore della caldaia nucleare; pozzo di calore finale; gruppi elettrogeni autonomi; sistemi di trattamento dei prodotti di fissione). Questi sistemi si distinguono in attivi e passivi, a seconda che sia richiesta o meno l'attivazione esterna.

In particolare, il contenitore del reattore e dei suoi circuiti ausiliari ha la funzione di:

• Evitare significativi rilasci di radionuclidi
• Mantenere l'integrità strutturale, la tenuta, il supporto ai sistemi e componenti ausiliari
• Permettere l'estrazione dell'energia e il raffreddamento del reattore
• Evitare rilasci in caso di eventi esterni
• Fornire lo schermaggio per il personale ed il pubblico anche in seguito ad un eventuale incidente

Esistono diverse tipologie di contenitori, tra cui:

• Il contenitore a pressione (più diffuso), capace di contenere al suo interno tutto il materiale in pressione ed evitarne la fuga, anche in caso di rottura del circuito di refrigerazione. È possibile creare una barriera a più strati, costruendo gusci esterni e depressurizzando l'ambiente nelle intercapedini;
• Il contenitore a soppressione di pressione, che assorbe l'energia sviluppata da un incidente condensando il vapore rilasciato; è costituito da un contenitore a pressione e da una piscina a soppressione di vapore, dove il vapore condensa. Anche in questo caso è possibile costruire una barriera multipla.

Scorie e gestione

Le scorie si dividono in 3 categorie:

• Prima categoria, caratterizzata da tempi di decadimento dell'ordine di mesi fino a un massimo di alcuni anni
• Seconda categoria, con tempi compresi tra qualche decina e qualche centinaia di anni, stoccati all'interno di appositi depositi superficiali accuratamente progettati.
• Terza categoria, la più pericolosa, in quanto il processo di decadimento richiede migliaia di anni, con sedi di stoccaggio tuttora non definitive.

Le scorie sono costituite da prodotti risultanti dalla fissione, attinidi e materiali dell'impianto irraggiati. Il loro trattamento può essere di 2 tipi:

• Ciclo chiuso, il quale prevede il riprocessamento del combustibile attraverso cui è possibile recuperare fino al 99% del plutonio e uranio presenti, così da poterli riutilizzare. Il restante materiale viene diviso in elementi soggetti a controllo storico (seconda categoria) e a controllo geologico (terza categoria), per poi essere condizionati, ovvero trasformati in rifiuti solidi stabili e confinati all'interno di matrici rispettivamente cementizie e vetrose.
• Ciclo aperto, in cui le scorie vengono direttamente incapsulate in contenitori altamente resistenti soggetti a controllo geologico. Risulta più economico del ciclo chiuso perché non prevede trattamenti di separazione, ma lo stoccaggio, seppur definitivo, dovrebbe prevedere un possibile recupero di uranio e plutonio.

Tempo di dimezzamento

Definiamo il "tempo di dimezzamento" il tempo necessario per il decadimento della metà del numero totale di nuclei radioattivi, varrà quindi la relazione N(t )/N(0)=0.5. Dalla legge di decadimento esponenziale N(t)=N(0)*e^(-lambda*t) è possibile ricavare la definizione matematica t_1/2 = ln2/lambda, con lambda la costante di decadimento radioattivo, dipendente dal materiale.

Associato al tempo di dimezzamento c'è il concetto di "attività nucleare", ovvero il numero di decadimenti nell'unità di tempo, misurati in Bequerel=[decadimenti/s].

Diffusione gassosa

La diffusione gassosa è una tecnica usata per produrre uranio arricchito. Essa prevede di sfruttare la diversa velocità di diffusione molecolare degli isotopi di uranio attraverso un setto poroso. Infatti, essendo l'energia cinetica di un gas costante e pari a Ec=0.5*m*v², la velocità risulta inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa v=(Ec/(0.5*m))^0.5. Nell'attuazione di questa tecnica viene utilizzato come gas l'esafluoruro di uranio (UF₆), sia perché si trova in fase gassosa, sia perché il fluoro non ha isotopi, quindi tutta la differenza di massa è da attribuire alla presenza degli isotopi di uranio.