Tesi - Energia nucleare: impieghi, radioattività e funzionamento del reattore

I reattori RBMK sono moderati a grafite e refrigerati ad acqua leggera

bollente, incanalata in un sistema di tubi in pressione entro cui sono collocati gli

elementi di combustibile e in alcuni casi anche le barre di controllo. Tubi e

recipienti collettori distribuiscono l’acqua in pressione all’ingresso dei singoli

canali e, all’uscita degli stessi, raccolgono la miscela bifase da cui viene

separato il vapore surriscaldato, il quale sarà poi inviato direttamente

all’espansione in turbina. A valle del condensatore e delle pompe, l’acqua è

nuovamente convogliata nel circuito primario del reattore attraverso

scambiatori rigenerativi e pompe di alimento. Il reattore è circondato da

schermi biologici in cemento e sabbia ed anche la parte superiore è chiusa da

una spessa lastra di cemento. Il reattore RBMK è considerato insicuro, in quanto

è molto difficile rendere stabile il flusso neutronico e poiché è praticamente

assente un vero sistema di contenimento.

I reattori VVER, invece, sono refrigerati e moderati ad acqua leggera in

pressione. Essi hanno un sistema primario con sei circuiti di refrigerazione,

ognuno con valvole di isolamento, pompa di circolazione e generatore di

vapore. Il turbo gruppo di ogni reattore è costituito da due turbine e il

pressurizzatore è collegato alla gamba calda di uno dei sei circuiti ed è fornito

di due valvole di sicurezza. Gli elementi di combustibile hanno sezione

esagonale e le barre di controllo sono sostanzialmente identiche a quelle di

combustibile. Anche questi tipi di reattore però, presentano delle carenze

progettuali importanti, quindi sono considerati anch’essi poco sicuri.

4.3.Reattori di ricerca

I reattori da ricerca vengono utilizzati per numerosi scopi tecnici e

scientifici nel campo delle prove tecnologiche, della fisica, per l’addestramento

del personale e anche per studiare le condizioni di funzionamento di una

determinata categoria di reattori. Essi in genere richiedono alti flussi di neutroni

termici o veloci, ampio spazio disponibile per le sperimentazioni, mentre non è

importante la temperatura di uscita del fluido refrigerante, in quanto il calore

viene dissipato nell’ambiente. Fra le ricerche fisiche si possono citare gli studi

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sulla riflessione, rifrazione e polarizzazione dei neutroni, l’influenza della

temperatura sulla cinetica dei reattori o le misure di energia dei neutroni. Altre

importanti ricerche scientifiche si possono compiere in chimica, medicina o

biologia, sia direttamente sul reattore sia utilizzando gli isotopi radioattivi che

esso consente di produrre. L’ingegneria nucleare si vale dei reattori da ricerca

ad esempio per lo studio della purezza dei materiali, per lo studio della

resistenza alla corrosione, per il danneggiamento del combustibile ed il suo

consumo massimo e infine per lo studio dei dispositivi di protezione. Questa

varietà di compiti mostra come siano necessari diversi tipi di reattori e questo

rende difficile un’accurata classificazione. I più importanti sono il reattore

omogeneo acquoso, dotato di molti fori che consentono di far uscire neutroni e

di introdurre materiali da irraggiare, il reattore a piscina, costituito da una vasca

ripiena d’acqua che funge da refrigerante e moderatore e un nocciolo disposto

in una scatola metallica fissata in alto e infine il reattore MTR, formato da un

serbatoio principale entro il quale si trovano gli elementi di combustibile, dal

quale l’acqua di raffreddamento viene fatta circolare attraverso un sistema di

pompe in serbatoi ausiliari e in un evaporatore.

4.4.Reattori convertitori e autofertilizzanti

Il fenomeno della conversione, ossia della produzione di materiali fissili a

partire da elementi fertili, si verifica in qualsiasi reattore: esso infatti dipende

dall’assorbimento dei neutroni da parte dell’uranio. Tuttavia generalmente tale

fenomeno è molto limitato e non ha grande importanza pratica, però vi sono

dei reattori particolarmente progettati in modo da esaltare questa reazione così

da ottenere quantità non trascurabili di nuovo materiale fissile.

I reattori del tipo FBR o reattori veloci autofertilizzanti, utilizzando

materiale fertile, producono più fissile di quanto se ne consumi: presentano cioè

un fattore di conversione maggiore di uno. Si definisce tempo di raddoppio

(generalmente 15 o 20 anni) il tempo in cui il reattore produce una quantità di

combustibile doppia rispetto a quella originaria. Nei reattori FBR non esistono

moderatori e le fissioni sono provocate da neutroni veloci, non rallentati; inoltre

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occorre che l’arricchimento del combustibile sia elevato. Per il raffreddamento

del nocciolo si predilige utilizzare del sodio liquido, che consente di ottenere in

uno scambiatore di calore, vapore ad alta pressione e temperatura. Si adottano

tre circuiti idraulici per il trasferimento di potenza alla turbina: nel primario il

sodio asporta calore al nocciolo e lo trasferisce al sodio del circuito secondario,

il quale trasferisce ulteriormente energia al generatore di vapore del circuito

terziario che comprende la turbina a vapore. Il nocciolo infine è caratterizzato

da una parte centrale in cui avvengono le reazioni di fissione e da un mantello

radiale periferico in cui hanno luogo le reazioni di fertilizzazione.

4.5.Reattori nucleari a fusione

La fusione nucleare controllata appare come la 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. La fusione è una

fonte energetica basata sulla formazione di nuclei ottenuti facendo reagire tra

loro nuclei più leggeri all’interno di un gas ionizzato detto plasma, ma sono

necessarie altissime temperature. Se l’energia prodotta da fusione divenisse

una sorgente sufficientemente economica avrebbe sicuramente un numero

significativo di aspetti positivi rispetto a forme più tradizionali di produzione. I

vantaggi più universalmente riconosciuti sarebbero l’abbondanza di

combustibile, l’assenza di rischi di incidente nucleare, di inquinamento dell’aria,

di rifiuti nucleari e di proliferazione per armamenti nucleari. Infatti il deuterio

può essere estratto direttamente dall’acqua, il trizio si può generare facendo

interagire il litio con i neutroni prodotti dalla reazione stessa, l’unico tipo di

scoria sarebbe l’elio, materiale non radioattivo e le centrali a fusione non

produrrebbero energia tramite combustibili fossili perciò non inquinerebbero

l’ambiente e l’atmosfera. Per gli impianti a fusione sono in corso principalmente

due programmi, l’ICF o energia da fusione inerziale e l’MFE o energia da fusione

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magnetica, ma in entrambi i casi il funzionamento avviene analogamente: una

miscela di deuterio-trizio viene immessa nella camera a vuoto del reattore e

portata alle condizioni di fusione; successivamente i neutroni, grazie alla loro

energia, vengono assorbiti in un mantello circostante costituito da un

moderatore e raffreddato da un metallo liquido come il litio. L’energia dei

neutroni viene dissipata attraverso molte collisioni con i nuclei del mantello,

creando così grandi quantità di calore che viene rimosso da un refrigerante, il

quale lo trasporta ad uno scambiatore di calore e quindi ad un impianto che

genera energia elettrica con l’uso di turbine a vapore. Inoltre i neutroni

interagiscono con il litio per generare trizio, il quale viene separato per essere

reimmesso nel reattore sottoforma di combustibile. La fusione nucleare dunque

è una fonte energetica alternativa a quelle attuali e con potenziali vantaggi in

termini di emissioni, sicurezza e disponibilità di combustibile, ma per

raggiungere la maturità e poter dimostrare la sua competitività anche in termini

economici richiede lo sviluppo di tecnologie innovative in molti settori, con un

approccio multidisciplinare che ha già portato a progressi e risultati in questo

campo. 60

CAPITOLO 5

Sicurezza nucleare

5.1.Obiettivi ed elementi di sicurezza nucleare

La sicurezza è una priorità essenziale nella progettazione, nello sviluppo,

nella disattivazione e nell’esercizio delle installazioni nucleari. Gli obiettivi di

sicurezza per i reattori nucleari consistono nell’assicurare condizioni tali da

soddisfare principi di protezione multipli, diversificati e ridondanti. Durante le

normali operazioni gli impianti devono garantire margini di sicurezza adeguati

per prevenire incidenti e consentire alla popolazione e ai lavoratori di non

ricevere radiazioni superiori ai limiti stabiliti, evitando così conseguenza

negative sulla salute delle persone e sull’ambiente. Nel corso del tempo si sono

create delle reti internazionali di scambio di informazioni ed esperienza inerenti

il tema della sicurezza nucleare: degli esempi sono il WANO (World Association

of Nuclear Operators), grazie al quale anche gli operatori meno esperti nella

gestione di impianti nucleari possono seguire l’esempio e le pratiche messe a

punto da altri esercenti più esperti, oppure il WENRA (Western European

Nuclear Regulators Association), il quale oltre allo scambio di informazioni ha

come scopo l’armonizzazione dei criteri di sicurezza e protezione dei paesi

aderenti.

Sin dai primi tempi del nucleare si è cercato di adottare dei principi

generali di sicurezza per aumentare l’affidabilità della tecnologia nucleare: si

cerca di individuare gli incidenti con metodi statistici deterministici o

probabilistici per una maggiore prevenzione, si adotta la garanzia della qualità

che consente progressi verso l’ottenimento di prodotti più conformi alle

specifiche richieste, si rafforza la difesa in profondità (creazione di vari livelli di

difesa indipendenti l’uno dall’altro) e la cultura di sicurezza e infine in alcuni casi

si preferisce l’uso di sistemi semplici piuttosto che complessi.

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In ogni paese è istituita l’Autorità di Sicurezza Nazionale (ASN),

un’agenzia statale indipendente che svolge la funzione di regolamentazione e

controllo delle attività connesse con l’uso pacifico dell’energia nucleare. Al fine

di svolgere il proprio ruolo l’ASN definisce indirizzi, obiettivi, criteri di sicurezza

e svolge attività di valutazione e controllo, definendo regolamentazioni e guide

tecniche, imponendo limiti e condizioni per l’esercizio, effettuando ispezioni e<