Le centrali nucleari
Il "cuore" del reattore di una centrale nucleare a fissione si dice "nocciolo" e, di solito, ha forma cilindrica. Il nocciolo è immerso in un fluido, per esempio acqua, ed è formato da barre di uranio, anch'esse cilindriche, lunghe circa 3 metri e con un diametro di qualche centimetro. Intervallate ad esse, vi sono delle barre di controllo movimentabili meccanicamente capaci di assorbire neutroni proporzionalmente al loro inserimento nel nocciolo. In questo modo la reazione a catena viene controllata e, se necessario, può essere anche arrestata. Nei reattori di tipo più comune l'acqua contenuta nel nocciolo, riscaldata dalla fissione dell'uranio, viene fatta circolare da una pompa fino a uno scambiatore di calore in cui si raffredda producendo del vapore che, a sua volta, fa girare la turbina della centrale.
Un reattore si caratterizza per tipo di combustibile, di refrigerante e per l'architettura interna del nocciolo. Ad esempio, si parla comunemente di reattori ad acqua leggera e ad acqua pesante.
Reattori ad acqua leggera
Nei reattori ad acqua leggera, il combustibile è costituito da barrette del diametro di circa 1 cm di ossido di uranio arricchito in uranio 235 (arricchimenti di circa il 3%). L'acqua, circolando tra le barrette di combustibile, svolge sia la funzione di moderatore, rallentando i neutroni nati veloci dal processo di fissione, sia quella di refrigerante, asportando l’energia ceduta all’atto della fissione.
Reattori ad acqua pesante
I reattori ad acqua pesante impiegano come combustibile l'uranio naturale, non arricchito. Esistono inoltre reattori di concezione più avanzata, detti "veloci", che vengono raffreddati con metallo liquido e funzionano con combustibile fortemente arricchito convertendo l'uranio 238 in plutonio senza utilizzare un moderatore che rallenti i neutroni.
Passato e futuro dei reattori
I reattori nucleari possono essere ricondotti a quattro generazioni in base ad alcune caratteristiche comuni e in base all’epoca in cui sono stati progettati e costruiti. Attualmente sono in funzione 440 reattori che appartengono principalmente alla prima e seconda generazione, con alcune unità di terza.
Il reattore a fusione
Il reattore a fusione funziona secondo il principio esattamente inverso a quello del reattore a fissione. Il reattore a fissione divide nuclei di atomi pesanti e il calore così liberato è utilizzato per scaldare acqua e azionare, con il vapore acqueo, una turbina che produce elettricità.
A parità di elettricità prodotta, l'energia nucleare viene considerata una delle risorse a minor impatto ambientale. Infatti, non è fonte di emissioni inquinanti, quali solfuri, polveri o gas responsabili dell'effetto serra, come, ad esempio, l’anidride carbonica. Inoltre, dove utilizzata, consente di ridurre notevolmente lo sfruttamento delle riserve di combustibili fossili.
I vantaggi della fusione nucleare. Uno dei vantaggi della fusione è che il funzionamento del reattore esclude rischi di perdita di controllo poiché la quantità di combustibile usata per la reazione e presente all'interno del reattore è ridotta (solo pochi grammi) per una durata di qualche decina di secondi di combustione; la seppur minima perturbazione all'interno del reattore fa raffreddare il plasma con conseguente arresto spontaneo delle reazioni di fusione. I reattori a fissione, invece, contengono grandi quantità di combustibile nucleare (uranio) e, in caso d'incidente, anche se la reazione a catena è arrestata, il calore prodotto all'interno può fondere il nocciolo del reattore e liberare i prodotti radioattivi con gravi conseguenze. È per questo che oggi sono super sicuri, protetti da sempre più raffinati sistemi di sicurezza e da almeno due involucri a tenuta stagna.
La fusione nucleare sarà però un’alternativa interessante alla fissione verso il 2040-2050. La possibilità di avere deuterio è quasi illimitata ma il trizio è praticamente inesistente in natura e deve essere prodotto dal litio che è presente in quantità simili a quelle dell’uranio. Un’altra possibilità molto allettante è quella di realizzare reazioni di fusione fra due atomi di deuterio ma la temperatura necessaria a questo tipo di reazione è superiore a 400 milioni di gradi! La cosa interessante è la mancata produzione di scorie a lunghissima vita: le scorie prodotte sarebbero quelle legate all’irraggiamento dei materiali strutturali del reattore a causa dei neutroni prodotti nelle reazioni di fusione.
Il rischio di incidenti
Il problema ambientale delle centrali nucleari è costituito dai rischi di incidente e conseguente rilascio di materiale radioattivo anche con conseguenze molto gravi, come è avvenuto dopo l’incidente di Chernobyl in Ucraina o di Fukushima in Giappone.
La scala INES
La scala INES, (International Nuclear and radiological Event Scale - scala internazionale degli eventi nucleari e radiologici) è stata sviluppata a partire dal 1989 dall'AIEA, l'agenzia internazionale per l'energia atomica, con lo scopo di classificare incidenti nucleari e radiologici e rendere immediatamente percepibile al pubblico la gravità di tali incidenti.
Il problema delle scorie nucleari
Un altro rischio è connesso al normale smaltimento delle scorie radioattive. Per gli isotopi radioattivi, infatti, occorre prevedere un deposito controllato tra i 500 e i 700 anni, mentre, nel caso del plutonio, si parla di centinaia di migliaia d'anni.
Lo smaltimento dei rifiuti nucleari
Le considerazioni generali necessarie per la classificazione dei rifiuti (scorie) nucleari, sono:
- per quanto tempo i rifiuti resteranno ad un livello pericoloso;
- qual è la concentrazione del materiale radioattivo nei rifiuti;
- se i rifiuti generano calore.
La persistenza di radioattività determina per quanto tempo i rifiuti devono esser gestiti.
Decommissioning
Sin dalle fasi di progettazione ed individuazione dei siti una centrale nucleare si presenta come un impianto molto complesso: ogni fase della realizzazione e del successivo ciclo di vita della centrale deve essere attentamente sorvegliata per garantire la massima sicurezza.