Centrale nucleare di Cofrentes (Spagna)
Per centrale nucleare si intende normalmente una centrale
nucleare a
fissione, ovvero una
centrale elettrica che utilizza uno o più
reattori nucleari a fissione.
Il termine si può applicare anche alle future centrali a
fusione nucleare, che impiegheranno un
reattore a fusione nucleare; tuttavia la ricerca in questo campo è ancora
molto incompleta e sono stati ottenuti solo degli abbozzi di fusione
controllata; pertanto l'opinione degli esperti del settore è che non verranno
costruite centrali a fusione prima del
2050.
Storia
Origini
La fissione nucleare fu ottenuta sperimentalmente per la prima volta da
Enrico Fermi nel
1934 bombardando l'uranio
con neutroni.
Nel 1938 i
chimici tedeschi
Otto Hahn
e
Fritz Strassmann, congiuntamente ai fisici austriaci
Lise
Meitner e
Otto Robert Frisch, condussero esperimenti con i prodotti della reazione
di bombardamento dell'uranio. Determinarono che il neutrone, relativamente
piccolo, è in grado di scindere il nucleo dei pesanti
atomi di uranio
in due parti pressoché uguali. Numerosi scienziati (tra i primi
Leo
Szilard) compresero che le reazioni di fissione rilasciavano ulteriori
neutroni, con il risultato di potere originare una
reazione nucleare a catena in grado di alimentarsi da sola. Gli scienziati
in molte nazioni (inclusi gli
Stati Uniti, il
Regno
Unito, la
Francia, la
Germania
e l'URSS)
furono spronati dai risultati sperimentali a chiedere ai loro rispettivi
governi un supporto alla ricerca sulla fissione nucleare.
Negli Stati Uniti, dove emigrarono sia Fermi che Szilard, fu costruito il
primo reattore, conosciuto come
Chicago Pile-1, che divenne critico il
2
dicembre 1942.
Questo lavoro rientrò nell'ambito del
progetto Manhattan, che portò anche alla costruzione di enormi reattori a
Hanford allo scopo di produrre
plutonio
da utilizzare per le prime
armi nucleari (parallelamente fu approntato un piano di
arricchimento dell'uranio).
Dopo la
seconda guerra mondiale, il timore che la ricerca sui reattori potesse
incoraggiare il rapido sviluppo di armi nucleari anche in funzione delle
conoscenze accumulate, insieme all'opinione di molti scienziati che ritenevano
occorresse un lungo periodo di sviluppo, crearono una situazione in cui la
ricerca in questo settore fu tenuta sotto stretto controllo dai governi.
Effettivamente, la maggioranza delle ricerche sui reattori era incentrata a
fini puramente militari. L'elettricità
venne prodotta per la prima volta da un reattore nucleare il
20
dicembre 1951,
alla stazione sperimentale
EBR-I (Experimental Breeder Reactor I) vicino ad
Arco, che inizialmente produceva circa 100 kW (fu anche il primo reattore
a sperimentare la parziale fusione del nocciolo nel
1955). Nel
1953 un discorso
del presidente
Dwight Eisenhower, "Atoms
for Peace", enfatizzò l'utilizzo dell'atomo per scopi civili e sostenne un
piano politico per porre in prima piano gli Stati Uniti in un'ottica di
sviluppo internazionale del nucleare. Nel
1954
Lewis Strauss, presidente della Atomic Energy Commission statunitense, in
un convegno di scrittori scientifici sostenne: "Non è troppo aspettarsi che i
nostri figli usufruiranno nelle loro case di energia elettrica troppo
economica per poter essere misurata".[1]
Primi anni
La centrale nucleare di
Shippingport fu inaugurata nel
1957 e
rappresentò il primo reattore commerciale statunitense.
Il discorso pronunciato da Strauss nel 1954 contribuì ad alimentare il
dibattito pubblico. A quei tempi il consenso politico ed economico sull'uso
dell'energia nucleare era dettato dalla possibilità di usufruire di energia
più economica rispetto alle fonti energetiche convenzionali.
Il 27
giugno 1954,
la centrale nucleare di
Obninsk
divenne il primo impianto al mondo a generare elettricità per una
rete di trasmissione e produceva circa 5 MW di potenza.[2][3]
Nel 1955 la
"Prima Conferenza di Ginevra" delle
Nazioni Unite, il più grande incontro mondiale di scienzati e ingegneri,
si riunì per studiare la tecnologia. Nel
1957 venne
lanciata l'EURATOM
accanto alla
Comunità Economica Europea (quella che successivamente divenne l'Unione
Europea). Nello stesso anno nacque anche l'Agenzia
Internazionale per l'Energia Atomica (IAEA).
La prima centrale nucleare commerciale al mondo fu la
Calder Hall, a
Sellafield in
Inghilterra, e iniziò a lavorare nel
1956 con una
potenza iniziale di 50 MW (successivamente divenuti 200 MW).[4]
Il primo reattore nucleare operativo negli Stati Uniti fu invece il reattore
di
Shippingport, in
Pennsylvania (dicembre 1957).
Una delle prime organizzazioni che svilupparono la tecnologia nucleare fu
la
Marina Americana, per la propulsione dei
sottomarini e delle
portaerei.
Grande sostenitore di questa applicazione del nucleare fu l'ammiraglio
Hyman Rickover, che tra l'altro sostenne anche la costruzione del reattore
di Shippingport. La Marina Americana ha utilizzato più reattori nucleari di
qualsiasi altra organizzazione, inclusa la
Marina Sovietica, mantenendo il riserbo sui maggiori incidenti conosciuti.
Il primo sottomarino nucleare,
USS Nautilus (SSN-571), solcò i mari nel 1955. Due sottomarini nucleari
statunitensi,
USS Scorpion (SSN-589) e
USS Thresher (SSN-593), andarono dispersi in mare.
Enrico Fermi e Leo Szilard condivisero il brevetto
U.S. Patent 2,708,656 nel 1955 per il primo reattore nucleare,
garantendosi tardivamente per il loro lavoro svolto durante il progetto
Manhattan.
Sviluppo
Andamento storico dell'utilizzo di energia nucleare (in alto) e del
numero di centrali nucleari attive (in basso).
La potenza delle centrali nucleari aumentò velocemente, passando da meno di
1 GW nel 1960 a
100 GW nei tardi
anni '70
e 300 GW nei tardi
anni '80.
Dal tardo 1980 la potenza è andata crescendo molto più lentamente,
raggiungendo i 366 GW nel
2005, con la
maggiore espansione avutasi in
Cina. Tra il
1970 e il
1990 furono in
costruzione centrali per più di 50 GW di potenza, con un picco a oltre 150 GW
tra il tardo 1970 e i primi anni del 1980; nel 2005 sono stati pianificati
circa 25 GW di nuova potenza. Più dei 2/3 di tutti gli impianti nucleari
programmati dopo il gennaio 1970 furono alla fine cancellati.[5]
Durante gli anni '70 e '80 il crescere dei costi economici (legati ai tempi
di costruzione delle centrali) e la diminuzione dei prezzi dei
combustibili fossili resero gli impianti nucleari allora in costruzione
meno attrattivi. Negli anni 1980, negli Stati Uniti, e negli
anni 1990,
in Europa, la
crescita meno marcata della potenza e la liberalizzazione dell'elettricità
hanno anche contribuito a rendere la tecnologia meno attraente.
La
crisi del petrolio del 1973 ebbe un forte effetto sulle politiche
energetiche: la Francia e il
Giappone
che usavano soprattutto
petrolio
per produrre energia elettrica (rispettivamente, in tal modo producevano il
39% e il 73% dell'energia elettrica totale) investirono sul nucleare.[6][7]
Oggi le centrali nucleari forniscono rispettivamente circa l'80% e il 30% di
elettricità in queste nazioni.
L'opinione pubblica, in seguito a incidenti quali quello di
Three Mile Island nel
1979 e il
disastro di Chernobyl del
1986, ha dato
vita negli ultimi venti anni del
ventesimo secolo ad alcuni movimenti che hanno influenzato la costruzione
di nuovi impianti in molte nazioni.
Diversamente dall'incidente di Three Mile Island, il più grave incidente di
Chernobyl non influì sulla regolamentazione della costruzione dei nuovi
reattori occidentali, dato che la tecnologia di Chernobyl utilizzava i
problematici
reattori RBMK sfruttati solamente in Unione Sovietica e per esempio
carenti di strutture di contenimento.[8]
L'Associazione
Mondiale di Operatori del Nucleare (WANO) venne creata nel
1989 allo scopo
di promuovere la cultura della sicurezza e lo sviluppo professionale degli
operatori impiegati nel campo dell'energia nucleare.
In Irlanda,
Nuova Zelanda e
Polonia
l'opposizione ha impedito lo sviluppo di programmi nucleari, mentre in
Austria
(1978), Svezia
(1980) e Italia
(sull'onda di Chernobyl nel 1987) un referendum ha bloccato l'utilizzo del
nucleare.
Futuro
Al 2007,
Watts Bar 1, che divenne operativo il
7
febbraio 1996,
è l'ultimo reattore commerciale entrato in funzione negli Stati Uniti. Questo
fatto viene spesso citato come riprova del successo della campagna mondiale
per il superamento dell'energia nucleare. A dispetto di ciò negli stessi Stati
Uniti e in Europa l'investimento nella ricerca è continuato e alcuni esperti
attualmente prevedono che la carenza di energia elettrica, l'aumento e
l'esaurimento dei combustibili fossili, il
riscaldamento globale e le emissioni legate all'utilizzo di tali
combustibili, i livelli di controllo e di sicurezza raggiunti porteranno a una
nuova domanda di centrali nucleari.[9][10]
Molte nazioni restano particolarmente attive nello sviluppo dell'energia
nucleare, tra le quali Giappone,
Cina e
India, tutte
attive nello sviluppo della tecnologie sia veloce sia termica; la
Sud Corea e gli Stati Uniti solamente nello sviluppo della tecnologia
termica; e
Sud Africa e Cina nello sviluppo di versioni di
reattore nucleare modulare pebble bed (PBMR).
Finlandia
e Francia perseguono attivamente programmi nucleari; la Finlandia ha in
costruzione un nuovo
reattore nucleare europeo ad acqua pressurizzata dell'Areva,
che attualmente è in ritardo di due anni rispetto ai programmi.[11]
Il Giappone ha un attivo programma di costruzione di centrali nucleari con
nuove unità divenute operative nel
2005. Negli Stati
Uniti tre consorzi risposero nel
2004 alla
sollecitazione dello
United States Department of Energy riguardante il "Programma di Energia
Nucleare 2010" e furono compensati con fondi per la costruzione di nuovi
reattori, tra cui un reattore di quarta generazione
VHTR concepito per produrre sia elettricità che
idrogeno.[12]
Nei primi anni del
ventunesimo secolo l'energia nucleare ha destato particolare interesse in
Cina e India per sostenere il loro rapido sviluppo economico; entrambe stanno
sviluppando
reattori riproduttori rapidi.
[13][14]
La politica energetica del Regno Unito riconosce la probabile futura carenza
di approvvigionamento energetico, che potrà essere colmata dalla costruzione
di nuove centrali nucleari o prolungando il tempo di vita degli attuali
impianti esistenti.
[15]
Il
20 dicembre 2002
il Consiglio dei Ministri
bulgaro
si espresse favorevolmente alla ripresa della costruzione della centrale
nucleare di
Belene. Le fondamenta dell'impianto furono poste nel 1987, però la
costruzione fu abbandonata nel 1990, con il primo reattore pronto al 40%. Si
prevede che il primo reattore divenga operativo nel
2013, e il
secondo nel 2014.[16]
Centrale nucleare a fissione
Funzionamento
Schema di funzionamento di una centrale nucleare a fissione. Il
calore sviluppato dalla reazione di fissione all'interno del reattore
viene trasferito tramite un
fluido
diatermico a un flusso di acqua che genera
vapore surriscaldato. Il vapore alimenta una
turbina
che tramite un
generatore produce la corrente che alimenterà la rete elettrica.
In una centrale nucleare a fissione, come ogni centrale elettrica basata su
un
ciclo al vapore, avviene una reazione che libera
calore
utilizzato per la
vaporizzazione dell'acqua e quindi la generazione di
lavoro meccanico. Il principio fisico alla base della generazione del
calore in una centrale nucleare a fissione è dunque la fissione nucleare,
ovvero la scissione del nucleo di atomi pesanti quali
uranio e
plutonio.
Caratteristiche generali
La stima dell'uranio disponibile dipende dalla tipologia di risorse
considerate. I quadrati rappresentano le dimensioni relative delle
differenti stime, dove i numeri in basso indicano la durata di una
specifica fonte in base al consumo attuale.
██ Riserve nelle miniere attuali
██ Riserve economiche conosciute
██ Fonti convenzionali non ancora scoperte
██ Fonti minerarie totali ai prezzi del
2004
██ Fonti non convenzionali (almeno 4
miliardi di tonnellate)
Ad agosto 2007 vi erano 439 centrali nucleari operative nel mondo, in 31
diversi stati,[17][18]
che attualmente producono il 17% dell'energia elettrica mondiale. La potenza
degli impianti varia da un minimo di 40
MW fino ad oltre
un gigawatt
(1000 MW). Le centrali più moderne hanno tipicamente potenza compresa tra i
600 MW e i 1200 MW. Solo le centrali termoelettriche a combustibili fossili e
le centrali nucleari raggiungono questa potenza con un singolo impianto,
attualmente.
La vita operativa di una centrale nucleare è in genere stata stimata di
25-30 anni, anche se oggi si pensa alla futura progettazione di centrali che
possano lavorare per 60 anni.[19]
Al termine di questo periodo l'impianto va smantellato, il terreno bonificato
e le
scorie stoccate adeguatamente. Questi aspetti, in parte comuni ad esempio
alle miniere ed agli impianti chimici, assumono particolare rilevanza tecnica
ed economica per le centrali nucleari, al punto da vanificare in buona parte
il vantaggio dovuto al basso
costo specifico del combustibile. Il costo di smantellamento viene oggi
ridotto prevedendo un lungo periodo di chiusura della centrale, che permette
di lasciar decadere naturalmente le scorie radioattive poco durevoli,
costituite dalle parti di edificio sottoposte a bombardamento neutronico.
Per quanto riguarda i consumi, in base ai dati a disposizione una centrale
nucleare "media" da 1000 MWe necessita all'incirca di 30 tonn. di uranio
arricchito all'anno o 150/200 tonnellate di uranio naturale; a titolo di
confronto, una centrale elettrica a
carbone da 1000 MWe richiede 2 600 000 tonn. di combustibile fossile[20].
Sicurezza
Centrale nucleare di
Civaux
(Francia).
Di proprietà della
EDF, utilizza
l'acqua della
Vienne ed è composta da due unità di 1500 MW ciascuna. È una delle
più moderne attualmente in funzione in Francia. Nonostante ciò è oggetto
di contestazione da parte delle popolazioni locali a causa dei numerosi
incidenti di minore entità cui è stata soggetta.[21]
In alcune tipologie di reattori l'acqua del ciclo di potenza dei generatori
a turbina non ha alcun contatto con il reattore nucleare, e quindi è esente da
qualsiasi forma di emissione radioattiva; in altre tipologie (come ad esempio
i
reattori BWR) invece questa separazione non esiste. Durante l'esercizio
normale, l'insieme delle centrali rilascia nell'ambiente una quantità di
radiazioni molto bassa: circa 0,2
millirem/anno, quando il totale di radiazioni di origine artificiale
risulta essere di 67 millirem/anno. Di contro, l'esposizione alla
radioattività naturale risulta essere di 126 millirem/anno (quasi il doppio)
composta principalmente da 50 millirem/anno legati alla
radiazione cosmica, 47 millirem/anno alle emissioni della
Terra e
addirittura 21 millirem/anno dovuti ai
tessuti umani.[22]
Le centrali nucleari a fissione seguono oggi standard di sicurezza di
livello molto elevato e normalmente condensano al loro interno un bagaglio
tecnologico molto avanzato per la gestione di tutti i processi. Le centrali
nucleari a fissione sono di fatto tra gli impianti più controllati in uso oggi
anche se storicamente si sono verificati diversi
incidenti di gravità più o meno seria che hanno permesso di affinare
procedure e tecniche costruttive. Prendendo in esame il problema dal punto di
vista puramente tecnico, una centrale nucleare recente integra sistemi di
protezione (ad esempio di caduta del nocciolo) e di verifica tali da mitigare
(ma non annullare) tutti i problemi prevedibili.
La
IAEA ha stabilito una scala (scala INES - International Nuclear Event
Scale) di gravità degli incidenti possibili in una centrale nucleare, che
si articola nei seguenti livelli:
- Livello 0 (deviazione): Evento senza rilevanza sulla sicurezza.
- Livello 1 (anomalia): Evento che si differenzia dal normale
regime operativo, che non coinvolge malfunzionamenti nei sistemi di
sicurezza, né rilascio di contaminazione, né sovraesposizione degli addetti.
- Livello 2 (incidente): Evento che riguardi malfunzionamento delle
apparecchiature di sicurezza, ma che lasci copertura di sicurezza
sufficiente per malfunzionamenti successivi, o che risulti in esposizione di
un lavoratore a dosi eccedenti i limiti e/o che porti alla presenza di
radionuclidi in aree interne non progettate allo scopo, e che richieda
azione correttiva.
- esempio: l'incidente di
Civaux,
Francia 1998
- Livello 3 (incidente serio): Un incidente sfiorato, in cui solo
le difese più esterne sono rimaste operative, e/o rilascio esteso di
radionuclidi all'interno dell'area calda, oppure effetti verificabili sugli
addetti, o infine rilascio di radionuclidi tali che la dose critica
cumulativa sia dell'ordine di decimi di
mSv.
- Livello 4 (incidente grave senza rischio esterno): Evento
causante danni gravi all'installazione (ad esempio fusione parziale del
nucleo) e/o sovraesposizione di uno o più addetti che risulti in elevata
probabilità di decesso, e/o rilascio di radionuclidi tali che la dose
critica cumulativa sia dell'ordine di pochi
mSv.
- Livello 5 (incidente grave con rischio esterno): Evento causante
danni gravi all'installazione e/o rilascio di radionuclidi con attività
dell'ordine di centinaia di migliaia di
TBq
come 131I, e che possa sfociare nell'impiego di
contromisure previste dai piani di emergenza.
- Livello 6 (incidente serio): Evento causante un significativo
rilascio di radionuclidi e che potrebbe richiedere l'impiego di
contromisure, comunque meno rischioso dell'incidente di livello 7.
- esempio: l'incidente di
Kyshtym, URSS (1957)
- Livello 7 (incidente molto grave): Evento causante rilascio
importante di radionuclidi, con estesi effetti sulla salute e sul
territorio.
- esempio : L'incidente di
Chernobyl, URSS (1986)
Si noti come in quattro casi, in oltre 50 anni di esercizio, si siano avuti
incidenti gravi con contaminazione esterna (e di questi, 3 abbiano riguardato
la filiera gas-grafite, oggi obsoleta). Molto più numerosi e spesso poco noti
sono gli incidenti anche gravi e con potenziale rischio esterno dovuti
principalmente a errori umani e che tuttavia sono stati confinati all'interno
delle centrali grazie alle misure di sicurezza ed in qualche caso anche grazie
alla fortuna, come nel caso di Browns Ferry in cui un gruppo di tecnici
provocarono un incendio nel tentativo di riparare una perdita d'aria da un
tubo
[23]. Continui e molto frequenti sono gli eventi di livello 0 e 1,
sia in occidente che nel resto del mondo.
Centrale nucleare a fusione
Le future centrali a
fusione nucleare si baseranno su un principio differente: anziché scindere
atomi pesanti mediante bombardamento con neutroni come avviene nella fissione,
la fusione implica invece l'unione di due atomi leggeri, generalmente
trizio e
deuterio,
ottenendo dal processo una enorme quantità di energia termica, un nuovo nucleo
più grande (quale l'elio)
e nucleoni.
È lo stesso processo utilizzato dal
Sole e nelle
bombe termonucleari (o bombe all'idrogeno, infatti deuterio e trizio sono
isotopi dell'idrogeno). Questo tipo di reattori è da anni allo studio di
diversi gruppi di scienziati e tecnici, ma sembra non aver ancora dato
risultati apprezzabili in quanto, pur essendo riusciti ad avviare la reazione
di fusione, a oggi non si è in grado di mantenerla stabile per tempi
significativi. Attualmente si attende la realizzazione del progetto
ITER, un impianto
che vorrebbe dimostrare la possibilità di ottenere un bilancio energetico
positivo (ma senza produzione di energia elettrica). Un altro progetto è
DEMO che prevede
la realizzazione di una vera e propria centrale a fusione nucleare. Le stime
attuali non prevedono l'utilizzo effettivo di energia da fusione nucleare
prima del 2050.
Vantaggi e svantaggi
Le centrali a fusione nucleare produrrebbero, come principale tipo di
scoria, elio 4
che è un gas inerte e assolutamente non radioattivo, inoltre non userebbero
sistemi a combustione e quindi non inquinerebbero l'atmosfera (di fatto non
avrebbero emissioni di pericolosità rilevante). In più dovrebbero essere in
grado di ottenere grandi quantità di energia, superiori rispetto a quelle
delle centrali a fissione odierne.
Esistono vari meccanismi di fusione nucleare, tuttavia il più facile da
produrre artificialmente richiede l'utilizzo di due
isotopi
pesanti dell'idrogeno:
deuterio
e trizio. Il
deuterio rappresenta una minima percentuale dell'idrogeno in natura, ma può
essere convenientemente ottenuto tramite elettrolisi dall'acqua
pesante. Il trizio, al contrario, ha una vita media molto breve e non è
presente in natura; può essere prodotto con reazioni nucleari indotte tramite
bombardamento neutronico di isotopi del
litio[24].
Inoltre, a causa della sua instabilità, il trizio non può essere stoccato per
lunghi periodi; deve essere prodotto sul momento sfruttando i neutroni
prodotti dalle reazioni di fusione oppure da un centrale ausiliaria a
fissione.
Si può alimentare una reazione di fusione anche solo con atomi di deuterio,
tuttavia il bilancio energetico, meno conveniente della reazione di fusione
del deuterio, ne rende molto più difficile lo sfruttamento ai fini della
produzione di energia.
La fusione richiede temperature di lavoro elevatissime, tanto elevate da
non poter essere contenuta in nessun materiale esistente. Il
plasma di fusione viene quindi trattenuto grazie all'ausilio di campi
magnetici di intensità elevatissima, e le alte temperature vengono raggiunte
con l'utilizzo di potenti
laser. Il tutto
rende il processo difficile, tecnologicamente dispendioso e complesso.
Inoltre rimane per queste, come per le centrali nucleari a fissione, il
problema delle scorie a breve vita derivanti dall'attivazione neutronica di
parti degli edifici di centrale, le quali anche se poco durevoli sono, in
termini quantitativi, molto grandi.
Classificazione dei reattori nucleari
- Reattori nucleari di I generazione:
- Reattori moderati a grafite:
- Reattori raffreddati e moderati ad acqua:
-
BWR (Boiling Water Reactor) come il
Borax, uno dei primi reattori al mondo, in cui il fluido che muove
la turbina entra in contatto con gli elementi di combustibile;
-
PWR, reattori ad acqua pressurizzata (Pressurized Water Reactor), in
cui esiste un fluido intermedio (categoria a cui appartiene la centrale
di
Three Mile Island).
(principi fisici applicati in fase di definizione teorica)
- Tokamak
(тороидальная камера с магнитными катушками) o Camera toroidale a bobine
magnetiche
Note
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24/11/2001 pagg. 0015 - 0020
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per la Documentazione e l'Informazione Scientifica
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Masterton, E.J. Slowinski, C.L. Stanitski, Principi di chimica,
Piccin Nuova Libraria, 1990 (II° ed. italiana) - vedi pag. 849 tabella
Esposizioni alle radiazioni tipiche negli Stati Uniti
- ^ In
inglese:
http://www.ccnr.org/browns_ferry.html e
http://en.wikipedia.org/wiki/Brown's_Ferry
- ^
Energia da Fusione (PDF)
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