Come funziona una centrale nucleare

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Le centrali nucleari rappresentano uno dei metodi tecnologicamente più avanzati al mondo per generare elettricità. Sfruttano l'energia sprigionata dalla scissione degli atomi (fissione) per produrre enormi quantità di calore, che viene poi convertito in elettricità. Nonostante le preoccupazioni relative alla sicurezza e alla gestione dei rifiuti, le centrali nucleari producono energia con emissioni minime di gas serra e possono funzionare quasi ininterrottamente per lunghi periodi di tempo.

Principi fondamentali dell'energia nucleare

Il funzionamento di una centrale nucleare si basa su un processo naturale chiamato fissione nucleare. Durante la fissione, un atomo pesante, solitamente uranio-235 o plutonio-239, viene colpito da un neutrone e si divide in atomi più piccoli. Questo processo rilascia enormi quantità di energia sotto forma di calore, oltre a ulteriori neutroni che possono causare ulteriori fissioni, creando una reazione a catena autosostenuta.

La reazione a catena

Affinché una centrale nucleare funzioni in sicurezza, la reazione a catena deve essere attentamente controllata. Questo si ottiene utilizzando:

• barre di controllo: Realizzato con materiali che assorbono i neutroni, come il boro o il cadmio
• Ritardanti: Materiali come l'acqua, l'acqua pesante o la grafite che rallentano i neutroni
• Sistemi di raffreddamento: Per rimuovere il calore generato ed evitare il surriscaldamento del nucleo

Le parti principali di una centrale nucleare

1. Il reattore

Il cuore di ogni centrale nucleare è il reattore nucleare. È la parte in cui avviene la fissione nucleare. È costituito da:

• Nucleo del reattore: Contiene il combustibile nucleare (solitamente uranio arricchito in pellet)
• barre di combustibile: Tubi metallici contenenti i pellet di combustibile
• barre di controllo: Regolano la velocità della reazione
• Refrigerante: Di solito l'acqua circola all'interno del nucleo per assorbire il calore

Il reattore è installato all'interno di un recipiente a pressione, realizzato in acciaio spesso diversi centimetri, che resiste ad alte pressioni e temperature.

2. Il sistema di generazione del vapore

Il calore generato nel reattore viene trasferito ai generatori di vapore attraverso il refrigerante. Esistono due tipi principali di sistemi:

• Reattori ad acqua bollente (BWR): L'acqua bolle direttamente nel nocciolo del reattore e il vapore aziona le turbine
• Reattori ad acqua pressurizzata (PWR): L'acqua nel ciclo primario viene mantenuta ad alta pressione e trasferisce calore ad un circuito secondario, dove viene prodotto vapore

3. Le turbine e il generatore

Il vapore ad alta pressione prodotto viene convogliato verso le turbine, che ne determinano la rotazione. Le turbine sono collegate a un generatore che converte l'energia meccanica della rotazione in energia elettrica. Questo processo di conversione è simile a quello utilizzato nelle centrali elettriche convenzionali alimentate a carbone o gas naturale.

4. Il condensatore

Dopo l'attivazione delle turbine, il vapore a bassa pressione passa attraverso un condensatore, dove viene raffreddato e riconvertito in acqua. Quest'acqua viene pompata nuovamente nei generatori di vapore, riavviando il ciclo. Il raffreddamento avviene solitamente con acqua di lago, fiume o mare, oppure tramite torri di raffreddamento che rilasciano calore nell'aria.

5. Sistemi di sicurezza

Gli impianti nucleari dispongono di molteplici sistemi di sicurezza indipendenti per prevenire e rispondere a potenziali incidenti:

• dighe di contenimento multiple: Include il rivestimento delle barre di combustibile, il recipiente a pressione del reattore e l'edificio di contenimento in cemento armato
• Sistemi di raffreddamento di emergenza: Fornire un raffreddamento di backup al nucleo in caso di guasto del sistema principale
• Sistemi di arresto di emergenza: Possono rapidamente porre fine alla reazione a catena
• Generatori di corrente di riserva: Garantire il funzionamento continuo dei sistemi critici anche in caso di interruzione di corrente

Il ciclo del combustibile nucleare

Il funzionamento di una centrale nucleare fa parte di un ciclo più ampio che comprende:

1. Estrazione e lavorazione dell'uranio

L'uranio viene estratto dai minerali e poi lavorato per produrre un concentrato noto come "torta gialla".

2. Arricchimento

L'uranio naturale contiene circa 0,71 TP3T dell'isotopo fissile U-235. Per la maggior parte dei reattori, questo viene arricchito a circa 3-51 TP3T di U-235.

3. Produzione di carburante

L'uranio arricchito viene convertito in biossido di uranio (UO₂) e compresso in pellet, che vengono poi inseriti nelle barre di combustibile.

4. Utilizzo nel reattore

Le barre di combustibile vengono posizionate nel nocciolo del reattore, dove rimangono per 3-6 anni, fornendo energia.

5. Gestione del combustibile esaurito

Quando il combustibile non è più efficiente, viene rimosso dal reattore. Il combustibile esaurito contiene scorie radioattive che devono essere gestite in sicurezza, tramite lo stoccaggio in strutture speciali o tramite il riprocessamento per recuperare materiali utili.

Vantaggi dell'energia nucleare

• Alta densità energetica: L'uranio contiene milioni di volte più energia per unità di massa rispetto ai combustibili fossili
• Basse emissioni di gas serra: Durante il loro funzionamento, le centrali nucleari non producono CO₂
• Produzione stabile: Gli impianti nucleari possono funzionare ininterrottamente per mesi, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche
• Piccola impronta territoriale: Producono grandi quantità di energia in un'area relativamente piccola

Sfide e preoccupazioni

• Gestione dei rifiuti nucleari: I rifiuti radioattivi restano pericolosi per migliaia di anni
• Rischio di incidenti: Sebbene rari, incidenti come quelli di Chernobyl e Fukushima hanno gravi conseguenze
• Elevati costi di costruzione: La costruzione di nuove centrali nucleari richiede ingenti investimenti
• Inquinamento termico: Il rilascio di calore nell'ambiente può influenzare gli ecosistemi locali

Nuove tecnologie e prospettive future

La ricerca nel campo dell’energia nucleare continua con l’obiettivo di affrontare le sfide e migliorare le prestazioni:

• Reattori di quarta generazione: Sono progettati per essere più sicuri, più economici e produrre meno rifiuti
• Piccoli reattori modulari (SMR): Reattori più piccoli e prefabbricati che possono essere installati più velocemente e a costi inferiori
• Fusione: Sebbene ancora in fase sperimentale, la fusione nucleare promette energia pulita con sprechi minimi

Conclusioni

Le centrali nucleari sono sistemi complessi che convertono l'energia della fissione nucleare in elettricità. Nonostante le sfide legate alla sicurezza e alla gestione dei rifiuti, continuano a svolgere un ruolo importante nel mix energetico di molti paesi, fornendo energia affidabile e a basse emissioni di carbonio. Con il progresso tecnologico e l'aumento della necessità di energia pulita, è probabile che l'energia nucleare continui a essere parte integrante della strategia globale per affrontare il cambiamento climatico.