L’energia nucleare e le centrali: come funzionano?

In questo periodo si sta parlando molto di energia nucleare, finalizzata alla produzione di energia elettrica, sia in ordine ai reattori di Fukushima sia al referendum del 12 e 13 giugno p.v.. Sono stato indotto ad affrontare questo argomento in quanto ho potuto constatare gli errori in cui cade l’informazione radiotelevisiva allorché affronta queste tematiche. Ovviamente lo spazio limitato non consente una trattazione approfondita ed esaustiva, tuttavia un minimo di chiarezza può essere fatto.

Dobbiamo ricordare che oggi si conoscono migliaia di reazioni nucleari: per ciascuna di esse si definisce la corrispondente energia di reazione, cioè l’energia che viene liberata o assorbita nel corso della reazione. Questa definizione è del tutto equivalente a quella delle reazioni chimiche. In queste ultime due o più molecole di sostanze diverse si combinano con altre molecole per dare dei prodotti finali; in questo processo sono coinvolti gli elettroni esterni e le energie in gioco sono sempre di qualche elettronvolt (simbolo eV; 1eV è l’energia acquistata da un elettrone che si muove in un campo elettrico uniforme sotto l’azione della differenza di potenziale di 1 Volt).

Nelle reazioni nucleari, invece, un nucleo ed un corpuscolo nucleare (protone, neutrone, particella alfa …) si combinano per dar luogo ad un nuovo nucleo e ad uno o più corpuscoli. Le energie messe in gioco in questi processi, coinvolgendo le forze nucleari agenti tra nucleoni (protoni e neutroni), sono dell’ordine di alcuni milioni di eV. Nelle reazioni chimiche le energie coinvolte sono molto più basse in quanto è la forza elettromagnetica (molto meno intensa di quella nucleare) che regola il comportamento degli elettroni.

Come nel caso delle reazioni chimiche, anche nelle reazioni nucleari, sono chiamate esoenergetiche quelle che avvengono con liberazione di energia ed endoenergetiche quelle che avvengono con assorbimento di energia. È evidente che agli effetti dello sviluppo di energia praticamente utilizzabile, vengono considerate solo le reazioni esoenergetiche. Queste ultime si possono ulteriormente dividere in due classi: le reazioni di fusione e quelle di fissione. Insomma si può ottenere energia sia fondendo due nuclei molto leggeri per ottenerne uno più pesante ( reazioni di questo tipo hanno luogo nella parte centrale delle stelle dove le alte temperature consentono la fusione di quattro nucleoni in un nucleo di elio), sia spezzando un nucleo pesante in due o più frammenti più leggeri (reazioni in cui per esempio un nucleo di uranio, colpito da un neutrone, si spezza in due frammenti più piccoli).

È proprio quest’ultimo tipo di reazione che è alla base della produzione di energia nelle odierne centrali nucleari. Il primo reattore nucleare a fissione fu messo in funzione a Chicago il 2 dicembre 1942 da un gruppo di scienziati guidato da Enrico Fermi. Da allora la tecnologia ha fatto enormi progressi, anche se il principio fisico di base è rimasto immutato. Quando un elettrone colpisce un nucleo di uranio-235 (235 è il numero di massa, cioè la somma dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo) avviene la sua scissione in due nuclei con liberazione di energia e produzione di due o tre neutroni. Muovendosi attraverso la massa dell’uranio circostante, i neutroni emessi possono colpire altri nuclei di uranio-235, dando così luogo ad altre fissioni accompagnate da emissione di ulteriore energia e di altri neutroni. Innescata da un primo protone, la serie successiva di fissioni si mantiene da sé, liberando energia che riscalda la massa di uranio entro cui si svolge la reazione a catena.

In pratica è necessario tener conto di alcune condizioni se si vuole che la reazione a catena inizi e si mantenga senza diventare incontrollabile. Per semplificare ricordo due condizioni:

1. L’uranio-235 subisce fissione ad opera di neutroni lenti (neutroni che hanno perso energia per urti elastici contro nuclei più leggeri dell’uranio trovati lungo il loro cammino). I neutroni sono rallentati da un materiale detto moderatore che nella fattispecie è rappresentato dall’acqua pesante (D2O, in cui D è l’isotopo dell’idrogeno avente numero di massa 2, mentre l’idrogeno comune ha numero di massa 1)

2. La disposizione geometrica del reattore va studiata con cura allo scopo di ridurre al minimo le perdite di neutroni attraverso la sua superficie. La parte essenziale del reattore, o nocciolo, ha di solito forma cilindrica. Essa è composta da un moderatore (anche l’acqua normale può essere usata se l’uranio è stato previamente arricchito) entro cui sono immerse le barre di uranio, anch’esse cilindriche con un diametro di qualche centimetro e un’altezza di un paio di metri. Le barre di controllo sono costituite da sostanze avide di neutroni e servono per controllare lo sviluppo di potenza del reattore. Inserendole tra le barre di uranio, molti neutroni sono assorbiti, bloccando così la reazione a catena. Nel nocciolo dei più comuni reattori ad acqua una pompa fa circolare l’acqua sotto pressione: l’energia liberata dalle fissioni ne determina l’aumento di temperatura. Il calore così accumulato viene asportato scaldando del vapore acqueo che viene fatto circolare in un circuito esterno al nocciolo. Questo vapore mette poi in azione una turbina e infine un alternatore che produce energia elettrica (vedi figura).

La trentina di elementi prodotti dalla fissione dell’uranio-235 devono essere rimossi al fine di non interrompere la reazione a catena. Pertanto, periodicamente, è necessario estrarre dal reattore le barre di uranio e sottoporte ad un trattamento chimico per purificarle dai prodotti della fissione.

Esistono diversi tipi di reattori a fissione per la produzione di energia elettrica: i più diffusi in Occidente sono quelli che impiegano acqua normale sia per il rallentamento dei neutroni sia per il raffreddamento del nocciolo. È da ricordare che i reattori ad acqua, anche quando viene interrotta la reazione a catena, continuano a produrre calore a causa del decadimento radioattivo dei radioisotopi, generati nel processo di fissione, che restano intrappolati nelle barre di combustibile. Per evitare che esse fondano (cioè diventino liquide; non si tratta di fusione nucleare) i reattori sono dotati di sistemi di sicurezza il cui funzionamento non dà mai la garanzia del 100%.

Solo i reattori a fusione, difficili da realizzare per la necessità di sopportare temperature altissime, potranno consentire di produrre energia senza il rischio di contaminazioni radioattive.