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COS’E’ UN REATTORE NUCLEARE

LE CENTRALI TERMICHE
Il metodo oggi più diffuso per produrre energia elettrica è la centrale termica. In una centrale termica l’energia elettrica viene prodotta da vapore ad alta pressione che passa in particolari apparecchiature, le turbine, alle quali sono collegati i generatori elettrici. Si possono distinguere tre sezioni:

  1. La sezione che produce energia termica e quindi vapore, mediante una caldaia che sfrutta l’energia chimica di un combustibile o mediante un reattore nucleare.
  2. La sezione che trasforma l’energia termica in energia meccanica, tramite una turbina che sfrutta l’espansione del vapore.
  3. La sezione che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica, mediante dispositivi magnetici, gli alternatori.

IL REATTORE NUCLEARE
La differenza fra una centrale nucleare ed una qualsiasi altra centrale termica, come quelle a carbone o a petrolio, che oggi sono le più diffuse, è dovuta solo al modo di produzione dell’energia termica.
L’elemento caratteristico della centrale nucleare è rappresentato dal reattore che prende il posto delle enormi caldaie dove l’acqua del circuito primario viene riscaldata per mezzo della combustione di tonnellate di carbone o di derivati del petrolio. Non è perciò nostro compito spiegare la fisica del processo di produzione dell’energia elettrica, ma solo quella del processo di produzione dell’energia termica. Nei reattori questo processo si basa sulla fissione dell’uranio, un particolare tipo di decadimento nucleare molto energetico. Il nostro scopo sarà perciò capire come avvengono queste reazioni e come si possono controllare.

IL COMBUSTIBILE
Il combustibile utilizzato in un reattore nucleare è costituito essenzialmente da uranio, un metallo abbastanza diffuso sulla crosta terrestre. Spesso al posto dell’uranio metallico vengono impiegati ossidi di uranio.
Il termine di combustibile. non deve suscitare l’idea che l’uranio o i suoi ossidi brucino esattamente come il carbone: con esso si vuole semplicemente indicare la fonte dell’energia termica.

LA RADIOATTIVITA’
Nel 1896 Il fisico francese Becquerel ha scoperto che alcuni minerali emettono radiazioni capaci di impressionare una lastra fotografica. Questa scoperta diede il via a importantissime ricerche, che durano tuttora, che consentirono di definire i moderni modelli del nucleo. Infatti dall’analisi di questi raggi energetici risulta che erano costituiti da frammenti di atomo.
In particolare oggi si conoscono:
Raggi (o particelle) alfa: un nucleo di elio (due protoni e due neutroni). Molto energetiche ma poco penetranti (sono fermate da un foglio di carta).
Raggi (o particelle) beta: elettroni emessi dal nucleo, meno energetici dei raggi alfa, ma pjù penetranti (attraversano 10 cm d’acqua).
Raggi gamma: onde elettromagnetiche (come la luce) ma molto più energetici. Hanno energie simili a quelle dei raggi beta, ma sono molto più penetranti (per fermarle ci vogliono metri di acqua). Onde elettromagnetiche come i raggi gamma, ma meno energetiche (prodotte quasi esclusivamente con mezzi artificiali) sono dette “raggi X”.
Raggi neutronici: neutroni emessi dal nucleo, possono avere varie energie, sono molto penetranti ma hanno poteri di penetrazione molto diversi secondo i vari materiali, mentre per gli altri raggi il potere frenante dei vari materiali è determinato dalla densità e dal numero atomico.

L’ ENERGIA
Ogni volta che avviene una disintegrazione nucleare, sia di fissione che naturale, viene emessa certa una quantità di energia sotto forma di onde elettromagnetiche o di energia cinetica (energia di movimento) delle particelle. Infatti, le forze che tengono uniti i nucleoni ( le forze nucleari) agiscono su un breve raggio, mentre le forze che cercano di allontanarli (le forze elettromagnetiche) agiscono a qualunque distanza. Se una particella spezza le forze nucleari ed esce dal nucleo si trova nella stessa condizione di una massa che ruota intorno a un punto trattenuta da un filo, quando il filo si spezza. La massa sfuggirà con una velocità, e quindi un’energia, tanto maggiore quanto maggiore è la velocità con cui ruotava intorno al punto (quindi quanto più robusto era il filo che la tratteneva).
Qualunque energia, comunque, sia cinetica che elettromagnetica, alla lunga si trasforma in calore, per cui ogni materiale radioattivo genera calore. Il calore generato dalla radioattività naturale, però, non è abbastanza intenso da far funzionare una centrale termica. Diverso è il discorso per la reazione di fissione, che, a causa dei neutroni che produce, è in grado di autosostenersi o di aumentare di intensità, anche molto rapidamente (reazione a catena, che studieremo nel prossimo capitolo). Sfruttando la reazione a catena si sono realizzate sia le bombe atomiche che i reattori nucleari

DESCRIZIONE DEL REATTORE
E’ naturalmente impossibile illustrare qui nei dettagli la struttura di un reattore nucleare, ci limiteremo a darne qualche idea.
Potenza di un reattore nucleare
La potenza dei reattori nucleari, come di tutte le centrali di grandi dimensioni per la produzione di energia elettrica si misura in megawatt (MW), cioè milioni di Watt. Per dare un’idea del significato di queste potenze potrei dire che una normale utenza elettrica domestica prevede una potenza massima di circa 3 KW (3000 Watt, 0.003 MW). Una centrale di 1 M W può perciò fornire energia a cinquecento famiglie circa, considerando che non sempre tutti usano la piena potenza installata.
I primi reattori avevano potenze dell’ordine delle decine di MW, poi le potenze sono andate aumentando fino ad arrivare a 1.000/1.500MW. I progetti più moderni si orientano su potenze minori dell’ordine dei 200-300 MW, ritenute più sicure.

Dimensioni di un reattore
Il nocciolo di un reattore nucleare è di regola di forma cilindrica. Naturalmente le dimensioni variano molto secondo la potenza e il tipo di reattore, comunque l’altezza del nocciolo può andare da 3 a 7 – 8 metri, il diametro da 3-4 metri a 10-12 metri. Il nocciolo è di regola racchiuso in un contenitore d’acciaio, che a sua volta e collocato in un edificio di cemento armato a tenuta stagna. Questo edificio è circondato da un secondo edificio più grande e infine il tutto è racchiuso in un terzo edificio di sicurezza, che deve resistere in caso di incidente con fuoriuscita di prodotti radioattivi. Le dimensioni di quest’ultimo edificio sono di regola notevoli, anche se cambiano molto secondo il progetto. Intorno all’edificio principale del reattore sorgono diversi altri edifici di servizio, alcuni molto grandi, che ospitano la sala macchine per la produzione di energia elettrica, le centrali di controllo e i dispositivi di emergenza. I progetti più moderni prevedono diversi edifici staccati per alloggiare le apparecchiature di emergenza, in modo da renderle il più possibile indipendenti l’una dall’altra e in grado quindi di intervenire anche in caso di danni a uno degli edifici.
Il reattore di Cernobyl era alloggiato in un unico grande edificio che comprendeva due reattori, la sala macchine e la sala di controllo. Mancava il terzo edificio di contenimento intorno aI reattore. Anche questo ha contribuito ad aggravare le conseguenze del disastro Il combustibile
Come accennato il combustibile dei reattori è normalmente uranio. L ‘uranio è un metallo molto pesante, dalle scarse proprietà meccaniche, molto reattivo chimicamente. Si preferisce nella maggior parte dei casi impiegare al posto di uranio metallico ossido di uranio, che si presenta come una polvere che può essere compressa ad alta temperatura (sinterizzata) fino a formare barrette di ceramica, che hanno un’ottima resistenza agli agenti chimici e al calore.
Una “barra di combustibile” è un cilindro, con un diametro dell’ordine di 1-2 cm. formato da un’anima di uranio o ossido di uranio incamiciata in un rivestimento di metalli con alte caratteristiche meccaniche. Il rivestimento delle barre presenta molti problemi perché on si può usare l’acciaio, che meccanicamente sarebbe l’ideale, in quanto assorbe troppi neutroni, per cui si ricorre a leghe di vario tipo.
Un reattore nucleare da 1000 M W può contenere da 1000 a 2000 barre di combustibile.

Il modeartore
I reattori occidentali sono ormai tutti moderati ad acqua. L’acqua è un ottimo moderatore in quanto contiene idrogeno, che è l’elemento più leggero e quindi di il più efficace per rallentare i neutroni. L’idrogeno però è un assorbitore di neutroni, per cui un reattore ad acqua deve impiegare uranio arricchito. La tecnologia occidentale ha sviluppato due tipo di reattore ad acqua: PWR e BWR. In tutti e due l’acqua svolge anche la funzione di refrigerante. Nel primo però l’acqua nel reattore non bolle e viene prodotto vapore solo nel circuito secondario, dopo lo scambiatore di calore (vedi schema di fig. 1), mentre nel secondo l’acqua nel reattore bolle. Questa differenza, che potrebbe sembrare marginale, comporta invece notevoli conseguenze dal punto di vista progettuale: I BWR sono più compatti, richiedono di regola uranio più arricchito e nel complesso una progettazione più sofisticata; in compenso hanno vantaggi dal punto di vista della sicurezza e consentono di mantenere una temperatura più elevata nel circuito secondario con conseguente aumento di rendimento. Richiedono anche minor potenza alle pompe di refrigerazione. Il BWR è oggi meno diffuso del PWR, ma è ritenuto da molti il reattore del futuro, Super Fenix permettendo.
Un altro moderatore usato tuttora in molti reattori dell’ex Unione Sovietica e paesi satelliti, è la grafite (i modelli sovietici a grafite sono indicati con la sigla RBMK). Il carbonio è un buon moderatore e soprattutto non assorbe quasi neutroni, per cui i reattori a grafite possono impiegare uranio naturale o debolmente arricchito. Sono i migliori per la produzione di plutonio.
Dal punto di vista della sicurezza però la grafite è molto peggio dell’acqua: i reattori a grafite sono più grandi e quindi più difficilmente controllabili, la grafite può incendiarsi e la struttura di un reattore di questo tipo è di regola più complessa e quindi più soggetta a guasti.

La refrigerazione
Nei reattori ad acqua il moderatore svolge anche la funzione di refrigerante. I reattori a grafite dei modelli sovietici sono refrigerati ad acqua bollente.
Il circuito di refrigerazione è considerato la parte più critica dell’intero reattore, tanto che di regola “l’incidente di riferimento” nella progettazione è la rottura di un tubo principale del circuito refrigerante primario.

Le barre di controllo
Di solito le barre di controllo sono realizzate con una lega di cadmio (un metallo forte assorbitore di neutroni) con altri metalli per es. argento e indio. Sono controllate da un sistema computerizzato che riceve informazioni da un gran numero di misuratori di attività, temperatura, pressione ecc… sparsi per il reattore. In alcuni reattori possono essere utilizzate anche per lo spegnimento di emergenza.

La sicurezza dei reattori
Come ha ampiamente dimostrato l’incidente di Cernobyl i dispositivi di sicurezza devono essere una parte essenziale del reattore.
Un reattore può diventare instabile in seguito a un gran numero di perturbazioni, per cui sono moltissimi i parametri da tenere sotto controllo e che possono causare lo spegnimento rapido del reattore. Tutti i sistemi di sicurezza sono realizzati con la logica del “due su tre”: il sistema di sicurezza è sempre triplo, per cui se uno dei sensori, dei circuiti o dei computer si guasta ne restano sempre due in funzione. Perché in triplo e non in doppio? Perché se per es. da un sensore arriva un dato allarmante e il suo gemello invece indica che tutto è normale, vuol dire che uno dei due è guasto. Quale? Se ne abbiamo due non lo sappiamo, se ne ho tre, possiamo essere quasi certi che è guasto quello che dà un’indicazione diversa dagli altri due.
Sono sempre in triplo anche i dispositivi più importanti: per es. le pompe di refrigerazione primaria. I progetti più moderni prevedono non solo che i dispositivi di sicurezza siano in triplo, ma anche che siano sistemati in edifici separati. Questo per evitare che un crollo o un sabotaggio possa annientare tutti i dispositivi di un certo tipo.

La sicurezza intrinseca
Ogni tanto si torna a parlare di “sicurezza intrinseca” dei reattori nucleari. SulI’argomento c’è purtroppo molta confusione, forse vale la pena di spiegare il concetto.
Dire che un sistema è “intrinsecamente sicuro” non vuoi dire che i sistemi di sicurezza sono ben progettati. Un sistema si definisce a sicurezza intrinseca quando è impossibile che un dato incidente si possa verificare nel sistema prescindendo da ogni intervento umano per impedirlo. Quindi quando si parla di sicurezza intrinseca si deve sempre specificare il tipo di incidente rispetto al quale la sicurezza è intrinseca.
Quindi quando si parla di reattori a sicurezza intrinseca bisognerebbe sempre specificare rispetto a quale rischio.