L’atomo è l’unità fondamentale della materia. L’energia nucleare è l’energia che tiene legate le particelle che formano la parte interna dell’atomo, cioè il nucleo, costituito da protoni e neutroni.
I nuclei degli atomi possono subire delle trasformazioni che possono essere sfruttate per ricavare energia. Esistono due processi:
FISSIONE NUCLEARE (Uranio)
Fissione (rottura) di un nucleo pesante come per esempio quello dell’uranio 235.
Quasi tutti gli elementi esistenti in natura hanno un nucleo molto stabile che non può essere rotto. L’uranio costituisce un’eccezione. Infatti, se il suo nucleo viene colpito da un neutrone, si rompe formando due nuclei più piccoli e libera due neutroni: in questa trasformazione si libera anche della massa che viene trasformata in energia (E=mc2)Il primo scienziato a intuire la possibilità di ricavare energia dall’atomo fu Albert Einstein che nel 1905 enunciò la sua teoria dell’equivalenza tra materia ed energia E=mc2
Mediante questa equazione è possibile calcolare quanta energia si ottiene dalla trasformazione di una massa (m) che viene moltiplicata per una costante (c) che rappresenta la velocità della luce (300.000Km/s).
Poiché il valore di questa costante, elevata al quadrato, è molto alto, si capisce subito che basta una piccolissima quantità di materia per ottenere una grande quantità di energia.
L’energia contenuta in un grammo di materia equivale all’energia elettrica consumata in un mese da una città di 100.000 abitanti.
L’energia nucleare oggi rappresenta il 7% circa del fabbisogno energetico globale con il 17% di energia elettrica prodotta.Ad oggi sono attive circa 440 centrali. la Francia produce quasi l’80% dell’energia elettrica dal nucleare, la Svizzera quasi il 40% e molti paesi occidentali si aggirano sul 18-20%. In Italia oggi non esistono centrali nucleari per scelta popolare, anche se gran parte dell’energia importata dall’estero (Francia, Svizzera) è di questo tipo.
La fonte energetica primaria utile al funzionamento delle centrali termo-elettronucleari attualmente è ricavata, dall’uranio e più precisamente dall’isòtopo U-235.
FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE NUCLEARE A FISSIONE
Nelle centrali nucleari si ottiene calore mediante la fissione controllata di atomi di uranio. Per il resto, la produzione energetica di una centrale nucleare è identica a quella di una centrale termica fossile.
Nel nocciolo avvengono le reazioni nucleari, che riscaldano a temperature anche notevoli gli elementi di combustibile, (l’uranio) che sono inseriti in cilindri molto lunghi e stretti.
Questi sono lambiti dall’acqua di raffreddamento del circuito primario, che quindi asporta il calore e si riscalda. L’acqua si trova a circa 300-330°e non evapora perché viene tenuta a una pressione di circa 155 bar (155 volte la pressione atmosferica). Proseguendo nel suo cammino l’acqua scambia calore con altra acqua in un secondo circuito, a una pressione inferiore.
Questa dunque evapora, il vapore arriva, ad una pressione di circa 55 bar e ad una temperatura di circa 280° e investe una turbina, collegata a un alternatore che dà energia alla rete elettrica.
Il vapore a bassa pressione in uscita dalla turbina viene raffreddato da acqua che scorre in un terzo circuito che viene poi alla fine raffreddato ad aria in torri dette appunto di raffreddamento. Se la centrale si trova nelle vicinanze di un fiume l’acqua del circuito di condensazione (il terzo), che non ha avuto contatto con zone contaminate viene scaricata nel fiume, ovviamente questo deve avvenire con portate e temperature tali da non influire sull’ecosistema.
VANTAGGI E SVANTAGGI DELL’ENERGIA NUCLEARE PER FISSIONE
Più di ogni altra tecnologia energetica l’energia nucleare è oggetto di atteggiamenti fortemente emotivi. O è vista come il demonio incarnato oppure come l’unica possibile salvezza dalla “fine del petrolio”. Non è nessuna delle due cose: è un sistema di produzione di energia con i suoi vantaggi e svantaggi.
Principali vantaggi
- Nei reattori nucleari non ci sono reazioni chimiche di combustione e quindi non ci sono emissioni in atmosfera. Per questo alcuni sostenitori del nucleare propongono questa tecnologia per rispettare il protocollo di Kyoto.
- Il costo di generazione del kWh nucleare è minore di quello ricavabile dalla combustione delle altre fonti esauribili.
- Un reattore nucleare può funzionare ininterrottamente per 7000-8000 ore all’anno ed è quindi un sistema di base per la gestione della rete elettrica di trasmissione.
Principali svantaggi
- L’uranio non è una fonte rinnovabile, negli ultimi anni il costo della materia prima ha subito un aumento di costo dell’800%.
- Lo smantellamento degli impianti a fine vita ha un costo uguale al costo di generazione del kWh prodotto in centrale.
- Lo sfruttamento dell’energia nucleare da fissione comporta l’impiego e la produzione di materiali che emettono radiazioni alfa, beta e gamma che danneggiano in modo grave i tessuti biologici, in quanto possono intaccare il patrimonio genetico delle cellule, causando il cancro o mutazioni genetiche ereditarie.
- La gestione delle scorie radioattive è un problema non ancora risolto.
Alcuni ambientalisti ritengono che il nucleare sia l’opzione migliore nell’immediato, nel lungo periodo rimane il problema dell’ esauribilità dei materiali fissili.
FUSIONE NUCLEARE (Idrogeno)
Fusione (unione) di nuclei leggeri come quelli dell’idrogeno che si fondono a formare atomi di elio, liberando anche in questo caso massa che si trasforma in energia (E=mc2).
E’ questo il processo che avviene sul Sole.
Questo tipo di energia è molto più pulita e sicura rispetto alla fissione, ma è difficile da controllare sulla Terra, perché bisognerebbe riprodurre le condizioni esistenti all’interno delle stelle (almeno 15milioni di gradi).
FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE NUCLEARE A FUSIONE
In tutto il mondo si stanno conducendo esperimenti per ottenere la fusione su larga scala.
Per raggiungere le temperature che rendono possibile la fusione, all’interno di un reattore a fusione vengono riscaldati atomi di idrogeno. I nuclei vengono separati dagli elettroni dando vita al plasma.
Il plasma deve essere mantenuto ad una temperatura di 14 milioni di gradi se si vuole che la fusione abbia luogo.
Il reattore in figura si chiama Tokamak. Un tokamak (“camera toroidale magnetica”) è una macchina con una camera di confinamento a forma di un grande anello metallico, di forma toroidale, circondato da magneti superconduttori. Al suo interno viene fatto circolare il plasma (gas di idrogeno caldo e rarefatto) che viene mantenuto coeso e lontano dalle pareti interne grazie ad un campo magnetico creato dagli elettromagneti esterni alla camera. Questo processo si chiama fusione nucleare che avviene dunque mediante il confinamento magnetico e l’arroventamento di Deuterio 86% e Trizio 14%, isotopi dell’Idrogeno, allo stato di plasma.
L’energia prodotta dalla reazione Deuterio-Trizio è sotto forma di neutroni energetici che, sfuggendo al campo magnetico, vengono intrappolati in una camicia contenente Litio. I neutroni reagiscono col Litio e producono Trizio ed Elio, che vengono separati ed estratti.
Il calore prodotto dalla reazione, viene ceduto a uno scambiatore (come avviene nelle centrali nucleari convenzionali) dove si produce il vapore che viene avviato, attraverso delle condotte, alle turbine e al condensatore; il generatore poi produce l’energia elettrica che viene immessa in rete.
VANTAGGI E SVANTAGGI DELL’ENERGIA NUCLEARE PER FUSIONE
La fusione nucleare è estremamente sicura a parte la radioattività del Trizio, che presenta un tempo di dimezzamento di oltre dodici anni. E’ facilissimo interromperla mentre, per contro, è molto difficile mantenerla a lungo; pertanto, il suo sfruttamento è ancora in fase di studio e non ha applicazioni pratiche.
Impiegando una torre di refrigerazione, per condensare il vapore a bassa temperatura in uscita dal turbo-alternatore, si eviterebbe l’alterazione dell’ecosistema di un eventuale corpo idrico come in tutte le centrali termiche che scaricano calore residuo .
L’impianto, però, come tutte le altre centrali del resto, occupando una certa superficie, normalmente recintata, allontana dalla zona la fauna e, i vari edifici connessi al suo funzionamento comportano sempre un certo impatto sull’ambiente dal punto di vista paesaggistico.
Nella sala macchine sia le turbine, sia i generatori di corrente producono un rumore costante di parecchi decibel che, a lungo andare, provoca danni all’udito degli operatori, per cui, questi, devono essere sottoposti a periodici controlli medici.
Le macchine elettriche, quali gli Alternatori e le Dinamo, per effetto dello strisciare delle spazzole sul collettore generano un certo scintillio. L’arco voltaico scompone l’Ossigeno dell’aria O2 in O, che legandosi poi ad altre molecole, forma Ozono O3, gas velenoso dal caratteristico odore di aglio.
ITER (acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor) è un progetto internazionale che si propone di realizzare un reattore a fusione nucleare di tipo sperimentale, in grado di produrre un plasma di fusione con più potenza rispetto alla potenza richiesta per riscaldare il plasma stesso. Il reattore è un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma è ottenuto in un campo magnetico all’interno di una macchina detta Tokamak. (vedi video qui sotto)
La costruzione è in corso a Cadarache, nel Sud della Francia, ad opera di un consorzio internazionale composto da Unione Europea, Russia, Cina , Giappone, Stati Uniti d’America, India e Corea del Sud.
L’italia è coinvolta principalmente nella progettazione e costruzione di alcuni sistemi della centrale.
Inizialmente il progetto prevedeva l’accensione del tokamak per il 2019, posticipata poi al Dicembre 2025 con l’inizio vero e proprio degli esperimenti di fusione deuterio-trizio a partire dal 2035.
In Finlandia nel tunnel delle scorie nucleari
PROGETTO ITER (FUSIONE NUCLEARE)