Beznau, o l’isola dell’energia

di Claudio Pedrazzi per la serie Nucleare nel mondo

“Quello che mi meraviglia ogni volta, anche se ne conosco le ragioni fisiche: qui, su questa piccola isola, viene prodotto il dieci-quindici per cento dell’energia elettrica consumata in Svizzera: e per fare un giro a piedi intorno all’isola bastano dieci minuti!”

Citazione dell’autore, dall’introduzione al libro “Wir von der Insel” (Noi dell’isola), edito in occasione dei 50 anni della centrale di Beznau [3]. Il “giro” a cui mi riferisco non è all’interno dell’impianto: è completamente accessibile al pubblico, e vi si possono anche incontrare … pecore al pascolo!

Tutto quanto segue è solo responsabilità dello scrivente, è tutto basato su materiale pubblicamente disponibile e non coinvolge in alcun modo il suo datore di lavoro (AXPO Power AG). Le fonti sono sempre indicate e riportate in fondo, rimandano alla bibliografia o al sito.

Introduzione
Un po’ di storia
Una centrale nucleare non è mai terminata
Come funziona
Uno sguardo dentro la centrale
Il percorso dell’energia e la generazione di vapore
Raffreddamenteo con l’acqua dell’Aare
Sicurezza come massima priorità
Videografia
Biblio/sitografia per approfondire

Introduzione

Beznau è stata la prima centrale nucleare in Svizzera: l’inizio dell’esercizio commerciale risale al 24 dicembre 1969 per il blocco 1, e al 15 marzo 1972 per il blocco 2. Oggi può considerarsi una delle centrali nucleari con la più lunga esperienza operativa al mondo.

¹La centrale, che sorge su un’isola artificiale del fiume Aare, consiste di due reattori ad acqua pressurizzata identici, con una potenza nominale di 365 MegaWatt elettrici (MWe) ciascuno. Essi producono insieme circa 6000 Gigawattora (GWh) all’anno, corrispondenti a due volte il consumo di energia della città di Zurigo. Inoltre la centrale fornisce acqua calda per la rete regionale di teleriscaldamento della bassa valle dell’Aare.

Il gestore della centrale, la AXPO Power AG, è una delle più antiche società produttrici di energia elettrica in Svizzera. Ancora oggi spesso ricordata con il nome che aveva fino al 2009 “Nordostschweizerische Kraftwerke (NOK)”, la sua fondazione risale al 1907. Oggi il gruppo AXPO produce e vende energia in più di trenta Paesi in Europa (fra cui l’Italia) e negli Stati Uniti.

Dalla sua messa in funzione, Beznau ha prodotto più di 250.000 Gwh di elettricità. Questo ha fatto risparmiare circa 300 milioni di tonnellate di emissioni di CO₂ rispetto alla generazione con una centrale a carbone. Nella centrale lavorano circa 450 persone dell’AXPO oltre a un centinaio di persone di aziende esterne.

¹ https://www.axpo.com/ch/de/energiewissen/kernkraftwerk-beznau.html

Un po’ di storia

Ritengo possa valere la pena di “raccontare” un po’ in dettaglio la storia e la preistoria di questo impianto: sono infatti convinto che guardare “indietro” ogni tanto, durante un viaggio, aiuti a capire meglio dove si sta andando e, perché no, anche a prendere decisioni migliori.

²Nel 1964 la Svizzera si trovava di fronte alla necessità di una svolta nel settore energetico per far fronte alla continua e rapida crescita della richiesta di energia elettrica. Con le centrali idroelettriche si era arrivati ad un punto in cui gli impianti “per natura” economici erano già stati tutti costruiti, mentre per i progetti futuri ancora aperti si prospettavano costi crescenti (e crescenti resistenze della popolazione³).

Per quanto riguardava la NOK, dopo un periodo nel quale furono valutate centrali termiche tradizionali a olio combustibile, l’azienda si decise verso la fine del 1964 l’azienda, anche a fronte di considerazioni di protezione dell’ambiente, optò per la la costruzione di una centrale nucleare sull’isola di Beznau.

Le discussioni sulla realizzazione di centrali elettriche di tipo termico tradizionale erano state una conseguenza dell’inverno 1962/63, quando l’energia idroelettrica non bastava e le società elettriche erano state costrette a imporre massicce restrizioni. Nel 1964 il giornale dell’Argovia (Aargauer Tagblatt) parlava della deprimente dipendenza della Svizzera, il paese del “carbone bianco” (energia idroelettrica), dalla importazione di energia elettrica dalla rete dei paesi circostanti. Nel caso specifico della NOK la percentuale di importazione era stata nel 1963 del 44% ⁴.

A quel tempo la domanda di energia in Svizzera cresceva al ritmo di circa un miliardo di kWh l’anno; di fronte a questa situazione la NOK proponeva due soluzioni concorrenti: esclusi ulteriori impianti idroelettrici a causa dei costi di costruzione, da un lato c’era la realizzazione di centrali termiche tradizionali, dall’altro la costruzione di un impianto nucleare, soluzione da considerarsi ormai pienamente percorribile sia dal punto di vista tecnico che economico, visto lo stadio di sviluppo raggiunto negli Stati Uniti.

Le centrali elettriche a petrolio incontravano una forte resistenza soprattutto presso la popolazione dei siti prescelti, ma non solo. Si temevano effetti negativi degli effluenti gassosi per l’uomo, i boschi e per l’agricoltura. Ma anche a livello di governo federale cominciava ad essere incoraggiata l’adozione dell’energia nucleare, sia per ragioni di inquinamento dell’aria che per considerazioni di indipendenza di approvvigionamento ⁵. Per completezza è opportuno comunque ricordare che anche ulteriori centrali idroelettriche venivano già allora fortemente avversate per motivi di carattere ambientalista. Vale la pena di citare a questo proposito un documento del febbraio 1966 della Lega Svizzera per la Protezione della Natura (SBN: Schweizerische Bund für Naturschutz, oggi Pro Natura): ⁶ “il Consiglio […] sostiene l’opinione espressa a più riprese dal Consiglio federale e sostenuta da anni dalla SBN di fare il passo direttamente verso la produzione di energia nucleare […]”

L’annuncio della NOK che a Beznau sarebbe stata realizzata la prima centrale nucleare svizzera trovò un larghissimo consenso e soddisfazione in tutto il paese, e in particolare nel cantone Argovia. Il sito di Beznau, già caratterizzato dalla presenza di una centrale idroelettrica (costruita nel 1898-1902) ⁷, aveva vantaggi notevoli, in quanto si trattava già di un nodo importante della rete elettrica esistente, e grazie al canale superiore che alimenta la centrale idroelettrica, offriva la possibilità di acqua di raffreddamento perfino senza necessità di pompe, semplicemente con la differenza di altezza fra il canale artificiale e il corso normale del fiume Aare.

Durante le trattative con i possibili “fornitori” di centrali nucleari dell’epoca, divenne presto chiaro che la scelta era fra un reattore ad acqua bollente della General Electric (GE) o un reattore ad acqua in pressione della Westinghouse (WE). Una condizione importante per la NOK fu dal principio il coinvolgimento di aziende svizzere (anche se l’impianto, data la mancanza di esperienze nazionali, fu comprato “chiavi in mano”). Ambedue i potenziali fornitori, la WE alleata con la Brown Boveri Corporation (BBC) e la CE con la Escher-Wyss, erano giganti industriali svizzeri dell’epoca, quindi soddisfacevano questo requisito.

Uno dei possibili vantaggi della scelta di un reattore ad acqua in pressione fu proprio la maggiore separazione della parte nucleare da quella tradizionale, in particolare dal gruppo turbine. Nel reattore ad acqua bollente della GE, più compatto, il vapore radioattivo direttamente proveniente dal nocciolo alimenta direttamente la turbina e dopo aver attraversato un condensatore ritorna nel reattore. Per evitare la fuoriuscita di radioattività dal circuito, la turbina doveva avere un sistema di guarnizioni estremamente complesso. Queste guarnizioni resero difficile la collaborazione tra General Electric e Escher Wyss, perché anche il gruppo delle turbine rientrava nella parte nucleare dell’impianto e non poteva essere sviluppato indipendentemente dal reattore: GE infatti dichiarò che il coinvolgimento di una società svizzera sarebbe stato considerato solo se avesse utilizzato i disegni di progettazione delle turbine da GE.

Il coordinamento tra la BBC e Westinghouse era molto più facile perché il reattore ad acqua pressurizzata Westinghouse aveva due circuiti separati, uno per il reattore e uno per la turbina. Nel circuito primario radioattivo, l’acqua circolava dal reattore al generatore di vapore e di nuovo al reattore. L’acqua del circuito secondario veniva riscaldata nel generatore di vapore, ma non entrava in contatto diretto con l’acqua contaminata. La BBC quindi non aveva bisogno di acquisire ulteriori conoscenze sulla manipolazione del vapore radioattivo. Per la NOK, questa circostanza era un vantaggio importante a favore di Westinghouse/BBC ⁸.

Il 1 agosto 1965 la decisione a favore del reattore ad acqua pressurizzata della WE fu consolidata con la firma dei contratti fra la NOK e il consorzio di aziende costituito da Westinghouse International Atomic Power Co. Ltd. e BBC Brown Boveri. I lavori a Beznau incominciarono il 6 settembre 1965. Il 30 giugno 1969, dopo solo quattro anni, il reattore raggiunse la criticità iniziale (è solo un modo complicato di dire che la reazione a catena all’interno del nocciolo raggiunse per la prima volta la capacità di autosostentarsi: ovviamente si tratta di una pietra miliare nella serie di fasi che porta alla completa messa in funzione di una centrale e al suo collegamento alla rete elettrica).

Nel Dicembre 1967 la NOK decise di avvalersi di una opzione già prevista nell’ordine, costruendo con lo stesso consorzio di aziende una seconda centrale identica a quella esistente, Beznau 2. Si trattò indubbiamente di una decisione coraggiosa, in quanto in quel momento Beznau 1 si trovava ancora in fase di costruzione! Naturalmente la centrale “gemella” offriva grandi vantaggi, per esempio le infrastrutture comuni, il magazzinaggio parti di ricambio, l’addestramento del personale, per citare solo alcuni esempi.

I costi stimati per la realizzazione (350 Milioni di CHF) includevano anche una quota non trascurabile per le necessarie infrastrutture stradali di collegamento ai cantieri, per le grandi condotte di trasporto dell’acqua di raffreddamento dell’Aare ai condensatori, gli impianti elettrici di trasformazione, la costruzione di appartamenti di servizio, e molto altro. La prima carica di combustibile (57 Milioni di CHF) non è compresa nella somma. Alcuni numeri sul cantiere: in circa quattro anni furono gettati da alcune migliaia di addetti più di 50 000 metri cubi di cemento, 2000 tonnellate di acciaio, 500 km di cavi e circa 7000 relè. Solo il 25% dei costi derivavano dall’importazione di componenti strettamente nucleari. Il resto, come fortemente voluto dalla BBC Brown Boveri e previsto contrattualmente, fu realizzato in Svizzera. In particolare le turbine, i condensatori e i generatori.

Al momento della costruzione di Beznau c’erano già diverse centrali nucleari di tipologia analoga (PWR) con una certa esperienza operativa. Questo aveva permesso alla NOK di convincersi che l’affidabilità e la disponibilità delle centrali della nuova tecnologia si confrontava positivamente con le statistiche della centrali termiche tradizionali. Il consorzio di aziende costruttrici forniva inoltre ampie garanzie, come per esempio che il consumo di combustibile per kWh non superasse una quota concordata e che l’impianto fosse disponibile per una certa quota minima di ore/anno. Naturalmente venne dedicata anche molta attenzione agli aspetti della sicurezza: in particolare a Beznau venne adottato per la prima volta al mondo il principio del doppio containment. Benché la Westinghouse avesse adottato per il progetto Beznau essenzialmente la tecnologia americana dell’epoca, vi furono non poche e non trascurabili richieste di miglioramenti da parte degli ingegneri della NOK.

²Per tutta la parte storica: fonti [1] e [2]

³Una digressione sulle “vittime” del cosiddetto “accanimento delle dighe idroelettriche” (Elektrizitäts-Seewut) ci porterebbe troppo lontano, ma non si può non segnalare il bellissimo capitolo (anche iconograficamente) “Opfer” (Vittime) del libro “Elektrisiert” di Steven Schneider. Basti dire che già a partire dagli anni ’20 ogni nuovo progetto incontrò una opposizione popolare sempre crescente, fino ad arrivare ad episodi plateali come la “sommossa di Andermatt” (1946) dove gli abitanti scacciarono e picchiarono l’ingegnere della società elettrica incaricata del progetto (CKW).

⁴ [1], pag. 187

⁵ [5], pag. 142

⁶ [5], pag. 143

⁷ E da un impianto termico con turbina a gas, 40 MWe, costruito nel 1948, all’epoca la turbina a gas più potente in Europa ([5], pag. 142) e [7]

⁸ [1], pag. 205-206

Una centrale nucleare non è mai terminata

Era già chiaro fin dal momento della costruzione che un impianto così complesso avrebbe richiesto una manutenzione più intensiva in confronto alle centrali idroelettriche, che rappresentavano la competenza storica della NOK. Inoltre la legge svizzera sull’energia nucleare impone che in una centrale nucleare tutte le possibili misure allo stato dell’arte vengano messe continuamente in atto per garantire la protezione dell’uomo e dell’ambiente. Ne consegue che, per tutti i gestori, l’aggiornamento, la modernizzazione e il miglioramento continuo dell’impianto sono un compito permanente. Ne deriva naturalmente anche una elevata disponibilità e sicurezza di funzionamento.

Beznau non fa certamente eccezione: cito solo a titolo di esempio alcuni grandi progetti ⁹:

2015: Sostituzione preventiva del “coperchio” del recipiente in pressione, sulla base di esperienze in centrali all’estero.

2015: Messa in funzione di un nuovo, moderno sistema informatico (hardware e software) per la raccolta, la memorizzazione e l’analisi dei dati di funzionamento di migliaia di canali di misura per ogni blocco.

Durante questa interruzione della produzione (di una sola unità) durata circa tre anni, l’AXPO ha completato con successo un ampio processo di revisione e analisi basato su una tabella di marcia definita dell’autorità di vigilanza e da un gruppo di esperti internazionali. Si è trattato probabilmente delle indagini più complete mai eseguite al mondo sul tema dei recipienti in pressione dei reattori nucleari, durante il quale sono stati coinvolti esperti riconosciuti a livello internazionale e numerose aziende e organizzazioni specializzate.

⁹ Più di 2.5 miliardi di CHF sono stati complessivamente investiti per aggiornamenti e miglioramenti della sicurezza dell’impianto, che soddisfa tutti gli standard più recenti ed ha anche superato con il massimo dei voti lo “stress test” europeo del 2012. Fonte: [7]

¹⁰ [7], Sicherheitsnachweis Reaktordruckbehälter (e brochure scaricabile “Sicherheitsbericht Reaktrodruckbehälter”)

Come funziona

¹¹ Come tutte le centrali nucleari anche Beznau è una centrale termica. Il calore necessario per vaporizzare l’acqua non è generato bruciando combustibili fossili, ma in una reazione a catena controllata in un reattore. Il vapore che viene poi prodotto da un generatore di vapore va ad alimentare una turbina, che a sua volta aziona un generatore.

Il rotore del generatore ruota a 3000 giri al minuto. Il suo campo magnetico genera una tensione elettrica durante questo movimento rotatorio. Questo converte l’energia cinetica in energia elettrica.

¹¹ Fonte sia per il testo che per le illustrazioni è la brochure “Broschüre Kernkraftwerk Beznau” liberamente scaricabile dal sito [7]

Uno sguardo dentro la centrale

I due edifici cilindrici di sicurezza dominano l’immagine di Beznau: sono alti 61 metri e hanno un diametro di 38 metri. Questi edifici a doppia parete ospitano gli impianti primari, in cui il calore e il vapore sono generati dall’energia nucleare. Gli impianti secondari e i gruppi turbina-generatore – due per unità – sono alloggiati nell’edificio delle turbine. Questi convertono l’energia del vapore prima in energia meccanica e poi in energia elettrica. Anche il calore per il teleriscaldamento viene estratto in questa zona.

Come visibile nell’illustrazione precedente (che rappresenta un solo blocco), il reattore ad acqua pressurizzata, i due generatori di vapore e le due pompe principali sono circondati da un guscio di pressione in acciaio saldato. Ad una distanza di 1.5 metri, il guscio di pressione in acciaio è completamente racchiuso da una camicia di cemento. Questo è ulteriormente dotato di un rivestimento interno in acciaio a tenuta stagna.

Il percorso dell’energia e la generazione di vapore

Beznau 1 e Beznau 2 sono reattori del tipo ad acqua pressurizzata, caratterizzati da due circuiti separati, chiamati primario (in rosso nella figura seguente) e secondario (in blu nella figura). Nel circuito primario l’acqua in pressione viene riscaldata dagli elementi di combustibile. Nel secondario viene generato il vapore che poi andrà in turbina.

Il vapore viene prodotto nei generatori di vapore e poi diretto alle turbine. La pressione e la temperatura sono più basse che nel reattore. La pressione nel circuito primario è sufficientemente alta (154 bar) da impedire che l’acqua riscaldata dagli elementi di combustibile (131 per ogni reattore) raggiunga l’ebollizione, anche a una temperatura di funzionamento di 300 °C nel nucleo. Il circuito secondario è utilizzato per la generazione di vapore. Il vapore a bassa pressione (55 bar) aziona le turbine con i generatori collegati. Nel condensatore (figura precedente, punto 13) il vapore di scarico si condensa in acqua ed è quindi pronto per un nuovo ciclo.

Raffreddamento con l’acqua dell’Aare

A differenza delle più recenti centrali svizzere di Gösgen e Leibstadt, la centrale nucleare di Beznau non ha una torre di raffreddamento. Beznau attinge acqua dal fiume Aare per il raffreddamento. Questa viene riscaldata dal funzionamento dell’impianto e restituita al fiume. Quando funziona a pieno carico, la centrale nucleare di Beznau riscalda l’Aare da 0.7 a 1 °C – a seconda del flusso dell’acqua. Per quanto riguarda la temperatura dell’acqua di raffreddamento, AXPO è vincolata da regole severe che devono essere monitorate e rispettate in ogni momento. Se la temperatura dell’acqua dell’Aare aumenta significativamente durante un periodo particolarmente caldo, la centrale deve ridurre la sua produzione.

Affinché il vapore si ritrasformi in acqua dopo essere passato attraverso le turbine, deve essere raffreddato nei condensatori. A tal fine, un totale di 40 metri cubi di acqua di raffreddamento al secondo sono necessari per entrambe le unità a pieno carico. Questa è presa dall’Aare dal canale di adduzione della centrale idroelettrica di Beznau.

Poiché la differenza di altezza tra il canale di adduzione e il corso inferiore dell’Aare è di 6 metri, l’acqua di raffreddamento non deve essere pompata attraverso i condensatori come avviene normalmente in altre centrali nucleari: A Beznau, l’acqua per il raffreddamento del condensatore fluisce per semplice caduta dal canale di testa della centrale idroelettrica verso il letto più basso dell’Aare. Questa fu una delle ragioni per cui l’allora NOK (Nordostschweizerische Kraftwerke, oggi AXPO) optò per il sito sull’isola di Beznau negli anni ’60.

Sicurezza come massima priorità

La sicurezza operativa ha un’importanza centrale a Beznau. Questo vale non solo durante il funzionamento normale, ma anche in caso di eventi straordinari. La centrale nucleare di Beznau è protetta in modo ottimale da eventi meteorologici eccezionali, dai terremoti, delle inondazioni e degli incidenti aerei. Sistemi e componenti importanti funzionano indipendentemente l’uno dall’altro, sono disponibili in più luoghi e sono fisicamente separati. Se un sistema o un componente si guasta, altri sistemi o componenti sono disponibili per eseguire le stesse funzioni.

La fissione nucleare produce prodotti radioattivi di fissione e di attivazione. Per impedire che tali sostanze vengano rilasciate nell’ambiente esterno esistono diverse barriere:

1. I tubi di rivestimento saldati a tenuta di gas degli elementi di combustibile impediscono ai prodotti di fissione di fuoriuscire nell’acqua di raffreddamento.
2. Il circuito primario si trova nel guscio di pressione in acciaio, che è saldato a tenuta di gas con piastre in acciaio di 3 centimetri di spessore.
3. Il cosiddetto “containment”: un rivestimento in acciaio sigilla l’interno del guscio di cemento.
4. Edificio di sicurezza del reattore (cilindrico, altezza 66.5 m, diametro esterno 37.8 m) : Doppio contenimento, guscio di pressione in acciaio all’interno, camicia di cemento schermata con rivestimento in acciaio all’esterno, spazio interstiziale mantenuto a pressione inferiore a quella esterna. L’aria di scarico dall’interno (zona controllata) è continuamente monitorata e scaricata all’esterno attraverso un camino di scarico.

Videografia

After 50 years of operation… (intervista al direttore della centrale in occasione dei 50 anni, sottotitolata in inglese, con belle immagini dell’interno)
Austausch des Reaktordruckbehälterdeckels … (video AXPO sulla sostituzione del coperchio del recipiente in pressione, 2015)
Sicherheitsnachweis Reaktordruckbehälter Block 1 (video AXPO con una spiegazione molto semplificata del processo iniziato nel 2015 a causa di irregolarità del materiale del vessel rilevate con verifiche ultrasoniche e conclusosi nel 2018 che ha portato a dimostrare la sicurezza del recipiente in pressione ed a riottenere il permesso per il riavvio dall’ente di controllo)
Safety Case Reactor pressure vessel Unit 1 (come il video precedente, in inglese)
Aus der Bauzeit des Kernkraftwerks Beznau (video NOK del 1975 sulla centrale di Beznau, molto dettagliato)
Brennstoffwechsel in Beznau (1975) (video NOK del 195 sulla fermata annuale per cambio degli elementi di combustibile e/o revisione generale)
Autanove Notstromversorgung (video AXPO del 205 sulla nuova alimentazione elettrica di emergenza bunkerizzata)
Sicherheit im Kernkraftwerk Beznau (video AXPO del 2014 sulla sicurezza a Beznau)

Biblio/sitografia per approfondire

[1] Tobias Wildi -Der Traum vom eigenen Reaktor; Die schweizerische Atomtechnologieentwicklung 1945-1969 , Chronos Verlag,
ISBN 978-3-0340-0594-4 (storia dei primi passi dell’energia nucleare in Svizzera, dedicata specificamente alla centrale di Lucens e al suo incidente, ma con interessanti approfondimenti sulla decisione delle aziende elettriche di non “aspettare” lo sviluppo di una filiera svizzera).
[2] Häftli 20 Jahre Beznau, opuscolo commemorativo dei venti anni di funzionamento della centrale di Beznau, 1989 (non in commercio)
[3] AA.VV. – «Wir von der Insel» – 50 Jahre Kernkraftwek Beznau –
ISBN 978-3-033-07414-9 (libro fotografico di grande formato edito per ricordare i cinquanta anni della centrale: al posto dell’introduzione sono raccolti brevi pensieri di tutti gli “isolani” che hanno voluto contribuire”)
[4] Luca Zanier – Powerbook – With texts by André Küttel and Bill Kouwenhoven,–ISBN 978-3-7165-1743-7 (libro fotografico di grande formato sui luoghi dell’energia, non solo le centrali nucleari)
[5] Steven Schneider – Elektrisiert – Geschichte einer Schweiz unter Strom ISBN 978-3-03919-422-3 (libro fotografico sulla storia dell’energia elettrica in Svizzera)
[6] https://www.axpo.com/ch/de/ueber-uns/magazin.detail.html/magazin/energiemarkt/der-unabhaengigste-und-sicherste-energielieferant.html (articolo storico dell’AXPO sugli inizi del nucleare in Svizzera)
[7] https://www.axpo.com/ch/de/energiewissen/kernkraftwerk-beznau.html (Descrizione in tedesco di vari aspetti dell’impianto con diverse brochure illustrate scaricabili su Beznau e link ad alcuni filmati)
[8] https://www.ensi.ch/de/2018/03/06/von-den-befunden-in-belgien-bis-zum-sicherheitsnachweis-von-beznau-1-die-chronologie/ (cronologia schematica della verifica di sicurezza del recipiente in pressione di Beznau, dal sito dell’Ispettorato Federale per la Sicurezza Nucleare)
[9] https://www.swissinfo.ch/ita/50-anni-di-beznau-i_la-centrale-atomica-sull-isola/45418652 (raccolta di immagini con descrizione in italiano)
[10] https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Beznau_Nuclear_Power_Plant (una ampia collezione di immagini anche storiche, in gran parte messe a disposizione dal Politecnico di Zurigo (ETH).