Centrali nucleari e loro sicurezza

Una centrale nucleare non si differenzia molto dalle fonti fossili convenzionali per il modo in cui produce energia elettrica: il principio generale di funzionamento rimane quello di scaldare l’acqua fino a farla evaporare, producendo il vapore che alimenta una turbina, e sfruttando infine un generatore per trasformare l’energia meccanica in energia elettrica. La differenza è nel modo in cui il calore viene prodotto: in un impianto nucleare l’acqua è scaldata dal calore generato dalla reazione di fissione di un isotopo dell’uranio (U-235), invece che dalla combustione di combustibili fossili. Come si nota in figura, sono presenti due diversi circuiti di circolazione dell’acqua: il circuito primario, a contatto con il core del reattore dove avviene la reazione nucleare, trasferisce calore ad un circuito secondario, generando il vapore che alimenta le turbine. Questa è una prima caratteristica di sicurezza, utile a limitare il più possibile la quantità di radiazioni presenti nell’impianto: così facendo solo l’acqua del circuito primario risulta radioattiva, mantenendo pulito il circuito secondario.

Schema di funzionamento di un reattore nucleare di tipo PWR (Pressurized Water Reactor, reattore ad acqua pressurizzata) con evidenziati i componenti principali.

Alcune delle singolari caratteristiche della reazione di fissione dell’uranio sono di fondamentale importanza per quanto riguarda la sicurezza ed il controllo dell’impianto, primo fra tutti il fatto che si tratta di una reazione a catena: quando un neutrone impatta contro un nucleo di uranio 235 può provocarne la fissione, ovvero la divisione del nucleo in due frammenti più piccoli (chiamati prodotti di fissione) con conseguente rilascio di grandi quantità di energia. Ulteriore prodotto della reazione sono due o tre neutroni, che a loro volta possono reagire con altrettanti nuclei di uranio, portando ad un avanzamento molto rapido (esponenziale) della reazione. I neutroni prodotti, però, possono anche essere assorbiti da altri nuclei presenti, diversi dall’uranio 235, con la possibilità di mantenere stabile la reazione: se solo uno dei neutroni prodotti andrà a provocare un’ulteriore fissione di un nucleo di uranio, la produzione di energia del reattore sarà stabile nel tempo (un reattore in questa condizione è detto critico). È quindi di fondamentale importanza che ciò avvenga, sfruttando in primis le barre di controllo: queste sono composte da elementi fortemente assorbitori di neutroni, e se inserite nel nocciolo sono in grado di rallentare o fermare completamente la reazione .

Casella di testo

Una seconda peculiarità dei reattori nucleari riguarda i prodotti di fissione: nella maggior parte dei casi sono isotopi instabili, ovvero decadono emettendo radiazione di vario tipo (alfa, beta, gamma), contribuendo così alla generazione di calore. Questo calore, sebbene di modesta entità, permane anche dopo lo spegnimento del reattore, e necessita di sistemi efficaci di rimozione, per evitare il raggiungimento di temperature troppo elevate nel core e al limite la fusione dello stesso. Sono presenti pertanto vari sistemi di sicurezza per assicurare questo raffreddamento, anche in mancanza di energia elettrica dall’esterno per muovere le pompe (generatori ausiliari, sistemi di accumulo di acqua che può essere iniettata nel circuito primario). 

FAQ: Le centrali nucleari a fissione, per produrre energia, usano lo stesso meccanismo delle bombe nucleari, ma in modo controllato. C’è quindi il rischio che una centrale esploda come una bomba nucleare? 

Fortunatamente no. Sebbene il principio fisico sia analogo, innumerevoli sistemi di sicurezza sono presenti in una centrale per evitare incidenti, sia attivi che passivi: i primi necessitano di un input esterno (da parte di un operatore o di un sistema di controllo elettronico), mentre i secondi si basano esclusivamente su principi fisici, garantendo un’affidabilità ancora maggiore. Anche nell’ipotesi che tutti i sistemi di sicurezza falliscano, la situazione peggiore che ci si può aspettare è la fusione del nocciolo del reattore, in quanto la quantità di combustibile fissile presente in ogni momento in un reattore non è sufficiente ad autosostenere un’esplosione nucleare. In situazioni incidentali le uniche esplosioni possibili sono di natura chimica o fisica: se il calore prodotto dalla reazione nucleare non è rimosso adeguatamente può far evaporare l’acqua di raffreddamento, e far innalzare di conseguenza la pressione del vapore fino a causare un’esplosione; sempre a causa di temperature troppo elevate può essere generato idrogeno (a partire dall’acqua) ed è quest’ultimo a poter esplodere. Ma anche se accadesse l’incidente peggiore, ovvero fusione del nocciolo con relativa esplosione, i danni all’ambiente circostante in termini di contaminazione da isotopi radioattivi potrebbero essere completamente prevenuti: la maggior parte delle centrali nucleari attuali possiede un sistema di contenimento esterno (in parole povere, un enorme cupola di cemento), che impedirebbe la fuoriuscita di sostanze radioattive in caso di incidente grave. Chernobyl – la cui esplosione fu di natura fisica, dovuta alla pressione del vapore venutasi a creare all’interno del reattore – purtroppo apparteneva ad una delle prime generazioni di centrali, sprovviste di questo ulteriore sistema di sicurezza. 

Inoltre, la grande maggioranza degli attuali reattori nucleari è progettata per diminuire automaticamente la produzione di energia all’aumentare della temperatura, sostanzialmente autocontrollandosi: se aumenta la potenza, si ha un aumento di temperatura, e ciò porta ad un’efficienza minore della reazione; di conseguenza la potenza diminuisce e torna al valore iniziale. 

FAQ: Se rapportata alle altre fonti di produzione di energia, il nucleare è sicuramente la fonte più pericolosa, basta guardare Chernobyl e Fukushima… Giusto? 

Invece no, è proprio il contrario: sia in termini di morti dovute all’emissione di inquinanti (quali ad esempio CO2) sia di morti dovuti agli incidenti, l’energia nucleare è uno dei metodi più sicuri di produrre energia, insieme alle rinnovabili. 

Casella di testo

FAQ: Ma una centrale nucleare non è inerentemente rischiosa per quanto riguarda possibili manomissioni o attacchi terroristici? E per quanto riguarda catastrofi naturali come grandi terremoti? 

Nella fase di progettazione di una centrale nucleare tutti gli scenari possibili sono considerati, non solo le situazioni incidentali intrinseche all’impianto. Per esempio la cupola di cemento esterna, pur avendo la funzione principale di contenimento in caso di incidente, è progettata in modo da resistere all’impatto di corpi esterni (come un aereo di linea, considerato uno dei casi peggiori in seguito all’attentato dell’11 settembre). In breve, per dan Stesso ragiona neggiare seriamente una centrale nucleare l’unico modo sarebbe bombardarla con una bomba nucleare, e a quel punto la centrale distrutta sarebbe decisamente l’ultimo dei problemi. mento per gli eventi naturali: ogni componente della centrale è progettato con i criteri costruttivi più stringenti, e i materiali migliori, anche in funzione antisismica. La legislazione (ed i relativi controlli) sono tra i più stringenti e rigorosi, se confrontati con tutti gli altri ambiti ingegneristici. 

Link e immagini ulteriori che potrebbero essere utili: 

https://www.visualcapitalist.com/worlds-safest-source-energy /