Come funziona una centrale nucleare a fissione

I recenti avvenimenti giapponesi legati al terremoto di eccezionale intensità che ha colpito quella zona e al conseguente tsunami che si è generato, hanno reso di attualità le centrali nucleari, a causa dei gravi problemi che stanno attraversando i reattori della centrale di Fukushima, danneggiati dallo tsunami.

Una centrale nucleare, così come gran parte delle centrali termoelettriche, è un sistema per produrre energia elettrica che sfrutta la  forza motrice generata dal vapore.  Quello che cambia è il combustibile utilizzato.Infatti, nella centrale nucleare il combustibile è costituito da materiale fissile radioattivo mentre nelle tradizionali centrali termoelettriche è costituito da combustibile fossile, come metano, gasolio e così via. Ma per quanto riguarda il sistema  che permette di generare movimento, in entrambi i casi si tratta del vapore.

Il processo che trasforma calore in lavoro è chiamato ciclo Rankine. E' un ciclo termodinamico che utilizza le turbine a vapore per generare lavoro, che può essere convertito in locomozione (come nelle locomotive a vapore) o in energia elettrica.

Nelle centrali termoelettriche, quello bruciato all'interno di una caldaia è un combustibile fossile (metano, gasolio, carbone). Il calore generato dalla combustione viene ceduto all'acqua che, riscaldandosi, forma vapore, che può raggiungere temperature dell'ordine dei 500°C e più. Il vapore alimenta le turbine che producono un movimento e un alternatore trasforma  l'energia meccanica in energia elettrica.

Nelle centrali nucleari il combustibile usato per generare calore è il materiale fissile radioattivo. Nel reattore nucleare il calore viene catturato da un fluido (o da un gas), di solito acqua. A questo punto il ciclo può seguire due vie: o l'acqua viene trasformata immediatamente in vapore (ciclo diretto) oppure serve per fornire calore a un'altra struttura  per la formazione di vapore (ciclo indiretto).

Il ciclo diretto lo si ritrova nei reattori BWR (Boiling Water Reactor) mentre il ciclo indiretto viene utilizzato nei reattori PWR (Pressurized Water Reactor).

La generazione del movimento delle pale della turbina si ottiene grazie all'espansione del vapore. Espandendosi però, il vapore si raffredda, perciò viene raccolto da un condensatore che trasforma il vapore in liquido e lo pompa nuovamente all'interno della caldaia, dove ricomincia il ciclo.

Come detto, la trasformazione dell'energia meccanica in energia elettrica avviene attraverso l'alternatore. Dall'alternatore, la corrente è inviata a un trasformatore che ne aumenta la tensione, quindi viene immessa nella rete.

Il rendimento delle diverse centrali per la produzione di energia elettrica è variabile.

• Centrali nucleari - Il 34% circa dell'energia prodotta si trasforma in energia elettrica
• Centrali termoelettriche - Fino al 45% dell'energia prodotta si trasforma in energia elettrica
• Centrali a ciclo combinato - Oltre il 55% dell'energia prodotta si trasforma in energia elettrica

La fissione dell'atomo.

Il meccanismo sfruttato da una centrale nucleare per generare calore è la fissione nucleare. La fissione è la scissione di un atomo con l'aiuto di un neutrone. Si usa il neutrone perchè essendo neutro dal punto di vista della carica elettrica non risente dell'attrazione elettromagnetica del combustibile. Il materiale da colpire è costituito da atomi già di per sè instabili, e che per questo vengono chiamati radioattivi. Quando un neutrone colpisce un atomo di combustibile (per esempio 235U) viene catturato dall'atomo che poi si divide e si liberano altri neutroni che possono venir catturati da un nucleo risultante dalla fissione di quello originario oppure essere deviati e  proseguire la loro corsa ad alta velocità per continuare la reazione.

photo knusford-scibar

Ecco lo schema generico di una centrale nucleare.

Il nocciolo o cuore del reattore è la zona in cui avviene la reazione nucleare controllata. Il combustibile nel nocciolo è composto da una miscela di due isotopi dell'uranio, 238U e 235U uno presente in grande quantità (99,3% di tutto l'uranio), l'altro presente in tracce (0,7%). L'arricchimento con 235U è obbligato in quanto questo isotopo ha una probabilità di fissarsi nettamente superiore a 238U che invece cattura i neutroni senza dividersi ulteriormente.  Allo scopo di rallentare la velocità dei neutroni e quindi aumentare la probabilità di scontro con i nuclei di uranio si usa un moderatore, costituito in generale da acqua (o acqua pesante) o grafite. Le barre di controllo servono a impedire che la reazione nucleare diventi incontrollata. Sono costituite da elementi come cadmio e boro che catturano facilmente i neutroni, così da limitare il meccanismo d'innesco della reazione. Infine vi è l'estrazione del calore da trasformare in energia meccanica e quindi in energia elettrica, necessaria sia per l'aspetto funzionale di una centrale nucleare sia per impedire che la temperatura raggiunga livelli critici tali che mettano a repentaglio l'integrità del nocciolo. E' da notare che la fissione di un atomo di uranio è 100 milioni di volte più energetica della combustione di un atomo di carbonio (combustibile fossile). L'estrazione del calore si realizza di solito con l'acqua perchè possiede tre caratteristiche importanti:

• E' un buon termovettore
• E' un pessimo catturatore di neutroni
• E' un ottimo rallentatore di neutroni

Diffusione dei tipi di reattore nucleare.

Diverse sono le tipologie di centrali nucleari a fissione attive nel mondo. Di seguito le diverse tipologie aggiornate al 2009.

• Centrale PWR (Pressurized Water Reactor) - N. 265 - 60,6% del totale
• Centrale BWR (Boiling Water Reactor) - N. 92 - 21,1% del totale
• Centrale PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor) - N. 45 - 10,3% del totale
• Centrale GCR (Gas Cooled Reactor) - N. 18 - 4,1% del totale
• Centrale LWGR (Light Water Graphite Reactor) - N. 15 - 3,4% del totale
• Centrale FBR  (Fast Breeder Reactor) - N. 2 - 0,5% del totale
  

Qui invece sono elencate le caratteristiche tipiche di ogni tipologia di centrale nucleare.

• PWR. Combustibile uranio arricchito - Moderatore acqua -  Termovettore acqua
• BWR. Combustibile uranio arricchito - Moderatore acqua - Termovettore acqua
• PHWR. Combustibile uranio naturale -  Moderatore acqua pesante - Termovettore acqua
• GCR (Magnox). Combustibile uranio naturale - Moderatore grafite - Termovettore anidride carbonica
• GCR (Agr). Combustibile uranio poco arricchito - Moderatore grafite - Termovettore anidride carbonica
• LWGR. Combustibile uranio poco arricchito - Moderatore grafite - Termovettore acqua

Per terminare vi lascio con questa applet interattiva in cui si mette alla prova la capacità di affrontare un'emergenza in una centrale nucleare. Cliccate sull'immagine per iniziare.