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Ad agosto 2007 vi erano 439 centrali nucleari operative nel mondo, in 31 diversi stati, che attualmente producono il 17% dell'energia elettrica mondiale; la potenza degli impianti varia da un minimo di 40 MW fino ad oltre un GW (1000 MW). Le centrali piu' moderne hanno tipicamente potenza compresa tra i 600 MW e i 1600 MW. La vita operativa di una centrale nucleare attuale e' in genere intorno ai 25-30 anni, anche se oggi si progettano centrali che mediante la sostituzione periodica di importanti componenti, si ritiene che possano arrivare a 60 anni. Al termine di questo periodo l'impianto va smantellato, il terreno bonificato e le scorie stoccate adeguatamente. Questi aspetti (in parte comuni ad esempio alle miniere ed agli impianti chimici) assumono particolare rilevanza tecnica ed economica per le centrali nucleari, riducendo il vantaggio dovuto al basso costo specifico del combustibile. Il costo di smantellamento viene oggi ridotto prevedendo un lungo periodo di chiusura della centrale, che permette di lasciar decadere naturalmente le scorie radioattive poco durevoli.
Per quanto riguarda i consumi, in base ai dati a disposizione una centrale nucleare da 1000 MW necessita all'incirca di 30 tonnellate di uranio arricchito all'anno o 150/200 tonnellate di uranio naturale; a titolo di confronto, una centrale elettrica a carbone da 1000 MW richiede 2 600 000 tonnellate di combustibile fossile.
Per quanto riguarda il rendimento termodinamico, va evidenziato che le centrali nucleari hanno una efficienza di conversione del calore in energia elettrica piuttosto bassa, per le relativamente basse temperature del vapore che producono: solo una parte variabile dal 30% al 35% della potenza termica sviluppata dai reattori viene convertita in elettricita', per cui una centrale da 1000 MW elettrici (MWe) ha in genere una produzione di calore di 3000-3500 MW termici (MWt); la conseguenza di cio' e' la necessita' di dissipare enormi quantita' di calore poco pregiato in atmosfera, in fiumi o in mare, con un fabbisogno di acqua di raffreddamento veramente molto cospicuo; in Francia, il raffreddamento delle centrali elettriche nel 2006 ha assorbito 19,1 miliardi di metri cubi d'acqua dolce, ossia il 57% dei prelievi totali d'acqua del paese; una parte di quest'acqua, il 93%, viene restituita ai fiumi, mentre la quota consumata (cioe' utilizzata in torri evaporative ed emessa in atmosfera) rappresenta il 22% (1,3 miliardi di metri cubi) di tutta l'acqua consumata in Francia.
In alcune tipologie di reattori l'acqua del ciclo di potenza dei generatori a turbina non ha alcun contatto con il reattore nucleare, quindi e' esente da qualsiasi forma di emissione radioattiva; in altre tipologie invece questa separazione non esiste. In ogni caso, durante l'esercizio, una centrale nucleare emette piccole dosi di radioattivita' sotto forma di effluenti sia liquidi che gassosi, in particolare trizio, isotopi del cesio, del cobalto, del ferro, del radio e dello stronzio; tali emissioni perdurano anche a distanza di decenni dalla chiusura degli impianti.
Le centrali nucleari a fissione seguono oggi norme di sicurezza di livello molto elevato e normalmente condensano al loro interno un bagaglio tecnologico molto avanzato per la gestione di tutti i processi; esse sono di fatto tra gli impianti piu' controllati in uso oggi, anche se storicamente si sono verificati diversi incidenti di gravita' piu' o meno seria che hanno permesso di affinare procedure e tecniche costruttive inerenti la prevenzione. Prendendo in esame il problema dal punto di vista puramente tecnico, una centrale nucleare recente integra sistemi di protezione e di verifica tali da mitigare (ma non annullare) tutti i problemi prevedibili.
La IAEA (International Atomic Energy Agency) ha stabilito una scala (scala INES - International Nuclear Event Scale) di gravita' degli eventi possibili in una centrale nucleare o in altra installazione, che si articola nei seguenti 8 livelli:
I casi di incidenti gravi con estese contaminazioni esterne sono fortunatamente stati pochi; molto piu' numerosi e spesso poco noti sono gli incidenti con potenziale rischio esterno dovuti principalmente a errori umani e che sono stati confinati all'interno delle centrali grazie alle misure di sicurezza ed in qualche caso anche grazie alla fortuna, come nel caso di Browns Ferry in cui un gruppo di tecnici provocarono un incendio nel tentativo di riparare una perdita d'aria da un tubo. Continui e molto frequenti sono gli eventi di livello 0 e 1, sia in occidente che nel resto del mondo e sono registrati sul sito dell'IAEA.
Per quanto riguarda le centrali a fusione nucleare, esse si baseranno su un principio differente: anziche' scindere atomi pesanti mediante bombardamento con neutroni come avviene nella fissione, verranno uniti due atomi leggeri, generalmente trizio e deuterio, ottenendo dal processo una enorme quantita’ di energia termica, un nuovo nucleo piu' grande (quale l'elio) e nucleoni. E' lo stesso processo utilizzato dal Sole e nelle bombe termonucleari (o bombe all'idrogeno, infatti deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno). Questo tipo di reattori e' da anni allo studio di diversi gruppi di scienziati e tecnici, ma sembra non aver ancora dato risultati apprezzabili in quanto, pur essendo riusciti ad avviare la reazione di fusione, a oggi non si e’ in grado di mantenerla stabile per tempi significativi. Le stime attuali non prevedono l'utilizzo effettivo di energia da fusione nucleare prima del 2050.
Le centrali a fusione nucleare produrrebbero, come principale tipo di scoria, elio che e' un gas inerte e assolutamente non radioattivo; inoltre non userebbero sistemi a combustione e quindi non inquinerebbero l'atmosfera; in piu' dovrebbero essere in grado di ottenere grandi quantita' di energia, superiori rispetto a quelle delle centrali a fissione odierne.
Esistono vari meccanismi di fusione nucleare, tuttavia il piu' facile da produrre artificialmente richiede l'utilizzo di due isotopi pesanti dell'idrogeno: deuterio e trizio. Il deuterio rappresenta una minima percentuale, un cinquemillesimo, dell'idrogeno in natura, ma puo’ essere convenientemente ottenuto tramite elettrolisi dall'acqua pesante. Il trizio, al contrario, essendo radioattivo ed avendo una vita media molto breve, non e’ presente sulla Terra; puo' essere prodotto con reazioni nucleari indotte tramite bombardamento neutronico di isotopi del litio; a causa della sua instabilita', il trizio non può essere stoccato per lunghi periodi: deve essere prodotto sul momento sfruttando i neutroni prodotti dalle reazioni di fusione oppure da un centrale ausiliaria a fissione.
Si puo' alimentare una reazione di fusione anche solo con atomi di deuterio, tuttavia il bilancio energetico, meno conveniente della reazione di fusione del trizio, ne rende molto più difficile lo sfruttamento ai fini della produzione di energia.
La fusione richiede temperature di lavoro elevatissime, tanto elevate da non poter essere contenuta in nessun materiale esistente. Il plasma di fusione viene quindi trattenuto grazie all'ausilio di campi magnetici di intensita' elevatissima, e le alte temperature vengono raggiunte con l'utilizzo di potenti laser. Il tutto rende il processo difficile, tecnologicamente dispendioso e complesso. Il problema delle scorie derivanti dall'attivazione neutronica di parti degli edifici del reattore, e' minimo: i tempi di decadimento della radioattivita' indotta nei suddetti materiali sono comparabili con i tempi di vita delle centrali stesse. E benche' le quantita' di materiale attivato possano essere considerevoli, il problema del loro stoccaggio e' enormemente piu' semplificato rispetto al caso delle centrali a fissione. Comunque sia, i risultati nel campo della ricerca di materiali a bassa attivazione, sono incoraggianti.
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Le centrali nucleari
Per centrale nucleare si intende generalmente una centrale nucleare a fissione, ovvero una centrale termoelettrica che utilizza uno o piu' reattori nucleari a fissione. Il termine si potrebbe applicare anche alle eventuali future centrali a fusione nucleare, che potrebbero impiegare un reattore a fusione: tuttavia la ricerca in questo campo e' ancora in una fase prototipale di impianto, e la fusione controllata e' stata ottenuta solamente per brevi periodi di tempo. In una centrale nucleare a fissione refrigerata ad acqua, come ogni centrale elettrica basata su un ciclo al vapore, avviene una reazione che libera calore, che viene utilizzato per la vaporizzazione dell'acqua e quindi la generazione di lavoro meccanico. Il principio fisico alla base della generazione del calore in una centrale nucleare a fissione e' dunque la fissione nucleare, ovvero la scissione del nucleo di atomi pesanti quali uranio e plutonio.
Ad agosto 2007 vi erano 439 centrali nucleari operative nel mondo, in 31 diversi stati, che attualmente producono il 17% dell'energia elettrica mondiale; la potenza degli impianti varia da un minimo di 40 MW fino ad oltre un GW (1000 MW). Le centrali piu' moderne hanno tipicamente potenza compresa tra i 600 MW e i 1600 MW. La vita operativa di una centrale nucleare attuale e' in genere intorno ai 25-30 anni, anche se oggi si progettano centrali che mediante la sostituzione periodica di importanti componenti, si ritiene che possano arrivare a 60 anni. Al termine di questo periodo l'impianto va smantellato, il terreno bonificato e le scorie stoccate adeguatamente. Questi aspetti (in parte comuni ad esempio alle miniere ed agli impianti chimici) assumono particolare rilevanza tecnica ed economica per le centrali nucleari, riducendo il vantaggio dovuto al basso costo specifico del combustibile. Il costo di smantellamento viene oggi ridotto prevedendo un lungo periodo di chiusura della centrale, che permette di lasciar decadere naturalmente le scorie radioattive poco durevoli.
Per quanto riguarda i consumi, in base ai dati a disposizione una centrale nucleare da 1000 MW necessita all'incirca di 30 tonnellate di uranio arricchito all'anno o 150/200 tonnellate di uranio naturale; a titolo di confronto, una centrale elettrica a carbone da 1000 MW richiede 2 600 000 tonnellate di combustibile fossile.
Per quanto riguarda il rendimento termodinamico, va evidenziato che le centrali nucleari hanno una efficienza di conversione del calore in energia elettrica piuttosto bassa, per le relativamente basse temperature del vapore che producono: solo una parte variabile dal 30% al 35% della potenza termica sviluppata dai reattori viene convertita in elettricita', per cui una centrale da 1000 MW elettrici (MWe) ha in genere una produzione di calore di 3000-3500 MW termici (MWt); la conseguenza di cio' e' la necessita' di dissipare enormi quantita' di calore poco pregiato in atmosfera, in fiumi o in mare, con un fabbisogno di acqua di raffreddamento veramente molto cospicuo; in Francia, il raffreddamento delle centrali elettriche nel 2006 ha assorbito 19,1 miliardi di metri cubi d'acqua dolce, ossia il 57% dei prelievi totali d'acqua del paese; una parte di quest'acqua, il 93%, viene restituita ai fiumi, mentre la quota consumata (cioe' utilizzata in torri evaporative ed emessa in atmosfera) rappresenta il 22% (1,3 miliardi di metri cubi) di tutta l'acqua consumata in Francia.
In alcune tipologie di reattori l'acqua del ciclo di potenza dei generatori a turbina non ha alcun contatto con il reattore nucleare, quindi e' esente da qualsiasi forma di emissione radioattiva; in altre tipologie invece questa separazione non esiste. In ogni caso, durante l'esercizio, una centrale nucleare emette piccole dosi di radioattivita' sotto forma di effluenti sia liquidi che gassosi, in particolare trizio, isotopi del cesio, del cobalto, del ferro, del radio e dello stronzio; tali emissioni perdurano anche a distanza di decenni dalla chiusura degli impianti.
Le centrali nucleari a fissione seguono oggi norme di sicurezza di livello molto elevato e normalmente condensano al loro interno un bagaglio tecnologico molto avanzato per la gestione di tutti i processi; esse sono di fatto tra gli impianti piu' controllati in uso oggi, anche se storicamente si sono verificati diversi incidenti di gravita' piu' o meno seria che hanno permesso di affinare procedure e tecniche costruttive inerenti la prevenzione. Prendendo in esame il problema dal punto di vista puramente tecnico, una centrale nucleare recente integra sistemi di protezione e di verifica tali da mitigare (ma non annullare) tutti i problemi prevedibili.
La IAEA (International Atomic Energy Agency) ha stabilito una scala (scala INES - International Nuclear Event Scale) di gravita' degli eventi possibili in una centrale nucleare o in altra installazione, che si articola nei seguenti 8 livelli:
I casi di incidenti gravi con estese contaminazioni esterne sono fortunatamente stati pochi; molto piu' numerosi e spesso poco noti sono gli incidenti con potenziale rischio esterno dovuti principalmente a errori umani e che sono stati confinati all'interno delle centrali grazie alle misure di sicurezza ed in qualche caso anche grazie alla fortuna, come nel caso di Browns Ferry in cui un gruppo di tecnici provocarono un incendio nel tentativo di riparare una perdita d'aria da un tubo. Continui e molto frequenti sono gli eventi di livello 0 e 1, sia in occidente che nel resto del mondo e sono registrati sul sito dell'IAEA.
Per quanto riguarda le centrali a fusione nucleare, esse si baseranno su un principio differente: anziche' scindere atomi pesanti mediante bombardamento con neutroni come avviene nella fissione, verranno uniti due atomi leggeri, generalmente trizio e deuterio, ottenendo dal processo una enorme quantita’ di energia termica, un nuovo nucleo piu' grande (quale l'elio) e nucleoni. E' lo stesso processo utilizzato dal Sole e nelle bombe termonucleari (o bombe all'idrogeno, infatti deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno). Questo tipo di reattori e' da anni allo studio di diversi gruppi di scienziati e tecnici, ma sembra non aver ancora dato risultati apprezzabili in quanto, pur essendo riusciti ad avviare la reazione di fusione, a oggi non si e’ in grado di mantenerla stabile per tempi significativi. Le stime attuali non prevedono l'utilizzo effettivo di energia da fusione nucleare prima del 2050.
Le centrali a fusione nucleare produrrebbero, come principale tipo di scoria, elio che e' un gas inerte e assolutamente non radioattivo; inoltre non userebbero sistemi a combustione e quindi non inquinerebbero l'atmosfera; in piu' dovrebbero essere in grado di ottenere grandi quantita' di energia, superiori rispetto a quelle delle centrali a fissione odierne.
Esistono vari meccanismi di fusione nucleare, tuttavia il piu' facile da produrre artificialmente richiede l'utilizzo di due isotopi pesanti dell'idrogeno: deuterio e trizio. Il deuterio rappresenta una minima percentuale, un cinquemillesimo, dell'idrogeno in natura, ma puo’ essere convenientemente ottenuto tramite elettrolisi dall'acqua pesante. Il trizio, al contrario, essendo radioattivo ed avendo una vita media molto breve, non e’ presente sulla Terra; puo' essere prodotto con reazioni nucleari indotte tramite bombardamento neutronico di isotopi del litio; a causa della sua instabilita', il trizio non può essere stoccato per lunghi periodi: deve essere prodotto sul momento sfruttando i neutroni prodotti dalle reazioni di fusione oppure da un centrale ausiliaria a fissione.
Si puo' alimentare una reazione di fusione anche solo con atomi di deuterio, tuttavia il bilancio energetico, meno conveniente della reazione di fusione del trizio, ne rende molto più difficile lo sfruttamento ai fini della produzione di energia.
La fusione richiede temperature di lavoro elevatissime, tanto elevate da non poter essere contenuta in nessun materiale esistente. Il plasma di fusione viene quindi trattenuto grazie all'ausilio di campi magnetici di intensita' elevatissima, e le alte temperature vengono raggiunte con l'utilizzo di potenti laser. Il tutto rende il processo difficile, tecnologicamente dispendioso e complesso. Il problema delle scorie derivanti dall'attivazione neutronica di parti degli edifici del reattore, e' minimo: i tempi di decadimento della radioattivita' indotta nei suddetti materiali sono comparabili con i tempi di vita delle centrali stesse. E benche' le quantita' di materiale attivato possano essere considerevoli, il problema del loro stoccaggio e' enormemente piu' semplificato rispetto al caso delle centrali a fissione. Comunque sia, i risultati nel campo della ricerca di materiali a bassa attivazione, sono incoraggianti.
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