Tutti abbiamo sentito parlare almeno una volta di centrali nucleari. Ma cosa sono esattamente? Per dirla in poche parole, si tratta di impianti capaci di produrre elettricità tramite reazioni di fissione nucleare, a partire dall'utilizzo di uranio. Andiamo con ordine però: per capire il meccanismo che ci sta dietro, occorre innanzitutto avere presente come funzionano le normali centrali termoelettriche. Come vedremo, poi, la rottura degli atomi presenta qualche complicazione aggiuntiva.
Da dove viene la corrente elettrica?
Se escludiamo i pannelli fotovoltaici, che generano energia dalla luce solare attraverso l’effetto fotoelettrico, tutti gli altri impianti per la produzione di elettricità sfruttano il principio di induzione elettromagnetica, attraverso il quale è possibile generare corrente elettrica alternata facendo ruotare una spira all’interno di un campo magnetico. La parte della centrale in cui avviene questo processo si chiama “alternatore”, e di fatto trasforma l’energia meccanica della rotazione in energia elettrica. Per far girare la spira all’interno dell’alternatore, quest’ultimo va collegato ad una turbina, che altro non è che una macchina in grado di ruotare sotto la spinta di una forza esterna.
L’energia per mettere in moto la turbina va a sua volta ottenuta in qualche modo: nelle centrali idroelettriche ed eoliche si sfrutta direttamente l’energia cinetica dell’acqua e del vento per spingere la turbina; nelle centrali termoelettriche (che includono quelle alimentate da combustibili fossili, quelle geotermiche e quelle nucleari), la turbina viene invece messa in rotazione dalla pressione di un gas in espansione, che generalmente (ma non sempre) è vapore acqueo.
Per ottenere vapore acqueo ad alta pressione è necessaria una grande quantità di calore, ed è qui che entra in gioco la fonte di energia vera e propria: nelle centrali geotermiche il calore è prelevato dal sottosuolo, nelle centrali a combustibile fossile il calore è generato in una camera di combustione dove viene fatto bruciare del carbone o del gas (o, più raramente, olio combustibile), mentre nelle centrali nucleari il calore è generato dalle reazioni di fissione dell’Uranio. Se però il meccanismo della combustione del gas è noto a chiunque abbia un fornello in casa e quello della combustione del carbone è noto a chiunque abbia mai fatto una grigliata in campagna, la fissione nucleare è decisamente più misteriosa. Come funziona esattamente?
Atomi e fissione nucleare
Il concetto di "atomo" è stato inventato dal filosofo greco Democrito, e la parola significa letteralmente "indivisibile". Tuttavia già durante l'800 gli scienziati iniziarono ad ipotizzare che l'atomo fosse a sua volta composto da particelle più piccole, e all'inizio del ‘900 nacquero i primi modelli atomici, grazie ai quali oggi sappiamo che l'atomo è composto da un nucleo di protoni e neutroni attorno a cui orbitano gli elettroni. La scoperta della fissione nucleare, negli anni '30, mette definitivamente la pietra tombale sul concetto di "indivisibile".
In una reazione di fissione, un nucleo atomico si scinde in due nuclei più leggeri (detti “frammenti” o “prodotti” di fissione) che complessivamente sono più stabili del nucleo di partenza. Il fatto che i nuclei che si generano siano più stabili significa che i protoni e i neutroni che li compongono sono più legati tra loro, e visto che l’energia di legame è negativa questo si traduce in un “difetto” di energia (che si manifesta poi come un difetto di massa, visto che le due grandezze sono legate dalla ben nota equazione E = mc2): l’energia mancante è proprio quella che viene liberata dalla reazione.
A ben vedere, il principio non è poi molto diverso da quello delle reazioni chimiche: anche in quel caso vi sono dei legami che vengono rotti ed altri che si vanno a formare, e anche in quel caso la differenza tra i legami vecchi e quelli nuovi fornisce il bilancio energetico della reazione. L’unica differenza è che i legami chimici sono molto, molto più deboli di quelli che tengono i nuclei atomici uniti tra di loro, e quindi l’energia ottenuta da una reazione chimica è inferiore di molti ordini di grandezza rispetto a quella che si ottiene da una reazione nucleare. Per lo stesso motivo, la reazione di combustione è relativamente facile da ottenere – parliamo in fondo di una delle primissime invenzioni della specie “homo” – mentre per spaccare un atomo serve un po’ più di impegno.
Il funzionamento della fissione nucleare
Il modo migliore che abbiamo trovato fino ad ora per rompere i nuclei atomici è quello di bombardarli con dei proiettili. Il neutrone, in particolare, è il proiettile migliore a nostra disposizione, dal momento che non avendo carica elettrica non è soggetto alla repulsione elettrostatica dovuta ai protoni del bersaglio (esistono anche elementi che possono andare incontro a fissione spontanea, ad esempio il Plutonio 240, ma sono tutti elementi artificiali). Per generare un flusso iniziale di neutroni esistono diversi metodi, ma sono molto costosi: per questo è indispensabile che le reazioni di fissione producano neutroni a loro volta, in modo da creare una reazione a catena.
Una volta capito qual è il miglior proiettile, occorre trovare il bersaglio adatto: in linea di principio, moltissimi elementi potrebbero essere rotti per generare energia – quasi tutti quelli che si trovano sopra il Radio nella tavola periodica – ma nella maggior parte dei casi questo non basta. Alcuni elementi, ad esempio, vanno incontro a fissione solo se colpiti con neutroni di energia cinetica elevatissima, e il fatto che i neutroni non abbiano carica elettrica fa sì che sia molto difficile accelerarli a piacere.
Altri elementi tendono a catturare i neutroni invece di rompersi, e dunque la fissione, anche se è teoricamente possibile, accade raramente. Altri ancora rompendosi non rilasciano altri neutroni, o non ne rilasciano abbastanza: questo rende impossibile utilizzarli per una reazione a catena. Infine vi sono degli elementi che teoricamente rispettano i requisiti precedenti, ma che non sono sufficientemente stabili da poterli utilizzare in maniera efficace (decadono radioattivamente in altri elementi in poco tempo).
Gli elementi che rispettano tutti i requisiti di cui sopra vengono detti “fissili”; gli elementi che possono andare incontro a fissione, ma che per un motivo o per l’altro non sono adatti a sviluppare una reazione a catena vengono invece detti “fissionabili”. Tra tutti gli elementi e tutti gli isotopi presenti in natura, esiste un solo fissile: l’Uranio 235. Tutti gli altri elementi fissili noti sono di origine artificiale: il più famoso è sicuramente il Plutonio 239, ma vi sono anche l’Uranio 233, il Nettunio 237, il Plutonio 241, il Curio 244 e l’Americio 241. L’Uranio 235 costituisce appena lo 0,7% dell’uranio presente in natura, ma per fortuna conosciamo diverse tecniche per aumentare questa percentuale (si parla in questo caso di “arricchimento”).
La centrale nucleare
Ora che abbiamo il proiettile e abbiamo il bersaglio, bisogna fare in modo che il proiettile colpisca il bersaglio: occorre dunque ammassare una certa quantità (detta “massa critica”) di materiale fissile, in modo da essere certi che i neutroni prodotti dalle reazioni di fissione trovino sempre un nuovo atomo da rompere sulla loro strada, e inserirla all'interno di un contenitore le cui pareti sono invece costruite con un materiale che riflette i neutroni, per evitare che questi ultimi "scappino". Nei moderni reattori per la produzione di energia, all’interno del nocciolo sono presenti circa 100 tonnellate di uranio arricchito tra il 3 e il 5%: questo significa che vi sono 3-5 tonnellate di Uranio 235 fissile, mentre il resto è Uranio 238. Nei reattori usati per la propulsione dei sottomarini militari, il grado di arricchimento è molto più alto: questo fa sì che la massa critica richiesta sia minore (meno carico) e permette anche maggiori escursioni di potenza.
Per aumentare ulteriormente la probabilità di ottenere reazioni di fissione, è spesso conveniente (ma non obbligatorio) rallentare i neutroni. I neutroni veloci infatti hanno una probabilità più alta di essere catturati dall’Uranio 238 o magari dalle pareti del contenimento, mentre i neutroni lenti sono quelli coi quali si ottengono tassi di fissione più alti. Per rallentare i neutroni basta farli urtare contro nuclei leggeri: in un urto, infatti, quanto più le masse sono simili, tanto più l’energia tende a passare da una massa all’altra. Questo gioca a nostro favore, dal momento che l’elemento più leggero di tutti è l’idrogeno e che il nostro scopo è alla fine quello di riscaldare dell’acqua. Basterà quindi immergere l'uranio all'interno di un recipiente pieno d'acqua e il gioco è quasi fatto: manca solo un dispositivo di regolazione della potenza.
Dal momento che le fissioni sono generate dai neutroni, per regolare la potenza è sufficiente utilizzare un materiale che assorba i neutroni: il più utilizzato è il boro, che è anche relativamente conveniente economicamente. Con il boro si fabbricano le barre di controllo, la cui posizione è regolabile: inserendole più o meno in profondità all'interno del recipiente si regola il flusso neutronico. Possono anche essere utilizzate per spegnere il reattore, inserendole tutte fino in fondo.
Nella maggior parte dei reattori in uso oggi nel mondo, si preferisce evitare di far bollire l'acqua, dal momento che il vapore interagisce meno coi neutroni (essendo più rarefatto) e dunque rende più complicata l'operatività: per evitare l'ebollizione basta aumentare la pressione del sistema, proprio come avviene nelle pentole a pressione che utilizziamo in casa. Nel nocciolo di un reattore nucleare l'acqua viene riscaldata fino a 315 °C e mantenuta ad una pressione di 155 bar: quest'acqua viene poi fatta circolare in un generatore di vapore dove viene utilizzata per riscaldare l'acqua del circuito secondario, la quale si trasforma in vapore e viene mandata alle turbine. I reattori di questo tipo vengono detti "ad acqua pressurizzata" (PWR); attualmente circa l'80% dei reattori attivi nel mondo appartiene a questa categoria.
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