Fonti energetiche non rinnovabili Il nucleare

Caratteristiche In natura l'uranio non si trova allo stato libero ma solo sotto forma di ossido o sale complesso in minerali come la pechblenda e la carnotite. L'uranio si presenta come un metallo bianco-argenteo, lievemente radioattivo e di poco più tenero dell'acciaio. È malleabile, duttile e debolmente paramagnetico. L'uranio naturale è composto da una miscela di tre isotopi radioattivi, 234U, 235U, e 238U, di cui 238U è il più abbondante (99,3%), mentre il 234U costituisce una percentuale trascurabile del totale. La fonte energetica primaria, nel ciclo della tecnologia nucleare è ricavata, allo stato attuale, dall'isotopo 235U il quale deve prima subire un processo di arricchimento (aumento della sua concentrazione a valori superiori al 3%) perchè sia adatto a scopi nucleari. L'uranio che si trova in natura è infatti composto per il 99,3% di 238U, e per lo 0,7% da 235U.

Distribuzione dei giacimenti

Distribuzione dei giacimenti Australia           1.143.000,00 T 24,3% Kazakhstan        816.099,00 17,4% Canada                443.800,00 9,4% USA                  342.000,00 7,3% South Africa         340.596,00 7,2% Namibia               282.359,00 6,0% Brazil                278.700,00 5,9% Niger                 225.459,00 4,8% Russia                 172.402,00 3,7% Uzbekistan       115.526,00 2,5% Altri 540.059,00 11,5% TOTALE 4.700.000,00 Secondo la AIEA (agenzia internazionale energia atomica) le riserve di uranio sono di circa 4,7 milioni di tonnellate ripartite come mostrato nella tabella. L'italia ha giacimenti per 6.100 tonnellate, sufficienti ad alimentare per 30 anni una sola centrale EPR (nuovo reattore nucleare europeo ad acqua pressurizzata).

La reazione a catena Una minima quantità di 235U consente di produrre un'elevata quantità energia, e a differenza del carbone o del petrolio, senza emissioni di anidride carbonica (principale causa dell'effetto serra). Questo dato spesso lascia ad intendere che i sistemi ad energia nucleare siano ad altissima densità energetica, ma è utile sapere che un grammo di 235U si ricava, mediamente, da 7 tonnellate di minerale lavorato in miniera (costi di estrazione elevati). Nelle centrali nucleari l'Energia scaturisce dal processo di "Fissione Nucleare" che consiste nel bombardamento dell'uranio con neutroni. Il nucleo dell'uranio si divide in due nuclei più piccoli generando energia e altri neutroni che, a loro volta, continueranno a far dividere altri nuclei di uranio dando luogo alla famosa "reazione a catena nucleare".

La reazione a catena

La centrale nucleare Nel reattore delle centrali nucleari si ottiene calore mediante la fissione controllata di atomi di uranio. Per il resto, la produzione energetica di una centrale nucleare è identica a quella di una centrale termica a combustibili fossili. Nel nocciolo avvengono le reazioni a catena, che riscaldano a temperature anche notevoli gli elementi di combustibile,  (l'uranio) che è impilato in cilindri molto lunghi e stretti (barre di combustibile). Questi sono lambiti dall'acqua di raffreddamento del circuito primario, che raffreddandoli asporta il calore e si riscalda. L'acqua si trova a circa 300-330°, non evapora perché viene tenuta a una pressione di circa 155 bar (155 volte la pressione atmosferica).

La centrale nucleare Proseguendo nel suo cammino l'acqua scambia calore con altra acqua in un secondo circuito, a una pressione inferiore. Il vapore, che in questo circuito si produce ad una pressione di circa 55 bar e ad una temperatura di circa 280°, investe una turbina, collegata a un alternatore che genera energia elettrica. Il vapore a bassa pressione (55 bar) in uscita dalla turbina viene raffreddato da acqua che scorre in un terzo circuito che viene poi alla fine raffreddato ad aria in torri di raffreddamento. Se la centrale si trova nelle vicinanze di un fiume l'acqua del circuito di condensazione (il terzo) che non ha avuto contatto con zone contaminate  viene scaricata nel fiume, ovviamente questo deve avvenire con portate e temperature tali da non influire sull'ecosistema.

La centrale nucleare

Nocciolo L'interno del nocciolo, schematicamente, è mostrato nell'immagine affianco. Si tratta di centinaia di barre di combustibile (uranio arricchito o plutonio) alternate con barre moderatrici (in genere berillio o grafite) e di controllo (in genere cadmio o boro, che possono scorrere verticalmente comandate dall'esterno per regolare la potenza della centrale). Dentro questo nocciolo viene realizzata la reazione nucleare a catena controllata che produce l'energia che ci interessa. La peculiarità di questo fornello, rispetto agli altri delle centrali termiche, riguarda  le elevatissime temperature che si originano dalla reazione nucleare. Il sistema deve essere ben controllato per mantenerlo sempre a  temperature (intorno ai 400 °C) tali da non danneggiarlo. Lo scorrimento delle barre è fondamentale per il controllo del reattore. Serve quindi un efficientissimo sistema di raffreddamento ed estrazione del calore prodotto. In pratica dell'acqua deve circolare per estrarre il calore prodotto con continuità. La quantità d'acqua è notevole e, a volte, la stessa acqua non ce la fa ad assorbire tutto il calore prodotto; è il caso di alcune centrali nucleari che debbono utilizzare del sodio liquido per la sua maggiore efficienza relativa allo scopo.

Vari tipi di centrali nucleari Le centrali più diffuse sono quelle ad acqua leggera (Light Water Reactor, LWR) che sono di due tipi: quelle ad acqua in pressione (PWR, brevetto Westinghouse) e quelle ad acqua bollente (BWR, brevetto General Electric). In tali centrali il combustibile è uranio arricchito ed il moderatore è acqua naturale. Vi sono poi le centrali ad acqua pesante (Heavy Water Reactor, HWR) che sono essenzialmente quelle brevettate in Canada (CANadian Deuterium-Uranium, CANDU). In tale centrale il combustibile è uranio naturale ed il moderatore è acqua pesante.  Altro tipo di centrali è quello sviluppato principalmente in Francia, si tratta dei reattori autofertilizzanti o reattori veloci o breeders (LMFBR). 

I reattori nucleari nel mondo (2005)

I reattori nucleari in Europa (2005)

Chi produce l'energia nucleare? Sono circa 438 i reattori nucleari attivi nel mondo. I paesi che soddisfano il proprio fabbisogno energetico interno in misura maggiore tramite l'energia nucleare sono i seguenti: Francia(59 reattori): 76% fabbisogno energetico interno Paesi dell'Europa dell'Est: 40-50% USA (104 reattori): 20% Complessivamente, le centrali nucleari nel mondo hanno una potenza di 352 gigawatt, pari al 16% della potenza globale d'energia installata. Un dato consistente ma ben lontano dai 1.000 gigawatt stimato negli anni '70 per i nostri anni. L'incidente di Chernobyl negli anni '80 frenò l'ottimismo verso l'energia nucleare per la consapevolezza delle gravi conseguenze in caso di incidente. L'Europa soddisfa mediamente il 35% del proprio fabbisogno energetico interno tramite l'uso di centrali nucleari ma sul dato pesano fortemente i reattori nucleari Francesi.