L’energia nucleare L’ INIZIO DELL’ERA NUCLEARE COME SI PRODUCE L’ENERGIA NUCLEARE FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE A FISSIONE NUCLEARE E SICUREZZA CENTRALI NUCLEARI NEL MONDO TIPOLOGIE DI CENTRALI

L’ INIZIO DELL’ERA NUCLEARE a cura di C. Severi, S. Buffagni, B L’ INIZIO DELL’ERA NUCLEARE a cura di C. Severi, S. Buffagni, B. Turrini, C. Corvino

La prima bomba atomica Molti scienziati, durante la Guerra Mondiale, per evitare le persecuzioni si erano trasferiti negli Stati Uniti. Fra questi, il fisico Enrico Fermi, sposato con un'ebrea, che approfittando del viaggio in Svezia per ritirare il premio Nobel (1938), cercò rifugiò negli Stati Uniti. Albert Einstein, altro fisico tedesco emigrato il 2 agosto 1939 indirizzò una lettera al presidente Roosevelt con la quale lo informava della possibilità di costruire un nuovo tipo di bomba basata sulla fissione nucleare. Con l'ingresso in guerra degli Stati Uniti nel dicembre del 1941, prese avvio il programma nucleare denominato "Progetto Manhattan". Nel marzo 1943 venne avviato il progetto di studi sulla bomba.

Gli avvenimenti Il 6 agosto 1945 alle 8 e 15 e 17 secondi ad Hiroshima viene sganciata la prima bomba atomica, chiamata “Little boy”, dopodichè l’aereo, pesando molto meno, si alza verso l’alto. Una palla di fuoco appare a circa 600 metri di altezza e un calore insopportabile si diffonde per decine di chilometri. Nel punto dell’esplosione la temperatura nell’aria raggiunge molti milioni di gradi Celsius. Più di 100.000 persone muoiono quello stesso giorno. L’ onda d’urto rade al suolo Hiroshima, ad eccezione di pochissimi edifici che diverranno poi simbolo del tragico evento. Tre giorni dopo un altro velivolo statunitense, non trovando un’apertura nelle nubi del suo obiettivo primario, la città di Kokura, si dirige verso il secondo obiettivo programmato, la città di Nagasaki, sulla quale sgancia una bomba analoga a quella di tre giorni prima, chiamata “Fat man”, per le sue dimensioni maggiori rispetto alla precedente. A causa della sua esplosione, il 9 agosto, a Nagasaki muoiono 74.000 persone. Sono quasi tutti civili.

COME SI PRODUCE L’ENERGIA NUCLEARE Pifferi, C. , Campisi R. >D COME SI PRODUCE L’ENERGIA NUCLEARE Pifferi, C., Campisi R.>D., Galuppi G., Fregni E.

L’ENERGIA NUCLEARE è ciò che tiene legata la parte interna dell’atomo. Il primo che intuì la possibilità di ricavare energia dal nucleo di un atomo fu Albert Einstein con la teoria de “l’equivalenza tra materia ed energia” E=mc 2 E = energia che si ottiene da “m” (quantità di materia) per la costante “c” (velocità della luce 300 000 km/s) 2 Esistono due procedimenti per ricavare l’energia dal nucleo di un atomo : La fissione (rottura ) di un nucleo pesante La fusione (unione) di nuclei leggeri

LA FISSIONE DELL’URANIO L’uranio 235 è uno degli elementi più pesanti esistenti in natura. Dalla rottura del primo nucleo si libera energia ma escono anche 3 neutroni (puntini rossi) che rompono 3 nuclei che liberano energia e altri 3 neutroni ciascuno, creando una reazione a catena . I minerali d’uranio contengono meno dell’1% d’Uranio 235 mentre il restante 99% è uranio 238.

L’ARRICHIMENTO Con una tecnica complessa è possibile arricchire la percentuale di uranio 235. Per la bomba nucleare serve un arricchimento dell’90% circa. Per il rettore nucleare basta un arricchimento dell’3% circa.

LA FUSIONE DELL’IDROGENO Un altro sistema per ottenere energia dell’atomo è la Fusione nucleare. Facendo fondere due nuclei di idrogeno si ottiene un nucleo di elio; la piccola parte di materia che scompare si trasforma in energia. I nuclei devo essere sottoposti a una fortissima pressione e scaldati a una temperatura di circa 100 milioni di gradi centigradi.

CENTRALE ELETTRONUCLEARE RUINI, IPPOLITO, PALERMO, MONARI CENTRALE ELETTRONUCLEARE

L’edificio che contiene il reattore è un enorme cilindro di cemento armato al cui interno è collocato il reattore. Dentro al reattore si trova il nocciolo, formato dagli elementi combustibili contenenti uranio e barre di controllo. COMPONENTI Nella sala macchine c’è una turbina a vapore accoppiata a un alternatore con potenza di 840 mw alla tensione di 17000v. Il condensatore viene raffreddato da un circuito indipendente. Ci sono poi edifici ausiliari che contengono le piscine piene d’acqua per la conservazione momentanea degli elementi combustibili esauriti, altamente radioattivi.

COME FUNZIONA? Il suo funzionamento è simile a quello di una centrale termoelettrica: Nel reattore viene pompata dal basso l’acqua che, filtrando attraverso gli elementi combustibili, assorbe il calore emesso dalla fissione dell’ uranio e si trasforma in vapore; questo viene inviato direttamente nella turbina che trasferisce la propria forza meccanica all’alternatore che genera corrente

REATTORE BWR (Boiling Water Reactor) Il reattore è un cilindro di acciaio inossidabile di grandi dimensioni. Alla sommità è fissata con bulloni una calotta, che può essere aperta per introdurre gli elementi di combustione e estrarli quando sono esauriti. Sulla parete del reattore ci sono i bocchettoni per l’ ingresso dell’acqua e del vapore. Per caricare il reattore si apre la calotta sollevandola con una gru; sempre con la gru si inseriscono gli elementi di combustione che si andranno ad appoggiare sulla griglia inferiore. Messa in funzione si attivano 5 sorgenti di neutroni e si sfilano lentamente le barre di controllo: la reazione a catena ha inizio e l’energia emessa dalla FISSIONE dell’uranio fa bollire l’acqua trasformandola in vapore

FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE NUCLEARE ENERGIA NUCLEARE URANIO NOCCIOLO REATTORE ENERGIA TERMICA ENERGIA CINETICA TURBINA ALTERNATORE ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA

Nucleare e sicurezza a cura di: Enrica Ghirardini, Mattia Galli, Letizia Brognati, Tommaso Tesoro 15

Il materiale di scarto, ovvero pastiglie di combustibile "esaurito", di una centrale nucleare è altamente radioattivo e può causare gravi danni all'uomo, come tumori e malattie genetiche, e all'ambiente. Questo materiale è molto pericoloso a causa dell'emissione di raggi gamma. La radioattività è massima dopo l'estrazione dal reattore, mentre si abbassa di livello con il tempo grazie ad un fenomeno naturale chiamato decadimento radioattivo. I materiali di scarto in passato venivano sigillati in contenitori schermati e venivano posti sui fondali marino, oppure venivano sepolti nel terreno, ma non vi era sempre la garanzia della funzionalità di questi metodi. 16

Nelle centrali nucleari ogni fase di lavoro deve seguire passaggi ben distinti e precisi. Infatti il malfunzionamento di ogni singolo organo potrebbe causare una catastrofe mondiale. Episodi come Chernobyl e Fukushima ne sono una triste testimonianza. 17

26 aprile 1986, Chernobyl, Ucraina. Esperimento e conseguenze: l'impianto di raffreddamento d'emergenza venne spento, la temperatura all'interno del reattore n°4 raggiunse in pochissimo tempo 800°C. Successivamente il vapore acqueo reagì con lo zirconio e, in seguito a numerosi esplosioni, una nube di grafite, un materiale carico di elementi radioattivi, si diffuse nell'atmosfera. Bilancio danni: a causa di questo incidente persero la vita 31 persone, 299 furono gravemente contaminate, ci furono circa 1000 gravidanze interrotte e 500 000 uomini furono evacuati da Chernobyl. 18

Fukushima L’incidente: la rete elettrica è stata danneggiata dal terremoto e i generatori diesel di emergenza sono stati danneggiati dallo tsunami. Le pompe di raffreddamento dei reattori e delle piscine di raffreddamento si sono fermati. Nei reattori la temperatura e la pressione sono salite, cosa che ha costretto l’azienda Tepco a far uscire il vapore per evitare l’esplosione del vessel (che contiene le barre di combustibile). Oltre a emettere vapori contaminati da elementi radioattivi, è uscito idrogeno, prodotto dalla dissociazione dell’acqua nel reattore, che è esploso facendo saltare il tetto dei reattori 1 e 3. La scoperta di tracce di Plutonio conferma la parziale fusione di almeno uno dei noccioli dei reattori. Bilancio danni: È ancora difficile fare un bilancio dei danni, ma si ritiene che i morti siano circa 1300 e 2500 i casi di tumori portati dalle radiazioni anche alle generazioni future.

La scala INES La scala INES (scala internazionale degli eventi nucleari e radiologici) è stata sviluppata a partire dal 1989 dall'agenzia internazionale per l'energia atomica, con lo scopo di classificare incidenti nucleari e rendere immediatamente percepibile al pubblico la gravità di incidenti di tipo nucleare o radiologico. Si applica ad eventi associati al trasporto, deposito ed impiego di materiale o sorgenti radioattive. I disastri di Chernobyl e Fukushima sono stati classificati come 7° sulla scala INES, il grado più alto di tutti.

LE CENTRALI NUCLEARI NEL MONDO a cura di: Venturelli Davide, Massaro Federico, Tomei Martina, Orsini Giada

QUANTE SONO LE CENTRALI NUCLEARI TOTALI 433 USA 104 FRANCIA 58 GIAPPONE 50 RUSSIA 33 COREA DEL SUD 23 INDIA 20 Ma è la Cina a puntare sul nucleare. Oggi ha 16 centrali attive, 26 in costruzione, 51 già pianificate e 120 proposte per la costruzione. E questi impianti cinesi sono realizzati seguendo rigidi criteri di sicurezza. In Italia sono presenti solo 4 centrali nucleari, ma tutte e quattro non sono più attive dopo il disastro di Chernoyl, che fece riflettere gli italiani sul pericolo del nucleare,

LE CENTRALI NUCLEARI IN AMERICA 23

LE CENTRALI NUCLEARI IN FRANCIA E IN ITALIA

TIPOLOGIA DELLE CENTRALI NUCLEARI 1^ Generazione 2^ Generazione 3^ Generazione 4^ Generazione

CENTRALI DI 1^ GENERAZIONE I primi prototipi di reattori, sviluppati da molte nazioni e denominati di Prima Generazione, solo raramente sono entrati in funzione. Essi si basavano infatti su progetti poco affidabili e, soprattutto, erano quasi completamente prive di sistemi di sicurezza. Purtroppo una delle centrali basata su reattori di prima generazione è stata proprio quella di Chernobyl. CENTRALI DI 2^ GENERAZIONE I primi reattori commerciali entrati a regime sono stati quelli di Seconda Generazione, significativamente migliorati rispetto ai precedenti, anche se il disastro che si è verificato alla centrale di Fukushima pone serissimi dubbi sulla reale sicurezza di questa tipologia di centrale. La maggior parte degli impianti di seconda generazione in esercizio si trovano negli Stati Uniti.

CENTRALI DI 4^ GENERAZIONE I reattori di Terza Generazione sono invece comparsi poco più di dieci anni fa solo in alcune delle nazioni più avanzate dal punto di vista nucleare. Tali reattori non possiedono solo miglioramenti evolutivi, ma soprattutto cambiamenti rivoluzionari rispetto al passato, quali cicli in grado di produrre rifiuti meno radioattivi e sistemi di sicurezza passiva che bloccano le reazione in caso di problemi o guasti. Ovviamente, in caso di disastri naturali come quelli accaduti in Giappone, la sicurezza delle centrali, anche quelle di terza generazione, non è qualcosa di certo. CENTRALI DI 4^ GENERAZIONE L’ultima tipologia di centrale nucleare è quella a fusione nucleare, detta anche di quarta generazione. Secondo gli addetti ai lavori rappresenterebbe il massimo in termini economici, di sicurezza e di rinnovabilità anche se allo stato attuale non esistono impianti di questo tipo. I principali vantaggi dovrebbero essere rappresentati dall’utilizzo di materiali poco radioattivi, quali trizio e deuterio, dalla assoluta assenza di rifiuti tossici e da sistemi di sicurezza intrinseci, cioè legati principalmente alla tipologia di sostanze utilizzate come carburante e alle reazioni necessarie alla produzione di energia.

PRO E CONTRO DELL’ENERGIA NUCLEARE PARTE NON PERVENUTA