La produzione di energia elettrica da fonte nucleare utilizza il calore generato dalla fissione di combustibile radioattivo, tipicamente Uranio 235.

Il combustibile nucleare

La materia è costituita di atomi, che a loro volta sono fatti di tre componenti principali: protoni, elettroni e neutroni. Ogni elemento è identificato da un numero atomico che è pari al numero di protoni che contiene: tuttavia, uno stesso elemento può esistere in diverse “versioni”, dette isotopi, caratterizzate da un diverso numero di neutroni.

Alcuni di questi isotopi sono stabili o quasi, mentre molti altri sono radioattivi, ossia costituiti da componenti instabili che cercano di liberarsi dei neutroni in eccesso sprigionando energia: questo processo è detto decadimento.

La radioattività può essere naturale oppure creata artificialmente: nel caso del combustibile nucleare, dal momento che la maggior parte dell’Uranio esistente in natura è nell’isotopo U-238 stabile, si procede tramite il processo di arricchimento ad aumentare la concentrazione dell’isotopo U-235 instabile. Infatti, la percentuale di quest’ultimo isotopo è naturalmente intorno allo 0,7%, mentre per poter essere utilizzato efficacemente in un impianto nucleare è necessaria una concentrazione di U-235 tra il 3% e il 5%. Con concentrazioni superiori al 20% si parla di Uranio altamente arricchito, mentre per gli ordigni nucleari occorre una concentrazione di almeno l’85% (weapon grade): per questo motivo, una centrale nucleare non è fisicamente in grado di generare un’esplosione atomica in quanto il combustibile utilizzato non è sufficientemente arricchito. Nonostante questo, eventi catastrofici come quelli accaduti a Chernobyl o Fukushima non sono meno pericolosi.

La reazione di fissione

L’Uranio arricchito viene utilizzato come combustibile all’interno della centrale nucleare per generare calore. Questo calore è dato dal processo di decadimento forzato, che avviene bombardando con neutroni l’U-235 instabile. Quando questo elemento viene colpito da un neutrone, si separa in Bario 141 e Kripto 92 liberando due neutroni, che a loro volta andranno a colpire altri atomi di Uranio generando una reazione a catena.

Se il numero di neutroni generati dalla fissione è circa pari a quelli che l’hanno innescata, la reazione è sotto controllo e si usa dire che la materia ha raggiunto la massa critica. Viceversa, se la reazione genera molti più neutroni di quelli che l’hanno avviata si parla di reazione incontrollata che può portare, con combustibile sufficientemente arricchito, ad un’esplosione nucleare.

Negli impianti nucleari la reazione è tenuta sotto controllo dall’uso di moderatori, materiali leggeri come acqua o grafite che rallentano gli elettroni e impediscono la scissione degli atomi di Uranio. L’insieme di combustibile (Uranio) e moderatore viene detto nocciolo della centrale.

Le tecnologie di produzione

Una centrale nucleare funziona in maniera del tutta analoga a una centrale termoelettrica a carbone o a gas. La reazione di fissione genera enormi quantità di calore, che vengono utilizzati per scaldare l’acqua e produrre vapore ad alta pressione. Questo viene opportunamente convogliato in una turbina che, girando spinta dal vapore, fa muovere un alternatore che genera energia elettrica.

Nel mondo, oggi la maggior parte dei reattori nucleari sono di due tipologie:

  1. BWR (Boiling Water Reactor) o reattori ad acqua bollente;
  2. PWR (Pressurized Water Reactor) o reattori ad acqua pressurizzata.

Nei reattori di tipo BWR esiste un unico circuito di acqua, che è direttamente a contatto con il combustibile nucleare e, sotto forma di vapore, viene inviata alla turbina. Gli impianti italiani di Garigliano (CE) e Caorso (PC) funzionavano con questa tecnologia, che aveva il non trascurabile problema di utilizzare acqua potenzialmente contaminata in turbina.

Per ovviare a ciò, si arrivò a concepire i reattori PWR, nei quali esistono due circuiti di liquido indipendenti. Un primo circuito, a diretto contatto con il nocciolo, assorbe il calore della reazione di fissione rimanendo allo stato liquido in quanto l’acqua viene mantenuta ad una pressione elevata di 150 bar. Un secondo circuito, totalmente indipendente, assorbe tramite degli scambiatori

il calore dal primo circuito e genera il vapore destinato ad alimentare la turbina. In questa maniera si aumenta la sicurezza intrinseca del sistema riducendo il rischio di contaminazioni, a scapito di un minor rendimento termico. Con questa tecnologia era costruita la centrale italiana di Trino Vercellese (VC).