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Guido Barone » 7.Energia nucleare


Presentazione

Nelle prime slide vengono discusse le proprietà, la produzione e l’arricchimento isotopico dell’uranio per le centrali elettronucleari. La fisica e la struttura delle varie generazioni di reattori nucleari vengono discusse in qualche dettaglio. Nelle successive vengono discussi i problemi aperti per il futuro: le riserve di uranio, le scorie, le centrali di quarta generazione, la fusione nucleare.

Obiettivi
Questa lezione è stata presentata in maniera sintetica ma completa per ricostruire i concetti oramai poco familiari e indispensabili per una conoscenza scientifica ben fondata relativa alle tecnologie nucleari, che in Italia vengono discusse o in maniere ideologicamente contrapposte, massimizzando o minimizzando tutti gli aspetti di rischio e di sicurezza inerenti. Perciò metà della lezione è dedicata allo stato attuale della tecnologia e l’altra metà ai problemi aperti da risolvere e alle future possibilità.

L’Uranio

L`uranio (U) é presente in natura con tre isotopi: 238U (99.2 74%), 235U (0.720%) e234 HU (0.006%).
Il primo emette particelle α con un tempo di dimezzamento T½ = 4.51 miliardi di anni, il secondo emette anche esso particelle α con un tempo di dimezzamento T½ = 0.71 miliardi di anni, così come il terzo che ha però im tempo di dimezzamento T½ = 0.25 milioni di anni. L’uranio fu scoperto isolato e caratterizzato (Becquerell) alla fme del 1800, ma furono gli studi di Fermi e collaboratori, di Hahn e Strassmann, di Joliot e di Szilard negli anni 1934 – 39 a mettere in evidenza la possibilità di sfruttarne l’enorme potenziale energetico attraverso il processo di fissione nucleare indotta che subisce l’isotopo poco abbondante 235U, se bombardato con neutroni lenti. Esempio di una delle reazioni di fissione nucleare:

1n+ 235U= 137Ba + 97Kr+ 2(1n)

I numeri atomici essendo rispettivamente 92, 56 e 36, essendo ovviamente 0 quello dei neutroni.

Approfondimento: Radioattività

L’Uranio

Questi si possono ottenere artificialmente rallentando neutroni veloci, emessi da altri radionuclidi naturali o artificiali, mediante acqua deuterata, grafite o altri “moderatori” scoperti man mano. La fissione cosi indotta porta alla rottura degli atomi di 235U in due radionuclidi più leggeri (circa 1/3 e 2/3 in massa rispetto al capostipite) che poi continueranno a decadere in tempi più o meno lunghi. L’importante è che nel processo di fissione si liberano altri due neutroni per ogni evento iniziale, il che può dar vita ad una reazione a catena che può essere regolata senza diventare esplosiva: il merito di questo procedimento fu di Enrico Fermi e Leo Szilard che nel 1942 misero a punto a Chicago la costruzione della prima pila atomica in grado di erogare energia tennica e quindi elettrica.
L’uranio si trova in natura sotto fonna di ossidi nei minerali uraninite, prevalentemente come UO2, e pechblenda (dove fu scoperto) come U3O8, ma anche in alcuni altri suoi minerali, nonché in apatiti e fosfati come componente secondario. L’uranio naturale non è pericoloso per la sua bassa radioattività, ma a causa dei radionuclidi che si formano lentamente di cui alcuni gassosi: perciò
va manipolato con molte precauzioni per non inalare sia le polveri che i gas.

Produzione dell’uranio

L’uranio è poco concentrato nei minerali che lo contengono: 5-3 per mille, spesso anche molto meno. Occorrono quindi grandi quantità di rocce da estrarre e frantumare per poi procedere agli attacchi chimici. Nella prima fase si libera il Radon 222, che è un gas radioattivo che penetra nei polmoni dando vita in pochi giomi ad altri radionuclidi, come Polonio 218 e Piombo 214 che continuano a decadere emettendo radiazioni all’interno dei polmoni. Quindi le miniere e gli impianti debbono essere continuamente ventilati. L’attacco chimico è spesso condotto con acido solforico sulle polveri fini. Se il minerale di partenza è di natura calcarea, l’attacco è condotto con soluzioni alcaline di bicarbonati. In entrambi i casi come ossidante basta l’ossigeno atmosferico, eccezionalmente si utilizza del clorato, in modo da avere in soluzione uranio a numero di ossidazione +6. Il processo e condotto sotto pressione e a 100°C.

Approfondimento: Produzione dell’uranio

Produzione dell’uranio

Si formano gli ioni complessi solfato o carbonato di uranile: [(UO2)(SO4)2]2 e [(UO2)(CO3)3]4. Successivo stadio è il passaggio delle soluzioni su resine a scambio anionico che fissano l’uranio. Poi eluito con soluzioni concentrate di NaCl o nitrato di ammonio e infine precipitato come diuranato di ammonio (NH4)2U2O7. Quest’ultimo viene seccato e fomcia la “yellow cake”, la “torta gialla” che è il materiale base deIl’industria nucleare. Da questo con altri procedimenti di dissoluzione chimica e precipitazione vengono ottenuti due ossidi UO3 o UO2 che vengono a loro volta ridotti con H2 a 600°C a metallo puro al 99.7%. Sempre a 600°C il metallo viene fatto reagire con fluoro per ottenere l’esafluoruro UF6, occorrente per arricchire l’uranio nell’isotopo più
attivo 235U (3 – 4 %). L’UF6 gassoso viene infatti inviato ad una batteria in cascata di ultracentrifughe ad altissimo numero di giri dove la piccola differenza di massa tra le due molecole contenenti i due isotopi dell’uranio viene esaltata fino a separare il più pesante e ottenere una frazione arricchita nel più leggero. Infine l’uranio amcchito sotto fonrna di metallo in barre o di ossido in sfere con un rivestimento di ceramica, viene introdotto nella fase finale di costruzione dei vari tipi di reattori.

Produzione dell’uranio

Se il processo di arricchimento con ultracentrifughe viene portato avanti con un numero di apparecchiature molto più grande e per periodi di mesi 0 anni, si può giungere ad ottenere sufficienti quantità di uranio arricchito a percentuali dell’ordine del 60 – 70 % o più, utilizzabile per la fabbricazione di ordigni bellici.
Invece il combustibile esaurito dopo alcuni anni di decadimento dell’235U contiene circa il 95 % di 238U nonché Pu e altri radionuclidi e può essere ritrattato in impianti specializzati per separare le scorie non più processabili dall’uranio e dal plutonio. Il primo, a bassa radioattività viene inviato ai siti di deposito deIl’uranio impoverito; il Pu invece viene trasfomfiato in ossido misto (Pu,U)O2 che, ridotto a metallo o come tale, serve come combustibile per i reattori veloci.

Fisica dei reattori nucleari

Gli isotopi fissili impiegabili nei reaüori nucleari e che danno reazioni di fissione se bombardati con neutroni lenti (termici) sono 235U e 239Pu; 238U e 232Th lo sono se bombardati con neutroni veloci. Un reattore verrà quindi definito veloce se la catena di fissioni viene indotta da neutroni veloci provenienti da un precedente processo di fissione e non rallentati da moderatori, verrà invece definito termico se in esso la maggior parte delle fissioni viene provocata da neutroni rallentati da moderatori fino ad una energia dell’ordine di 0.025 eV cioè paragonabile all’energia termica di agitazione molecolare KBT dove KB è la costante do Bolzmann. Nei reattori termici il moderatore, costituito da barre di grafite o di cadmio o da acqua pesante rallenta i neuroni veloci assorbendone gran parte dell’energia, mentre il combustibile deve avere grande sezione d’urto per poter reagire con i neutroni lenti e dar vita ad una cascata di fissioni e produzione di nuovi neutroni, ma non li deve catturare parassiticamente (per risonanza). Va bene quindi l’uranio naturale (come nella pila di Fermi) o meglio l’uranio arricchito. Una parte dei neutroni termici può andar perduta per cattura da parte del moderatore o per fuoriuscita dalla superficie del reattore o infine, con scarsa probabilità per cattura da parte di 238U. In definitiva per ogni stadio del processo di fissione a catena controllata si avrà una efficienza specifica, espressa da un fattore Keff. Se è Keff=1 si dirà che il reattore e “critico”, se Keff>1 sarà supercritico e quindi in grado di produrre energia. La struttura dei reattori deve essere progettata in modo da farli operare in condizioni di poco superiori alla criticità, specie nella fase di avvio; ma la criticità va controllata mediante i moderatori in modo da non imballare la reazione a catena e arrivare ad un incidente esplosivo.

Fisica dei reattori nucleari

Ovviamente l’energia temfiica prodotta deve essere esportata all’esterno per evitare il surriscaldamento del reattore e al tempo stesso essere utilizzata per convertirla in energia elettrica.
Nei reattori veloci i neutroni veloci ad alta energia non vengono moderati e possono andare ad impattare solo nuclei con sufficiente sezione d’urto come il 239Pu e l’238U. Per non diminuire l’efficienza del reattore e per motivi di sicurezza i neutroni veloci non devono uscire dall’involucro interno dell’impianto. Occorre quindi un rivestimento riflettente che potrebbe essere costituito proprio da uranio naturale o impoverito. In tal caso il materiale riflettente funzione da “breeder” cioè da autofertilizzante in quanto in esso avviene la reazione in più stadi che coinvolgono il 239Np:

238U + 1n → 239Pu

Dopo alcuni anni quindi e previo spegnimento del reattore mediante l’inserimento dei dispositivi di controllo e moderazione il riflettore può essere smontato e si può recuperare il plutonio per alimentare un nuovo reattore.

Struttura dei reattori nucleari

Schematicamente un reattore nucleare è costituito da un nocciolo di materiale fissile, dal sistema di raffreddamento, dal sistema di controllo e moderazione, dal sistema di schermatura, da un grandissimo numero di strumenti di controllo e misura che fanno capo ad un duplice sistema centralizzato e infine al sistema di contenitori a tenuta. In serie al reattore vi sono i sistemi integrati per la produzione di energia elettrica.
La prima generazione di reattori nucleari è entrata in funzione negli anni ‘50 – ‘60 ed è ormai fuori uso ed è stata in buona parte smantellata, dati gli alti costi di gestione per la sicurezza della struttura dismessa. La seconda generazione è entrata in funzione dopo la crisi petrolifera del 1973, seguita dalla terza generazione con livelli di sicurezza molto più elevati come richiesto dalle associazioni dei consumatori americani dopo l’incidente di Three Mile Island presso New York. Va detto che le centrali americane di seconda generazione (circa 40) e le cui strutture erano già pronte per essere montate, sono andate fuori del mercato per l’eccessivo costo degli adeguamenti di sicurezza richiesti e sono state in parte cedute all’estero a Paesi meno esigenti. Complessivamente tra seconda e terza generazione sono in funzione nel mondo 439 centrali molte delle quali stanno superando i limiti di funzionamento standard richiesti. Dopo il gravissimo incidente di Chernobyl nell’ex Unione Sovietica si stava passando dalla tecnologia Rmbk a quella Vvr classificabile come seconda generazione.

Struttura dei reattori nucleari

Nella cifra citata prima sono comprese anche diverse centrali appartenenti ad una generazione definita III+ (terza plus) per la quale sono stati ulteriormente migliorati gli standard di sicurezza. Ne stanno entrando in funzione 3 in Russia, 1 ciascuna in Francia, Finlandia, Ucraina , Romania e Slovacchia. La prima centrale slovena che ha subito di recente un lieve incidente è del 1983 e quindi è di seconda generazione e si sta avvicinando al limite di funzionamento (25 – 30 anni).
Prima di questa ultima ondata vi è stata una stasi durata molti anni nella messa in funzione di nuove centrali, soprattutto negli Stati Uniti per la scarsa competitività con i prezzi di petrolio e carbone, che solo negli ultimissimi anni si sono impennati. Va anche ricordata l’esperienza negativa del grande reattore francese detto Superphoenix che ha dovuto essere chiuso nel 2001 ancora in fase di collaudo, per i numerosi incidenti verificatisi e che ne hanno sconsigliato l’entrata in funzione.
Prima di parlare della futura quarta generazione, esaminiamo la struttura e le principali tecnologie in atto attualmente.

Quanto Uranio c’è ancora?

Anche per l’uranio, come per il petrolio, si è assistito ultimamente a un impressionante aumento dei prezzi. Costava 14 dollari al chilo nel 2001, è arrivato a 220 nel 2007. Nell’energia nucleare però, il costo del combustibile incide poco, (3 – 5 %) sul prezzo finale dell’elettricità, per cui gli sbalzi di prezzo dell’uranio non fanno notizia; va ricordato però che, come il petrolio, non è infinito. Quanto durerà questa risorsa? Si tratta di un metallo relativamente abbondante sulla Terra, più o meno come lo stagno. Smantellamento di armi nucleari a parte, oggi le barre di combustibile vengono realizzate però solo con l’uranio proveniente da giacimenti ad alta concentrazione, che hanno riserve per 4.7 milioni di tonnellate (vedi Tabella).

Tonnellate di uranio ancora disponibile nei giacimenti ricchi

Tonnellate di uranio ancora disponibile nei giacimenti ricchi


Quanto Uranio c’è ancora?

Al ritmo attuale di consumo di 70 mila tonnellate l’anno, queste riserve dureranno appena 70 anni, ma se, come sembra, molti punteranno sul nucleare per superare l’attuale empasse energetico, il loro esaurimento arriverà ben prima. Secondo la IAEI (International Atomic Energy Agency), nei calcoli bisogna però considerare anche i dieci milioni di tonnellate contenute nei giacimenti meno ricchi, il cui sfruttamento può diventare conveniente ai prezzi attuali. Altre venti milioni di tonnellate di uranio a bassa concentrazione sono poi contenute nei giacimenti di fosfati, e altri miliardi sono disciolti nell’acqua di mare. Insomma l’esaurimento dell’uranio non è all’ordine dei giorno. Le tecnologie poi sono state molto “sprecone”: oggi si traggono 40 gigawatt al giorno per tonnellata di uranio, ma presto si arriverà a 60. D’altra parte i suoli italiani offrono ben scarse possibilità di sfruttamento.

Che fare delle scorie?

Come smaltire le scorie nucleari? Oggi le centrali sono più sicure che in passato e il rischio di una nuova Chernobyl è ridotto al minimo, ma una risposta definitiva al problema dei rifiuti non è mai stata trovata e le scorie dei 439 reattori attivi nel mondo sono stoccate in via provvisoria in depositi accanto alle centrali stesse. Quante sono queste scorie? Il nucleare produce 372 gigawatt di potenza l’anno e per ogni gigawatt restano dai 50 ai 100 m3 di rifiuti pericolosi. Le scorie in realtà hanno differenti attività: quelle a bassa attività sono pericolose al massimo per qualche giorno; quelle di media attività, che durano un secolo e quelle ad alta attività che emettono radiazioni per migliaia di anni. Si formano quando le barre di combustibile, solitamente 235U, dopo alcuni anni di lavoro si esauriscono, cioè quando gli isotopi prodotti nella fissione dell’uranio assorbono troppi neutroni e non permettono più l’innescarsi della reazione a catena. La barra esaurita è fatta al 95% circa di uranio 238, che non è molto radioattivo (ma comunque tossico) e la cui carica si dimezza in miliardi di anni. Il resto della barra è plutonio (la radioattività del 239Pu per dimezzarsi richiede 25 mila anni) e decine di altri isotopi, come cesio, stronzio, iodio e alcuni attinidi in minor quantità.

Che fare delle scorie?

Le barre esaurite a questo punto vengono poste per alcuni anni in piscine d’acqua per essere “raffreddate” ed evitare che la loro radioattività si propaghi nell’ambiente. Passato questo periodo, vengono inviate in appositi stabilimenti per il riprocessamento. In pratica vengono separati chimicamente i diversi componenti: da una parte U e Pu che possono essere recuperati ed eventualmente riutilizzati e dall’altra le scorie, molte delle quali altamente radioattive. Le scorie vengono inglobate in strutture di vetro o plastica. Occorre conservarle ben lontane dalla popolazione, ma anche lontano da luoghi a rischio sismico o esposti a qualsiasi altro rischio naturale: nel 2000 a Saluggia (Vercelli) si è sfiorata una catastrofe a causa di una inondazione.
Ecco perchè l’obiettivo finale auspicabile è di confinare le scorie in bunker di cemento o piombo a centinaia di metri di profondità e lasciarle lì fino al loro completo decadimento. Purtroppo però trovare un sito adeguato non è affatto facile: non esiste certezza che un luogo non subisca modificazioni, senza pericolose conseguenze, per le prossime decine, anzi centinaia di migliaia di anni. Negli Stati Uniti, ad esempio, si è scelto il sito di Yucca Mountain (Nevada), ma la sua apertura viene rimandata da decenni a causa di continue infiltrazioni d’acqua.
Il principale problema dei depositi sotterranei infatti sta anche nell’incertezza sull’integrità dei contenitori. C’è infatti il timore che, corrodendosi, rilascino radioattività, che potrebbe contaminare le falde acquifere.

Le Centrali di quarta generazione

Gran parte del problema delle scorie potrebbe scomparire con l’arrivo delle cosiddette centrali di quarta generazione, che dovrebbero bruciare anche parte dei rifiuti ad alta radioattività. generati durante il loro funzionamento. Un nucleare più pulito, insomma. Ma che probabilmente non si vedrà sul mercato prima del 2040.
Per intanto opera un gruppo internazionale che coordina le ricerche di 11 Paesi fra cui l’Unione Europea con la sigla G.I.F. (Generation IV International Forum).il cui compito è quello di realizzare almeno dei prototipi entro il 2030, quando quasi tutte le attuali centrali dovranno essere dismesse. Il gruppo di esperti avrebbe individuato sei progetti su cui puntare gli sforzi; tutti prevedono di “bruciare” gli attinidi prodotti.
1) il GFR (Gas-cooled Fast Reactor system) un reattore veloce raffreddato a elio.
2) lo LFR (Lead-cooled Fast Reactor system) raffreddato a piombo fuso.
3) il MSR (Molten salt Fast Reactor system) in cui il combustibile uranio è mescolato in una miscela di fluoruri con sodio e zirconio allo stato fuso.
4) lo SFR (Sodium-cooled Fast Reactor system) raffreddato a sodio liquido.
5) lo SCWR (Supercritical Water-cooled Fast Reactor system) a vapour d’acqua supercritico.
6) il VHTR (Very High Temperature Reactor system) è un reattore termico moderato a grafite e raffreddato ad elio.
Per i dettagli si rimanda alla letteratura specializzata.

La fusione nucleare

Di concezione completamente diversa è il tentativo di arrivare a realizzare prima in un impianto pilota e poi sul piano operativo un sistema al cui interno si possa confinare elettromagneticamente un plasma a 100 milioni di °C. In queste condizioni estreme si potrebbe realizzare l’accensione di un vero “motore stellare” ottenendo quelle sintesi che avvengono nel cuore del Sole con la formazione di elio a partire da isotopi di idrogeno, deuterio e trizio. Sarebbe una fonte energetica di lunghissima durata e ad inquinamento praticamente nullo. I problemi aperti sono ancora i materiali resistenti, la temperatura di ignizione e la durata del periodo di funzionamento regolare, nonché i costi. Anche qui le speranze sono per il 2030 o più probabilmente il 2040. Per ora il reattore sperimentale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che è un progetto più avanzato delle varie macchine Tocamck precedenti, dovrebbe essere installato nel 2016 nel Sud della Francia.

Approfondimento: La fusione “fredda”

Struttura del reattore a fusione ITER (da Le Scienze 459 novembre 2006)

Struttura del reattore a fusione ITER (da Le Scienze 459 novembre 2006)


I materiali di supporto della lezione

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M. Cumo. Le Scienze, n. 416, pag. 36, Aprile 2003.

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L. Maugeri. "Con tutta l'energia possibile" Sperling & Kupfer 2008.

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C. Testa. "Tornare al nucleare?" Einaudi 2007.

W. Wayt Gibbs Le Scienze n. 459, pag. 104, novembre 2006.

M. L. Wold. Le Scienze, n. 416, pag. 48, Aprile 2003.

M. Valletrisco, G. Ciotola. La Chimica e l'Industria n. 85, pag. 51, Maggio 2003.

Approfondimento: La fusione "fredda"

Approfondimento: Produzione dell'uranio

Approfondimento: Radioattività

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