In questo articolo andremo a scoprire che cos’è l’energia nucleare, quali sono i principali vantaggi e i pericoli del suo utilizzo.
Che cos’è l’ energia nucleare?
L’energia nucleare è l’energia liberata da un atomo nelle reazioni nucleari o per decadimento radioattivo: in particolare l’energia liberata nella fissione o fusione nucleare.
Tutto intorno a noi è fatto di piccoli “oggetti” chiamati atomi. La maggior parte della massa di ogni atomo è concentrata nel centro (detto nucleo), mentre il resto della massa è in una nuvola di elettroni che circonda il nucleo. I protoni e i neutroni sono particelle subatomiche che compongono il nucleo.
In determinate circostanze, il nucleo di un atomo molto grande può dividersi in due. In questo processo, una certa quantità della massa dell’atomo grande viene convertita in energia pura, seguendo la famosa formula E = MC² di Einstein, dove M è la piccola quantità di massa e C è la velocità della luce (un numero molto elevato).
Negli anni ’30 e’ 40, gli esseri umani scoprirono questa energia e ne riconobbero il potenziale come arma. La tecnologia sviluppata nel Progetto Manhattan ha utilizzato con successo questa energia in una reazione a catena per creare bombe nucleari.
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Subito dopo la fine della seconda guerra mondiale, la ritrovata fonte di energia trovò una applicazione nella propulsione della marina nucleare, fornendo sottomarini con motori che potevano funzionare per oltre un anno senza rifornimento.
Questa tecnologia è stata poi rapidamente trasferita al settore pubblico, dove sono state sviluppate e installate centrali elettriche commerciali per la produzione di elettricità.
Schema di funzionamento di una centrale nucleare
La conversione in energia elettrica avviene indirettamente, come nelle centrali termiche convenzionali. La fissione in un reattore nucleare riscalda il refrigerante del reattore. Il refrigerante può essere acqua o gas o anche metallo liquido a seconda del tipo di reattore.
Il liquido di raffreddamento del reattore va poi ad un generatore di vapore e riscalda l’acqua per produrre vapore. Il vapore pressurizzato viene poi di solito alimentato ad una turbina a vapore a più stadi. Dopo che la turbina a vapore si è espansa e ha parzialmente condensato il vapore, il vapore rimanente viene condensato in un condensatore.
Il condensatore è uno scambiatore di calore che è collegato ad un lato secondario come un fiume o una torre di raffreddamento. L’acqua viene quindi pompata nuovamente nel generatore di vapore e il ciclo ricomincia di nuovo. Il ciclo acqua-vapore corrisponde al ciclo di Rankine.
Energia nucleare oggi
Nel mondo ci sono oltre 400 reattori nucleari (circa 100 di questi sono negli Stati Uniti). Producono elettricità di base 24/7 senza emissioni di inquinanti (inclusi CO2) nell’atmosfera. Tuttavia, essi generano rifiuti radioattivi che devono essere stoccati con cura.
Energia nucleare in Italia
L’energia nucleare è stata utilizzata in Italia dal 1963 al 1990. L’Italia ha avuto in questo periodo 4 centrali nucleari, che sono state in seguito chiuse per raggiunti limiti d’età, o con il referendum del 1987.
Il dibattito sull’eventuale reintroduzione dell’energia nucleare in Italia, che si era aperto fra il 2005 ed il 2008, si è chiuso con il referendum abrogativo del 2011, con il quale sono state abrogate alcune disposizioni concepite per agevolare un nuovo insediamento delle centrali nucleari nel Paese.
Energia nucleare in Francia
La Francia ricava circa il 75% dell’energia elettrica dal nucleare, grazie a una politica di lunga data basata sulla sicurezza energetica. La politica del governo è di ridurre tale percentuale al 50% entro il 2035.
La Francia è il maggiore esportatore di elettricità al mondo grazie ai costi di produzione molto bassi, e ne ricava oltre 3 miliardi di euro all’anno.
Il paese è stato molto attivo nello sviluppo della tecnologia nucleare. I reattori e soprattutto i prodotti e i servizi relativi ai combustibili hanno rappresentato un’importante esportazione. Circa il 17% dell’elettricità francese proviene da combustibile nucleare riciclato.
La Francia ha 58 reattori nucleari gestiti dalla EDF, la maggiore azienda produttrice e distributrice di energia in Francia, con una capacità totale di 63,1 GWe. L’attuale mix di produzione di energia elettrica francese è il risultato della decisione del governo francese del 1974, subito dopo la crisi energetica del 1973 (che portò all’innalzamento vertiginoso del prezzo del petrolio), di espandere rapidamente la capacità nucleare del paese.
Questa decisione fu presa in un contesto in cui la Francia disponeva di una notevole competenza ingegneristica, ma con poche risorse energetiche interne note. L’energia nucleare, con il costo del combustibile che rappresentava una parte relativamente piccola del costo complessivo, aveva senso per ridurre al minimo le importazioni e raggiungere una maggiore sicurezza energetica.
A seguito della decisione del 1974, la Francia rivendica ora un livello sostanziale di indipendenza energetica e quasi il più basso costo dell’elettricità in Europa. Ha anche un livello estremamente basso di emissioni di biossido di carbonio pro capite derivanti dalla produzione di energia elettrica, poiché oltre il 90% della sua elettricità è nucleare o idroelettrica.
Fissione e fusione nucleare
Per la produzione di energia sono considerati due processi nucleari fondamentali: la fissione e la fusione.
- La fissione è la scissione energetica di grandi atomi come l’ uranio o il plutonio in due atomi più piccoli, chiamati prodotti di fissione. Per dividere un atomo, si deve colpire con un neutrone. Vengono rilasciati anche diversi neutroni che possono andare a dividere altri atomi vicini, producendo una reazione nucleare a catena di rilascio di energia sostenuta. Questa reazione nucleare è stata la prima delle due scoperte. Tutte le centrali nucleari commerciali in funzione utilizzano questa reazione per generare calore che trasformano in elettricità.
- La fusione è la combinazione di due piccoli atomi come l’idrogeno o l’ elio per produrre atomi più pesanti ed energia. Queste reazioni possono rilasciare più energia della fissione senza produrre altrettanti sottoprodotti radioattivi. Le reazioni di fusione si verificano al sole, generalmente utilizzando l’idrogeno come combustibile e producendo elio come rifiuti (fatto divertente: l’elio è stato scoperto al sole e prende il nome dal dio del Sole greco, Helios). Questa reazione non è stata ancora sviluppata commercialmente e rappresenta un serio interesse per la ricerca a livello mondiale, grazie alla sua promessa di energia quasi illimitata, a basso inquinamento e non proliferazione.
I pro dell’energia nucleare
Sostenibilità
Si parla piuttosto di combustibile nucleare (Uranium) a basso consumo proprio come il petrolio. Dal punto di vista tecnico, si tratta di una questione non problematica, in quanto i residui nucleari sono riciclabili. Dal punto di vista economico, potrebbe diventare una questione importante. I reattori nucleari commerciali di oggi bruciano meno dell’ 1% del combustibile estratto per loro e il resto di esso viene gettato via (come uranio impoverito e scorie nucleari).
Il programma di riciclaggio statunitense ha cessato negli anni’ 70 a causa della proliferazione e delle preoccupazioni economiche. Oggi Francia e Giappone stanno riciclando carburante con grande successo. Esistono nuove tecnologie che possono ridurre notevolmente i problemi di proliferazione. Senza riciclaggio, il “Libro Rosso” delle riserve di uranio del 2005 pubblicato dall’ AIEA dell’ ONU suggerisce che ci sono oltre 200 anni di riserve di uranio a domanda corrente.
Esiste inoltre un’enorme quantità di uranio disciolto in acqua di mare a concentrazioni molto basse. Nessuno ha ancora trovato un modo abbastanza economico per estrarlo, anche se le persone si sono avvicinate. I reattori nucleari possono funzionare anche con combustibile a torio.
Ecologia
Durante la loro funzione, le centrali nucleari non emettono nulla nell’ambiente se non acqua calda. La classica icona della torre di raffreddamento dei reattori nucleari è proprio questa, una torre di raffreddamento. Il vapore acqueo pulito è tutto ciò che esce fuori.
Pochissima CO2 o altri gas climalteranti derivano dalla produzione di energia nucleare (in effetti, alcune emissioni di CO2 sono prodotte durante l’ estrazione mineraria, la costruzione, ecc. Dettagli in arrivo presto). Il combustibile nucleare esaurito (rifiuti nucleari) può essere trattato correttamente e smaltito geologicamente senza incidere in alcun modo sull’ambiente.
Sono anche sicuri. Nel marzo 2013, l’ ex scienziato della NASA James Hansen (della fama limite di 350 ppm) ha pubblicato un documento che mostra che l’ energia nucleare ha risparmiato un totale di 1,8 milioni di vite nella sua storia nel mondo proprio spostando l’ inquinamento atmosferico che è un noto killer2. Ciò include qualsiasi morte di cui l’ energia nucleare sia stata responsabile a causa dei suoi incidenti.
Indipendenza
Con l’energia nucleare, molti paesi possono avvicinarsi all’indipendenza energetica. Essere “dipendenti dal petrolio” è una delle principali preoccupazioni di sicurezza nazionale e globale per vari motivi. Utilizzando veicoli elettrici o plug-in ibridi elettrici (PHEV) alimentati da reattori nucleari, potremmo ridurre la nostra domanda di petrolio di ordini di grandezza. Inoltre, molti reattori nucleari sono in grado di fornire calore di processo di alta qualità oltre all’elettricità, che a sua volta può essere utilizzato per dissalare l’ acqua, preparare l’ idrogeno per le celle a combustibile o per riscaldare i quartieri, tra molti altri processi industriali.
I contro: problemi legati all’energia nucleare
Rifiuti nucleari
Quando gli atomi si dividono per liberare energia, gli atomi più piccoli che vengono lasciati alle spalle sono spesso lasciati in stati eccitati, emettendo particelle energetiche che possono causare danni biologici.
Alcuni degli atomi più longevi non si degradano alla stabilità per centinaia di migliaia di anni. Questi residui nucleari devono essere controllati e tenuti fuori dall’ambiente almeno per un periodo di tempo così lungo.
Progettare sistemi che durino a lungo è un compito scoraggiante, che è stato uno dei principali punti di forza dei gruppi antinucleari.
Incidenti drammatici
Tre incidenti gravi si sono verificati nelle centrali elettriche commerciali: Chernobyl, Three Mile Island e Fukushima. Chernobyl è stata un’esplosione incontrollata di vapore che ha liberato una grande quantità di radiazioni nell’ ambiente, uccidendo oltre 50 persone, richiedendo un’ evacuazione di massa di centinaia di migliaia di persone e causando fino a 4000 casi di cancro.
Three Mile Island è stata una fusione parziale, dove i livelli di refrigerante sono scesi al di sotto del carburante e ne hanno permesso la fusione. Nessuno è stato ferito e pochi sono stati colpiti da radiazioni, ma l’impianto ha dovuto chiudere, causando la perdita di denaro da parte della società operativa e dei suoi investitori.
Fukushima ha subito un black-out causato da un enorme tsunami. Quattro impianti vicini hanno perso il raffreddamento e il calore di decadimento ha sciolto le anime. Le radiazioni sono state emesse e il pubblico evacuato.
Questi tre incidenti sono stati molto spaventosi, e impediscono a molte persone di sentirsi a proprio agio con l’energia nucleare.
Costo
Le centrali nucleari sono più grandi e complesse di altre. Molti sistemi di sicurezza ridondanti sono costruiti per mantenere l’impianto in condizioni di sicurezza. Questa complessità fa sì che il costo iniziale di una centrale nucleare sia molto più elevato rispetto a quello di una centrale a carbone comparabile.
Una volta costruito l’ impianto, i costi del combustibile sono molto inferiori a quelli dei combustibili fossili. In generale, più vecchio diventa una centrale nucleare, più soldi fanno i suoi operatori. Il costo elevato del capitale impedisce a molti investitori di acconsentire al finanziamento delle centrali nucleari.
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