Reattori a fissione

Dividi et impera, ovvero spacca l'atomo e guadagna energia.

Siete pronti per la prossima puntata della nostra serie nucleare? Lo voglio proprio sperare. Vorrei anche aggiungere una nota di attualità che però visto il carattere opinabile, la troverete solo in fondo al post e che potrete tranquillamente saltare. Allora se siete pronti possiamo partire, come sempre dal principio...

Spaccare ci fa guadagnare

Abbiamo concluso la puntata precedente osservando il grafico con l'andamento dell'energia di legame verso il numero di nucleoni nel nucleo. Avevamo osservato che è proprio questa energia di legame che dobbiamo spremere fuori dall'atomo per ricavare energia utilizzabile e per farlo avevamo due possibilità: o spaccare in due nuclei molto grandi, oppure fondere insieme quelli molto piccoli. In questo capitolo ci occuperemo proprio del primo caso, noto con il nome di fissione nucleare e di come queste reazioni vengano controllate all'interno di un reattore nucleare.

Cominciamo con il capire perché mai un nucleo atomico dovrebbe rompersi in due. Sempre la volta scorsa abbiamo introdotto l'interazione nucleare come una forza molto intensa, ma dal raggio d'azione molto piccolo. D'altro canto la repulsione elettrostatica che particelle con la stessa carica esercitano le une sulle altre, tende a mantenere una certa distanza tra i protoni nel nucleo. Il risultato è che quando cominciano ad esserci tanti protoni, allora le dimensioni del nucleo si allargano e la forza nucleare con il suo breve raggio d'azione perde di efficacia nel tener tutto insieme. Capita così che gran parte degli elementi ciccioni tendano a spaccarsi naturalmente in due parti più piccoline e più stabili. Questo processo prende il nome di fissione spontanea, perché avviene in modo in tutto indipendente dalle condizioni esterne e si differenzia dalla fissione stimolata, in cui è l'urto di un neutrone contro il nucleo a farlo deformare e quindi a favorirne la rottura.

Demolizione automatica e controllata

Possiamo immaginare un reattore nucleare come una fabbrica per la demolizione automatica e controllata dei nuclei pesanti che compongono il combustibile nucleare. Infatti, ogni evento di fissione è caratterizzato dai seguenti prodotti:

• due nuclei figli più piccolini che però hanno ciascuno un surplus di neutroni
• un certo qual numero di neutroni prompt, ovvero emessi contestualmente alla scissione
• un bel po' di energia, sotto forma di energia cinetica dei figli che scappano via dalla mamma con una certa velocità

Questo è vero per qualunque fissione (spontanea o stimolata) e per qualunque nucleo fissionabile, ovvero grosso abbastanza da poter essere spaccato con guadagno di energia. È chiaro però che noi vogliamo che questa reazione sia seguita subito da un'altra e poi un'altra ancora; vogliamo, cioè che, una volta innescata la combustione questa continui fino a quando non saremo noi a volerla spegnere. Per esempio, se uno dei neutroni prompt fosse in grado di raggiungere un altro nucleo e di farlo spaccare allora avremmo la cosidetta reazione a catena che ci permette di mantenere accesa la combustione. Perché questo avvenga, non tutti i materiali fissionabili vanno bene, ci vogliono quelli fissili; questi infatti, per ogni fissione generano un numero sufficiente di neutroni prompt con l'energia giusta per generare un'altra fissione.

Non tutti i fissionabili sono anche fissili: come abbiamo già visto nel post sull'arricchimento, l'isotpo 235 dell'uranio è fissile, mentre quello con 238, molto più comune in natura, è solo fissionabile. Ad essere più precisi dovremmo dire che l'uranio 238 è fertile, ovvero può essere trasformato in un materiale fissile - il plutonio 239 - se opportunamente irraggiato.

Dalla teoria alla pratica

Veniamo finalmente alla nostra centrale nucleare. Come in tutte le centrali elettriche, quello che si vuole ottenere è la rotazione di alcune turbine, che collegate a degli alternatori, producono energia elettrica da immettere nella rete di distribuzione. Le centrali nucleari sono concettualmente simili a quelle termiche: la reazione nucleare scalda un fluido, molto spesso acqua pressurizzata o bollente che inizia ad espandersi per far girare le turbine e così via. Nei reattori nucleari di III generazione l'acqua ricopre due ruoli: quello di fluido la cui espansione generare il moto delle turbine e quello di moderatore di neutroni, ovvero serve per ottimizzare l'energia dei neutroni per aumentare le possibilità di attivare un nuovo evento di fissione.

Domande e risposte

Come si scalda l'acqua nel reattore?
Ottima domanda, in fondo nel reattore nucleare non c'è niente che brucia nel senso classico del termico. Per ogni reazione di fissione, i nuclei figli vengono emessi con una certa energia cinetica che perdono frenando all'interno delle barre di combustibile o nell'acqua stessa. Frenando dissipano energia sottoforma di calore e di conseguenza, sia le barre sia l'acqua tendono ad aumentare in temperatura.

Come si accende un reattore?
Una volta partita la reazione a catena questa tende ad autosostenersi, ma bisogna partire. Si potrebbe aspettare un evento di fissione spontanea, ma questi non sono troppo frequenti e a seconda delle configurazioni potrebbe essere necessario aspettare anche mezzora per avviare la reazione. Per questo motivo si aggiungono delle sorgenti di neutroni all'interno del reattore la cui intensità può essere controllata. I neutroni termici, ovvero quelli dell'energia giusta per far continuare la reazione a catena giocano un po' il ruolo della manopola della temperatura sul termostato di casa vostra. Aumentando il numero di neutroni termici, aumentano il numero di eventi di fissione per unità di tempo e quindi la temperatura del reattore e quindi la potenza elettrica prodotta. Per modificare il numero di neutroni termici ci sono differenti metodi: uno è quello di usare delle sorgenti come quelle usate per l'accensione, oppure quando sono troppi possiamo o assorbirli con delle apposite barre di assorbimento, oppure non portarli alla giusta temperatura rimuovendo elementi di moderazione.

E per spegnerlo?
Per spegnere un reattore non basta mettere a zero la manopola del termostato. La reazione a catena continuerà per lungo tempo prima di arrestarsi naturalmente. Per spegnere artificialmente una reazione si deve diminuire in modo sensibile il numero di neutroni all'interno del reattore e per farlo si possono inserire delle barre di assorbimento che catturano i neutroni rubandoli alla catena di fissioni. Un meccanismo noto con il nome di SCRAM prevede di lasciar cadere nel nocciolo del reattore tutte le barre di assorbimento in modo da arrestare in pochi secondi l'intera produzione di energia. Anche quando completamente spento però, un reattore continua a produrre un po' di calore (qualche per cento della sua potenza massima) a causa del decadimento dei nuclei figli, cosa però del tutto trascurabile e che non influisce in caso di emergenza

E le scorie?
Le scorie sono il prodotto della combustione nucleare. Sono i prodotti della reazioni di scissione, in altre parole sono nuclei atomici di dimensioni modeste, ma caratterizzate da un surplus di neutroni che li rende beta-emettitori. Per farla facile, questi nuclei sono generalmente radioattivi ed emettono elettroni di medio/alta energia che possono essere dannosi per la salute umana.

Quindi fanno male vero?
Certo che le scorie fanno male, proprio come l'anidride carbonica prodotta nelle centrali termiche a combustibili fossili sta avvelenando il nostro pianeta. Al termine del ciclo di combustione, nel combustibile esausto si misurano frazioni intorno al 2% di elementi transuranici e un 3.5% di prodotti di fissione, mentre tutto il resto è uranio 238 solo leggermente radioattivo. È proprio questo 3.5% di prodotti di fissione a destare maggiore preoccupazione. Dei cento e più possibili prodotti di fissione, solo 7 (Sr-90, Cs-137, Tc-99, Se-79, Zr-93, Cs-135 e I-129) hanno tempi di dimezzamento superiori a 25 anni, ovvero solo di questi dobbiamo seriamente preoccuparci perché gli altri sono destinati a morire molto prima che possano essere un problema. Però per questi 7 dobbiamo trovare un modo sicuro per eliminarle.

Come si può fare ad eliminare le scorie ?
Esistono diversi approcci e ancora non si sa quale sia il migliore. Per esempio l'approccio francese è diametralmente opposto a quello americano. I Francesi preferiscono riprocessare il combustibile esausto separando tutto quello che è ancora bruciabile da quello che invece è solo rifiuto e quest'ultimo viene vetrificato, cementificato e imballato in contenitori a tenuta stagna. Gli Americani credono che questa riprocessatura possa dare adito ai paesi canaglia di appropriarsi indebitamente di materiale fissile con il quale costruire ordigni nucleari. Per questo oltre-oceano si butta via tutta, anche quello che potrebbe essere riusato.
Anticipo già la prossima domanda circa i luoghi dove conservare le scorie. Anche qui abbiamo differenti possibilità ognuna con i suoi pro e i suoi contro. Vado ad elencarle...

• Profondità geologiche: ovvero restituire alla terra quello che ci aveva dato. È decisamente la soluzione più sicura. Infatti se avessimo accesso allo strato terrestre subito al di sotto della piattoforma continentale (il mantello), allora questo si porterebbe via i nostri fusti, li fonderebbe all'interno delle profondità della terra e nessuno ne sentirebbe più parlare per sempre. Peccato che non abbiamo accesso al mantello e fare una buca (!) è decisamente al di fuori della nostra portata!
  
• Profondità oceaniche. Anche questa situazione è abbastanza sicura, infatti i fusti e il trattamento delle scorie assicura una buona tenuta all'acqua, ma nessuno ha mai potuto verificare per quanto a lungo resistono. Inoltre a quelle profondità risulta molto difficile tenerle sotto controllo, infatti se ci fosse un sisma e i fusti si dovessero rompere sul fondo del mare, il loro recupero e messa in sicurezza sarebbe quasi impossibile.
  
• Lanciarle sul sole. Anche questa sarebbe perfetta. Il sole sarebbe felicissimo di riavere la materia che la terra gli aveva rubato qualche miliardo di anni fa e sicuramente non lo inquineremmo! Il sole è un'immensa centrale nucleare a fusione e quella spruzzatina di nuclei pesanti è come aggiungere una molecola d'acqua ai nostri oceani. Non serve nemmeno guidare astronavi fino al sole, ma basta lanciarle in direzione del nostro astro e poi lasciare che sia lui a tirarle. Soluzione perfetta? Peccato per due soli punti a sfavore: il costo di un vettore spaziale e il fatto che se in fase di lancio qualcosa andasse storto le scorie verrebbero distribuite nell'atmosfera e sulla terra.
• Trasmutarle. Questa potrebbe essere una buona idea. Gli isotopi radioattivi contenuti nel combustile esausto può essere trasformato in altri isotopi con una vita media molto più brevi irraggiandoli con fasci di particelle. Questa trasmutazione renderebbe le scorie molto più facili da trattare, ma questo riprocessamento non è privo di rischi soprattutto per gli operatori che devono maneggiarle.
  
• Seppellirle in miniere in disuso. Questa è la soluzione attualmente adottata che pur essendo estremamente sicura, è considerata come l'inferno dagli ambientalisti. I siti individuati devono essere geologicamente stabili e facilmente monitorabili.
  

Ci sono pericoli con i reattori a fissione?
Certo che ci sono pericoli. Nella nostra vita ci troviamo spesso obbligati ad affrontare situazioni pericolose, e molte volte non ce ne rendiamo neppure conto. La cosa importante è valutare in modo razionale e corretto il rischio che si corre nell'affrontare ogni situazione. Vi siete mai chiesti quanto male fa all'ecosistema terra l'emissione di gas serra e di biossido di carbonio legato alla combustione del petrolio e dei suoi derivati? Vi siete mai chiesti quali siano i danni legati al riversamento negli oceani del combustile fossile contenuto nelle petroliere? Molto probabilmente lo avete fatto, ma avete valutato il rischio tollerabile. Se avete paura delle centrali nucleari è perché valutate il rischio molto più elevato, anche se non ci sono emissioni di gas serra; forse la paura verso il nucleare è solo psicologica e non basata su effettive valutazioni razionali di rischio. I moderni reattori nucleari sono sicuri almeno quanto le centrali convenzionali.

E perché è successo il disastro di Chernobyl?
Tipica domanda di chi ha una paura d'inferno e che viene alimentata da motivi irrazionali. L'incidente di Chernobyl è avvenuto a causa di una errata manavra di verifica di sicurezza effettuata fuori orario e da personale non qualificato. Facciamo un esempio, l'aereoplano è di gran lunga il mezzo di trasporto più sicuro. Adesso facciamolo pilotare ad un autista di camion e gli facciamogli fare una manovra complessa senza il supporto di un pilota qualificato mentre sta trasportando 200 passeggeri. Le probabilità che il velivolo arrivi sano e salvo a terra sono poche, ma non perché l'aereo è un mezzo pericoloso, ma perché è stato utilizzato in modo incauto e pericoloso. Lo stesso identico discorso vale per un reattore nucleare: servono scienziati, ingegneri e tecnici qualificati ad operarlo e tutte le norme di sicurezza vanno periodicamente controllate nel rispetto delle procedure operative.
Se volete leggere una lista degli incidenti nucleari civili, li trovate tutti elencati sulle pagini inglesi di wikipedia.

Attenzione il testo seguente contiene delle opinioni discutibili

Nota di attualità

Proprio oggi, 31 Ottobre, mentre scrivo questo post, a Montalto di Castro avviene una manifestazione anti-nucleare a partire da quella che era nata come una centrale a fissione e che poi era stata convertita a carbone. Ci tengo a dire la mia: ovviamente non sono per un no secco al nucleare, sarebbe - secondo me - un errore imperdonabile. Sono per il nucleare ad una condizione: che non sia inteso come la salvezza del nostro Paese e l'unica fonte di energia sulla quale basare i nostri piani di sviluppo. Il nucleare a fissione con i reattori attuali ci deve servire per uscire da questa fase di dipendenza energetica, ci deve aiutare a supportare la ricerca verso nuove tecnologie, nucleari e non, e ci deve guidare sulla via del progresso e della salvaguardia del nostro pianeta.