Come funziona l'energia nucleare

di Massimiliano Panni

Nelle scorse settimane abbiamo spiegato perché l'energia nucleare sia fondamentale per l'Italia. Nell'invitarvi alla lettura del precedente articolo colgo l'occasione per approfondire il funzionamento di tale tecnologia al fine di chiarire il funzionamento specifico di una centrale nucleare. 

Per facilitarne l'immaginazione penso sia utile pensare a una pentola a pressione. Esattamente come una pentola a pressione sul fuoco produce vapore così anche il reattore nucleare ne produce. È proprio questo vapore che permette di creare energia, ma com'è possibile? Semplice, riprendiamo l'esempio della pentola a pressione; la reazione nucleare produce calore come il fornello per la pentola, il calore scalda l'acqua (o altri fluidi/gas in diverse versioni di reattori), che trasformandosi in vapore e viaggiando in un sistema secondario muove un enorme turbina (qui il principio è lo stesso dei mulini a vento), la quale, collegata ad un trasformatore, trasforma l'energia cinetica della rotazione delle pale in energia elettrica. Il tutto accade all'interno dell'edificio di contenimento che possiamo considerare la pentola stessa, la quale non permette a ciò che è contenuto di fuoriuscire. Il vapore dopo aver azionato la turbina viene rilasciato in atmosfera tramite le torri di raffreddamento, senza causare danni poiché parliamo di vapore acqueo. Ecco che così abbiamo prodotto energia elettrica senza CO2, almeno in fase di produzione. 

Quest'ultimo punto è fondamentale. Il nucleare è l'unica tecnologia che non produce anidride carbonica in fase di produzione ed è in grado di funzionare costantemente. Non solo, il suo capacity factor (la capacità di produrre energia in un determinato frangente di tempo) è tra le più alte in assoluto confrontando tutte le tecnologie a nostra disposizione. Ciò significa che una centrale nucleare produce tanto, per molto tempo e senza emissioni di gas fossile. 

Ma nello specifico come funziona una reazione nucleare? Nella nostra vita quotidiana siamo abituati a vedere reazioni chimiche in continuazione come il ferro esposto all'ossigeno che ossida o la combustione della benzina nella macchina, queste reazioni si basano sulle molecole mentre le reazioni nucleari si basano sugli atomi, legami più profondi e resistenti. Proprio grazie alla maggior resistenza data dalla connessione tra elettroni, protoni e neutroni è possibile, separando l'atomo, rilasciare grosse quantità di energia sotto forma di calore.

Il materiale migliore per caratteristiche radioattive è l'uranio, precisamente l'isotopo U235, raro in natura ma facilmente ottenibile "arricchendo" il normale uranio 238. Nell'edificio di contenimento viene immerso il materiale fissile all'interno di un mezzo (generalmente acqua) e gli si scaglia contro una certa quantità di neutroni, quest'ultimi colpiranno gli atomi di uranio, dividendoli, i quali a loro volta rilasceranno neutroni che colpiranno altri atomi di uranio, e così via ottenendo una reazione a catena. Lo scopo finale è proprio questo, ottenere una reazione nucleare a catena che si auto alimenta; ciò permette alla centrale di avere un alto capacity factor.  Il susseguirsi di reazioni è il fornello che scalda la nostra pentola e quindi ci fornisce energia ma come è possibile che tutte queste reazioni non portino a danneggiare la struttura, o peggio, ad un incidente? Com'è possibile che la pentola non bruci il suo contenuto? Grazie ad un moderatore della reazione. Come sul fornello abbiamo la possibilità di alzare e abbassare il fuoco anche in un reattore è possibile, grazie alle barre di contenimento. Queste sono aste che vengono calate dall'alto all'interno del reattore, sono fatte generalmente di boro o materiali simili che assorbono molto bene la radioattività. Queste barre servono come da freno per la reazione, inserendole nel combustibile è possibile diminuire il numero di reazioni fino a far fermare il reattore nel caso di problemi. Esistono decine di sistemi di sicurezza passivi e ridondanti all'interno di una centrale nucleare ma le barre di contenimento sono costantemente utilizzate per aumentare o abbassare la potenza del reattore in base alle necessità. 

Generalmente una volta all'anno il reattore viene spento per sostituire il combustibile esausto e per dare spazio alle procedure di manutenzione. Una centrale nucleare mediamente ha una vita di 40/60 anni ma spesso le licenze di utilizzo vengono allungate fino a 80 anni visto il basso grado di degrado e usura dei materiali non sostituibili.