REATTORI NUCLEARI
A FISSIONE
Roberto Renzetti
Passo ora ad una breve rassegna dei più noti e diffusi reattori nucleari per la
produzione di energia ad uso pacifico, a partire dalla fissione nucleare che abbiamo appena
studiato.
Dunque, da una reazione di fissione nucleare controllata si ottiene
energia, molta energia. Il problema è capire come prenderla e come trasformarla
in apposite centrali. Le centrali per la produzione di energia hanno nomi
diversi, a seconda da cosa sono alimentate. Così abbiamo a che fare con centrali
idroelettriche quando utilizziamo l'energia di caduta di una massa d'acqua
da una data quota; si hanno centrali a marea quando sfruttiamo il
sollevarsi e l'abbassarsi del mare; si hanno invece centrali eoliche
quando utilizziamo il moto di pale, originato dal vento. Fin qui per ciò che
riguarda centrali fredde, centrali cioè che lavorano a temperatura
ambiente, senza passare per il riscaldamento. Vi sono poi le centrali
termiche che sono una classe di centrali che comprendono: centrali
solari, centrali a carbone, centrali geotermiche, centrali a gas, centrali ad
olio combustibile, centrali nucleari (di differenti tipologie). A
parte alcuni tipi di centrali solari che lavorano a temperature relativamente
basse, tutte le altre centrali funzionano sostanzialmente con lo stesso
principio: vi è un fornello dentro il quale si genera il calore; questo
calore viene scambiato con una qualche sostanza (generalmente acqua);
questa sostanza acquista energia termica (se è acqua diventa vapore ad elevata
temperatura e pressione) ed è in grado di muovere delle turbine; il moto
delle turbine è connesso ad un alternatore che origina corrente
alternata; questa corrente, dopo opportuna trasformazione, viene inviata
negli elettrodotti per gli usi finali in fabbriche e città.
Nel caso di una centrale nucleare il fornello è costituito da un arrangiamento
che permette di sfruttare l'energia da fissione nucleare.
Per sfruttare una tale energia sono necessarie alcune condizioni:
- occorrono una enormità di nuclei che simultaneamente si fissionino;
- occorre innestare la reazione a catena che deve mantenere la combustione per produrre energia con continuità;
- occorre il controllo del processo: la possibilità di regolarne la potenza nel tempo e nella durata.
La struttura di un reattore nucleare deve quindi prevedere schematicamente:
- un fornello, detto nocciolo, nel quale si sviluppi la reazione a catena;
- un efficientissimo sistema di estrazione del calore (raffreddamento) dal nocciolo;
- una schermatura molto importante per fermare le radiazioni prodotte in modo ineliminabile dal processo di fissione;
- sistemi di regolazione dei processi mediante strumenti di controllo, al fine dell'uso pratico del reattore.
Figura 1
Nella figura piccola, in basso a destra, sono schematicamente raffigurate le
differenti situazioni di un nocciolo: nella prima la barra nera serve per
bloccare completamente la reazione; nella seconda la barra nera si alza e la
reazione aumenta di potenza; nella terza la barra nera è completamente
sollevata ed il reattore funziona alla massima potenza. La figura grande mostra
invece lo schema costruttivo di un nocciolo completo di tutti i suoi componenti: le barre rosse
sono quelle del combustibile nucleare; le barre nere sono di sicurezza e
controllo della potenza del reattore; le barre verdi servono per moderare le
reazioni, per assorbire i neutroni eccedenti; nel recipiente vi è
dell'acqua che assorbe il calore prodotto; il recipiente è circondato da
calcestruzzo che ha un ulteriore contenitore, generalmente di acciaio; lungo il
bordo del contenitore (barre gialle) vi è una qualche sostanza che ha la
proprietà di riflettere i neutroni prodotti dalle reazioni all'interno del
nocciolo, al fine di non disperderli. La figura 2 mostra invece un nocciolo in
fase di montaggio in una centrale da 1300 Mw (una taglia di centrale nucleare
molto grande e di tipo PWR, come vedremo più oltre).
Figura 2
L'interno del nocciolo, sempre schematicamente ma in forma più dettagliata, è mostrato in figura 3.
Figura 3
Si tratta di centinaia di barre di combustibile (uranio
arricchito o plutonio) alternate con barre moderatrici (in genere berillio o
grafite) e di controllo (in genere cadmio o boro, che possono scorrere
verticalmente comandate dall'esterno per regolare la potenza della centrale).
Ecco, dentro questo nocciolo viene realizzata la reazione nucleare a catena
controllata che produce l'energia che ci interessa. Vedremo a breve come è
connesso questo nocciolo al resto, ora vorrei dire due parole sulla peculiarità
di questo fornello, rispetto agli altri delle centrali termiche. Innanzitutto il
problema che si ha davanti riguarda le elevatissime temperature che si originano
dalla reazione nucleare. Il sistema deve essere ben controllato per mantenerlo
sempre a temperature (intorno ai 400 °C) tali da non danneggiarlo. Lo
scorrimento delle barre è fondamentale per il controllo del reattore. Serve
quindi un efficientissimo sistema di raffreddamento ed estrazione del calore
prodotto. In pratica dell'acqua deve circolare per estrarre il calore prodotto
con continuità. La quantità d'acqua è notevole e, a volte, la stessa acqua
non ce la fa ad assorbire tutto il calore prodotto; è il caso di alcune
centrali nucleari che debbono utilizzare del sodio liquido per la sua maggiore
efficienza relativa allo scopo. Ma su questo tornerò tra un istante. Passiamo
ora a vedere come questo nocciolo è collegato all'insieme della centrale,
a partire dagli elementi fondamentali. Mi riferisco alla figura 4 ed avverto che
il sistema che vi è rappresentato può essere relativo a qualunque centrale
termica (che utilizza, appunto, un fornello per la produzione di energia
elettrica).
Figura 4
Il vapore d'acqua (mi riferisco ora al vapore d'acqua
come intermediario
per gli scambi di calore, ma ve ne sono anche altri) ad alte temperatura e pressione esce dal nocciolo ed
in E entra nella prima parte (scambiatore) del sistema che va a produrre
energia elettrica. Nello scambiatore il vapore proveniente dal nocciolo cede
gran parte della sua energia termica all'acqua ivi presente. Questa, a sua
volta, diventa vapore ad alte pressione e temperatura che è canalizzato verso
turbine gigantesche che, a loro volta, fanno girare enormi generatori di
corrente alternata (che dovrà poi essere trasformata prima dell'invio
nell'elettrodotto). Nella figura 5 è mostrato lo statore di tali generatori,
mentre nella 6 è riprodotto il rotore. Li mostro solo per dare un'idea delle
dimensioni
Figura 5
Figura 6
in gioco. Ma ora torniamo al vapore che ha fatto girare le
turbine. Fuoriuscito da queste, esso si dirige verso un sistema (condensatore)
che serve a raffreddarlo al fine di rinviarlo sotto forma di acqua nello
scambiatore. La quantità di calore da sottrarre è enorme e, spesso, non basta
lo scambio semplice con una sorgente fredda naturale, come acqua di
fiumi, laghi o mare (grandi masse d'acqua vengono aspirate da queste sorgenti
fredde, vanno a sottrarre calore all'acqua proveniente dallo scambiatore,
vengono quindi riversate di nuovo nella sorgente fredda ma a temperature
superiori di vari gradi). Occorre raffreddare queste masse d'acqua prima di
riversarle di nuovo nelle sorgenti fredde, facendole circolare dentro delle
gigantesche torri di raffreddamento
Figura 7
(figura 7).
A questo punto è possibile vedere un disegno (Figura 8) schematico dell'intera
centrale (avverto però che non entro nei dettagli di ogni singola parte, ma
ritrovo nel disegno i componenti ai quali ho accennato).
Figura 8
Iniziando dalla sinistra del disegno: il primo edificio
riceve le barre di combustibile nucleare da inserire nel nocciolo che è
disegnato in rosso al centro della cupola dell'edificio seguente. Nel primo
edificio vengono anche provvisoriamente alloggiate in una grande piscina le
barre di combustibile già utilizzate. Sotto la cupola vi sono, oltre al
nocciolo, i generatori di vapore (scambiatori). Dalla cupola escono dei tubi che
portano il vapore nel grande edificio parallelepipedo che segue. Il vapore entra
nella turbina ad alta pressione (indicata con il n° 24) e successivamente nelle
turbine a bassa pressione ( n° 25). Queste turbine fanno muovere i generatori
di corrente che seguono (n° 26). Da qui la corrente passa ai trasformatori (n°
30) per poi andare nell'elettrodotto. Il vapore che esce dalle turbine a bassa
pressione va invece ad essere raffreddato nel condensatore (n° 28) da dove poi
torna agli scambiatori nella cupola. In accordo con quanto già detto, a parte
il dimensionamento dei singoli componenti, con la sostituzione di quel nocciolo
con altro generatore di calore si ha a che fare con altro tipo di centrale
termica.
VARI TIPI DI CENTRALI NUCLEARI
Ho fino ad ora parlato genericamente di centrali nucleari senza ulteriore
specificazione. E' ora utile entrare in un minimo di classificazione dei vari
tipi di centrali nucleari in commercio.
Le centrali più diffuse sono quelle ad acqua leggera (Light Water Reactor, LWR)
che sono di due tipi, quelle ad acqua in pressione (PWR, brevetto Westinghouse)
e quelle ad acqua bollente (BWR, brevetto General Electric). In tali centrali il
combustibile è uranio arricchito ed il moderatore è acqua naturale.
Vi sono poi le centrali ad acqua pesante (Heavy Water Reactor, HWR) che sono
essenzialmente quelle brevettate in Canada (CANadian Deuterium-Uranium, CANDU).
In tale centrale il combustibile è uranio naturale ed il moderatore è acqua
pesante.
Altro tipo di centrali è quello sviluppato principalmente in Francia, si tratta
dei reattori autofertilizzanti o reattori veloci o breeders (LMFBR).
Vi sono infine alcuni tipi di centrali sviluppate nella ex URSS che vedremo
oltre, soffermandoci solo al tipo VVER 440 essendo questo il reattore di
Chernobyl.
Altre centrali hanno ormai solo un interesse storico come quelle a gas (Magnox
ed AGR), sviluppate soprattutto in Gran Bretagna. Vi sono poi reattori
raffreddati a gas ad alta temperatura (HTR), reattori di ricerca, ... ma è
inutile entrare in dettagli che non aggiungerebbero nulla alla comprensione di
principio.
CENTRALI LWR DI TIPO PWR
Riproduco lo schema di funzionamento di tale centrale (Figura 9) per illustrarla
in breve (ne ho già parlato in precedenza perché le esemplificazioni che
facevo riguardavano questo tipo di centrale).
Figura 9
Fatto che distingue questo tipo di reattore dal BWR è il
circuito chiuso dell'acqua che dal nocciolo va allo scambiatore. Un altro
circuito d'acqua, completamente separato, è quello che muove le turbine.
Inoltre, l'acqua che si trova nel nocciolo, oltre ad essere ad alta temperatura
è anche ad alta pressione perché, ad essa, viene impedita ogni espansione. Le
dimensioni standard di un nocciolo sono di circa 5 metri di diametro e di circa
15 metri di altezza con uno spessore del contenitore di acciaio che varia dai
150 ai 300 mm. La carica di combustibile prevede circa 90 tonnellate che
permettono il suo funzionamento per circa un anno. La pressione dell'acqua è
intorno ai 150 Kg/cm² e la temperatura intorno ai 280 °C.
CENTRALI LWR DI TIPO BWR
Parto anche qui da uno schema di principio di questi reattori (Figura 10).
Figura 10
Come si vede, l'acqua a diretto contatto con il combustibile
nucleare, è quella che, bollendo, fornisce il vapore che fa muovere le turbine.
Altro vapore viene fornito dallo scambiatore. In questa centrale, come
nell'altra PWR, l'acqua svolge due ruoli: quella di raffreddamento del sistema e
quella di moderatore dei neutroni generati nella reazione nucleare.
Uno schema più dettagliato del nocciolo di una centrale PWR, lo ho mostrato in
figura 3. Mostro ora, con lo stesso dettaglio, il nocciolo di una centrale BWR
(Figura 11).
Figura 11
Il contenitore degli elementi di combustibile è anche qui un
recipiente a pressione ma con un volume triplo rispetto a quello previsto per il
PWR. Un tale nocciolo ha un diametro di oltre 6 metri ed una altezza di oltre 20
metri. Lo spessore dell'acciaio di contenimento è di soli 150 mm. Carica
una quantità di combustibile di circa 165 tonnellate. La temperatura dell'acqua
è intorno ai 180 °C (la stessa del PWR) e la pressione intorno ai 70
Kg/cm² (la metà circa di un PWR).
CENTRALI HWR DI TIPO CANDU
Anche qui parto da uno schema del nocciolo di un CANDU. Cambia un poco
la struttura ma il principio è il medesimo. Anche qui il vapore va ad azionare
delle turbine ed è necessario un condensatore
Figura 12
per il raffreddamento dell'acqua che dovrà tornare ad
estrarre calore dal nocciolo. Qui il circuito dell'acqua a contatto con gli
elementi di combustibile deve essere rigorosamente sigillato in quanto contiene
acqua moltro costosa, l'acqua pesante. La carica degli elementi di combustibile
è circa di 130 tonnellate inserite nel contenitore che ha un diametro di meno
di 10 metri, una lunghezza di circa 6 metri ed uno spessore di circa 30
millimetri. Più in dettaglio il nocciolo si presenta come in figura 13.
Figura 13
Caratteristica importante di questi reattori è che il combustibile può essere cambiato in funzione, contrariamente ai LWR che richiedono circa un mese l'anno di stop per le ricariche.
REATTORI RAFFREDDATI A GAS
Presento solo uno schema di una tale centrale, la GCR MAGNOX, che utilizza
uranio naturale (in sbarre racchiuse in una lega di magnesio chiamata magnox)
come combustibile, anidride carbonica come estrattore del calore, barre di
acciaio al boro come controllo e barre di grafite come riflettore e come
moderatore.
Figura 14
Si vede facilmente che, a parte il nocciolo ed i
dimensionamenti relativi alle potenze in gioco, la struttura è ancora simile a
quella delle altre centrali termiche. La carica di combustibile è di circa 350
tonnellate.
REATTORI VELOCI
In questi reattori manca un moderatore. Di conseguenza i neutroni non sono
rallentati molto. Ciò vuol dire che il combustibile deve essere dell'uranio
arricchito con una percentuale maggiore di Uranio 235 o direttamente del
plutonio. Questi reattori sono anche chiamati autofertilizzanti perché portano
simultaneamente avanti due processi: da una parte producono energia e dall'altra
si fabbricano il combustibile per il futuro arricchendo dell'uranio naturale
disposto appositamente a mantello intorno al nocciolo. Come sappiamo se l'uranio
naturale viene colpito da neutroni veloci, si realizza la reazione nucleare che
dà origine al plutonio. E, come abbiamo visto, queste centrali funzionano
proprio con barre contenenti buone percentuali di plutonio. Per rendere
efficiente il processo di conversione di uranio in plutonio occorre che il
reattore lavori a temperature più alte rispetto a quelle di altri tipi di
centrale. Queste elevate temperature fanno si che è impossibile usare acqua per
il raffreddamento, poiché la pressione sarebbe molto elevata mettendo a rischio
la sicurezza delle canalizzazioni. E' qui dove si usa del sodio liquido che ha
la proprietà di mantenere basse pressioni ad elevate temperature. Ma ciò non
basta: occorre anche che questo sodio venga fatto circolare ad elevate velocità
per sottrarre tutto il calore al nocciolo. Nella figura 15 è mostrato un
nocciolo di tali reattori. Si noti il mantello di uranio che, nel
funzionamento, viene preparato per il successivo uso.
Figura 15
REATTORI VODO-VODYANOY ENERGETICHESKY REAKTOR (VVER 440) E REATTORI BOL'SHOI MOSCHNOSTY KANAL'NYI (RBMK 1000)
Poiché mi riprometto di trattare con un qualche dettaglio l'incidente nucleare
di Chernobyl (Ukraina, ex URSS) oltre a quello di Three Mile Island (Harrisburg,
USA), è
necessario descrivere con un qualche dettaglio la tecnologia ex sovietica dei
reattori nucleari. Si tratta di due filiere, quella dei reattori VVER che hanno nel numero, che segue la
sigla, indicata la loro potenza elettrica in MW (come si vede, quindi, la potenza
di 440 è circa un terzo della media delle potenze di una centrale in funzione
in occidente) e gli RBMK 1000 (Reaktor Bol'shoi Moshchnosty Kanal'nyi, ossia
reattori a canali di potenza elevata), tipo in funzione nell'unità 4 di
Chernobyl, quella dell'incidente. Il sistema primario dei reattori VVER, mostrati schematicamente in
figura
16, è costituito da 6 circuiti di refrigerazione in
parallelo, ciascuno dei quali è dotato di un proprio generatore di vapore
che
va ad
Figura 16
alimentare due turbine collegate a ciascuna unità (Figura
17 e Figura 18). Si tratta di un reattore ad acqua in pressione che non ha
struttura di contenimento (le cupole in cemento armato dei reattori
precedentemente visti) ma solo una struttura di confinamento costituita da vari
locali interconnessi e circondanti il nocciolo. Questo tipo di realizzazione è
conseguente al massimo incidente di progetto previsto. Nelle successive versioni
dei VVER (i
Figura 17
Figura 18
1000), si è passati a più sistemi di refrigerazione (e più
sofisticati) ed anche al contenimento (per reattori progettati dopo il 1983,
anno in cui l'ex URSS si dotò di un organo statale centrale di sorveglianza e
di nuove regole di sicurezza).
La seconda filiera si è evoluta, a partire dagli dagli anni 50, fino ad
arrivare ai reattori RBMK 1000 che debuttarono nel 1973 (Figure dalla 19 alla
22). Il corpo di tali reattori è costituito da circa 2500 blocchi di grafite,
che ha il ruolo di moderatore, all'interno dei quali sono ricavate le aperture
nelle quali sono
Figura 19
Figura 20
Figura 21
Figura 22
inseriti i canali del combustibile.
Tali
canali, in numero di circa 1700, sono costituiti da
tubi
all'interno dei quali sono disposti, in due fasci di
barre
sovrapposti, gli elementi di combustibile che
vengono
direttamente lambiti dall'acqua refrigerante.
Il
sistema di refrigerazione è costituito nel suo insieme da due circuiti
indipendenti, funzionanti in parallelo, ognuno in grado di raffreddare una metà
del nocciolo. Il reattore RBMK è dotato di un sistema di refrigerazione di
emergenza, mentre non è dotato di un sistema di contenimento ma, come il VVER
440, di un
sistema
di confinamento compartimentato.
Le unità 1 e 2 di Chernobyl erano costituite dai primi reattori
di questo tipo messi in funzione.
-
assenza di nuovi processi tecnologici nella costruzione, -
possibilità di incrementare la potenza con la semplice aggiunta di elementi
modulari, -
carico e scarico del combustibile con reattore in funzione e quindi la
possibilità di migliori prestazioni
Dopo svariate indagini internazionali si possono rilevare i seguenti difetti
per i reattori della filiera VVER: - insufficiente capacità di refrigerazione di
emergenza nel lungo periodo; - insufficiente ridondanza e separazione dei sistemi
di sicurezza; - assenza di un sistema di contenimento; - insufficiente protezione dagli incendi e da altri
eventi quali allagamenti, caduta di un aereo o l'onda d'urto di una esplosione.
La stessa filiera avrebbe invece le seguenti caratteristiche positive: - bassa potenza del nocciolo; - notevoli quantità d'acqua sia sul primario che sul
secondario; - semplicità impiantistica; - possibilità di isolamento, in maniera separata, di
ognuno dei circuiti costituenti il primario.
Riguardo alla filiera degli RBMK si possono individuare le seguenti carenze: - instabilità dinamica del nocciolo (vibra!); - limitata efficacia del sistema di protezione
(insufficiente rapidità di inserzione delle barre di controllo); - insufficienti caratteristiche della refrigerazione
di emergenza (sistema complesso, insufficiente ridondanza); - assenza di un sistema di contenimento (solo una
parte dei circuiti primari è in compartimenti a tenuta); - eccessiva dipendenza della regolazione e controllo
dell'impianto da interventi degli operatori; - incompatibilità chimica dei materiali presenti nel
nocciolo (grafite-acqua, possibilità di produzione di idrogeno).
Più in generale si può aggiungere lo scarso controllo da parte di enti
preposti e lo scarso addestramento del personale. Bibliografia 1 - (a cura di Felice
Ippolito) - Energia dall'atomo - Le Scienze "quaderni" n° 3,
dicembre 1982. 2 - M. Maggi, R. Mussapi,
R. Spiegelberg - Il nucleare dell'Est - Sapere di febbraio e marzo 1993. La peculiare
tecnologia di tali reattori presentava, rispetto alle altre tipologie, ed in
particolare rispetto alla filiera pressurizzata, una serie di vantaggi fra i
quali è opportuno evidenziare: