Centrale Nucleare

Tipologie e Rendimento delle Centrali Nucleari

Foto Centrale Nucleare

Impianto che trasforma l’energia di legame tra i nucleoni di alcuni elementi chimici pesanti in energia termica, che viene convertita in energia elettrica come nelle centrali termoelettriche.
Principio di funzionamento

I reattori nucleari sono schematicamente costituiti da una struttura in cui si trova il combustibile nucleare (principalmente uranio 238 arricchito) detta nocciolo, nella quale avvengono le razioni di fissione nucleare, e da un insieme di apparecchiature ausiliarie che provvedono ad asportare il calore prodotto dalla fissione e a convertirlo in altre forme di energia.

Queste apparecchiature ausiliarie sono in larga misura identiche a quelle usate nelle centrali termoelettriche convenzionali. All’interno del nocciolo, il combustibile nucleare č presente sotto forma di barre o di pastiglie, intercalate ad acqua, acqua pesante, grafite o berillio con la funzione di moderatori di neutroni, cioč di rallentare i neutroni perché possano generare piů facilmente la fissione nei nuclei del combustibile.

Per controllare questa reazione a catena, nel nocciolo possono essere inserite le barre di controllo, composte da sostanze (per esempio cadmio e boro) in grado di assorbire i neutroni: il loro maggiore o minore inserimento permette di controllare il numero di neutroni disponibili per la fissione. Attraverso il nocciolo circola il fluido di raffreddamento che ha lo scopo di sottrarre il calore prodotto e di portarlo alle apparecchiature per trasformare il calore in energia elettrica o meccanica.

Il fluido di raffreddamento deve assorbire pochissimo i neutroni e realizzare uno scambio termico ottimale; le sostanze piů usate sono l’acqua, il sodio liquido (nei reattori superveloci), il biossido di carbonio e l’elio. Vi sono infine reattori che con accorgimenti particolari, come l’uso di una camicia di uranio-238 posta attorno al nocciolo e che assorbe i neutroni veloci non rallentati dal moderatore, sono in grado di produrre piů combustibile di quanto ne consumano. Questi reattori (detti superveloci, rigenerativi o autofertilizzanti) pongono seri problemi di sicurezza, poiché il combustibile prodotto č plutonio 239, utilizzabile anche per la costruzione di armi atomiche.

Tipologie di centrali nucleari:

  • Reattori ad acqua leggera: il fluido raffreddante č acqua leggera, più abbondante in natura, formata la isotopo idrogeno 1H che funge anche da moderatore. Il combustibile è normalmente uranio arricchito con una percentuale di U- 235 compresa tra 1,5 e 6%. I reattori ad acqua leggera sono di solito:
    Reattori ad acqua in pressione (PWR): il fluido raffreddante (acqua pressurizzata) circola in un circuito chiuso, detto circuito primario; tramite uno scambiatore cede il calore ad un circuito secondario con un generatore di vapore; il vapore aziona poi le turbine. Con questo sistema si evita che il circuito secondario e le apparecchiature che generano l’energia elettrica non vengono contaminati (non diventano radioattivi).
    Reattori ad acqua bollente (BWR): L’acqua raffreddante nel serbatoio pressurizzato č direttamente trasformato in vapore che aziona le turbine. I circuiti dell’acqua e del vapore si trovano pertanto nell’area di controllo (area di probabile contaminazione).
    Reattori ad acqua pesante: Il fluido raffreddante contiene acqua pesante (D2O)m deuterio, che assorbe meno neutroni. Il combustibile può pertanto essere uranio naturale contenente una percentuale di U-35 circa del 0,7%.
  • Reattori a metallo liquido (reattori autofertilizzanti): Il reattore autofertilizzante produce durante l’esercizio plutonio e contente pertanto uno sfruttamento del combustibile maggiore del 60%. Il metallo liquido (per esempio sodio), utilizzato come raffreddante, non frena i neutroni. Il vapore per le turbine č ottenuto tramite uno scambiatore di calore.
  • Reattore a torio-232: Il torio-232, che si trasforma per cattura di neutroni in uranio-233, si trova in sfere di grafite raffreddate da elio. L’elio si riscalda fino a 1000°C e il calore č utilizzato per produrre vapore per azionare la turbina, oppure il caldo gas di elio č direttamente trasportato ad una turbine a gas.

Rendimento centrali nucleari.

Il rendimento elettrico delle centrali nucleari è normalmente inferiore rispetto a quello di altre centrali termoelettriche.
Perché?

Il cosiddetto rendimento elettrico di una centrale indica la qualità della trasformazione energetica; è il rapporto tra la quantità di energia risultante, nel nostro caso la quantità di elettricità, e la quantità di energia fornita, per esempio sotto forma di combustibile. Il massimo rendimento teoricamente raggiungibile di una centrale termoelettrica, e anche una centrale nucleare appartiene a questa categoria, risulta dalla differenza della temperatura del vapore che entra nella turbina e la temperatura del vapore in uscita, misurata in kelvin (K).

Il rendimento ottenibile dipende quindi dalla temperatura massima raggiungibile del vapore. Nelle centrali termoelettriche a carbone più moderne si ottengono temperature massime di circa 580 °C. Con questa temperatura si ottiene un rendimento di circa il 43%.

Nel caso di centrali nucleari bisogna considerare che i materiali sono esposti a radiazioni ionizzanti e questa esposizione pone un limite alla temperatura massima del vapore. Nelle centrali con reattori ad acqua, il vapore all’entrata della turbina ha una temperatura di circa 330°C, con la quale si ottiene un rendimento del 35%. Le centrali nucleari hanno un rendimento inferiore rispetto a quelle termoelettriche a carbone, perché, allo stato attuale della tecnologia, l’ottimale rendimento dell’intero impianto si ottiene con questa temperatura. Un miglioramento futuro del rendimento della tecnologia è però possibile.

Storia centrali nucleari

Il primo reattore nucleare fu realizzato da E. Fermi e collaboratori nel 1942 in una palestra dell’Universitŕ di Chicago. Lo sviluppo dei reattori nucleari durante il periodo bellico e immediatamente postbellico fu strettamente associato con le applicazioni militari dell’energia atomica. Solo successivamente, grazie anche all’opera di organismi internazionali come l’ONU, venne promossa l’utilizzazione pacifica dell’energia nucleare.

La prima centrale nucleare del mondo è stata la centrale di Obninsk presso Mosca, entrata in funzione nel 1954 (5 MW). Quasi contemporaneamente, nel 1955, è stata attivata la Centrale Calder Hall in Inghilterra. Nella maggior parte delle prime centrali nucleari sono stati utilizzati reattori ad acqua bollente perché più facilmente da costruire e da controllare. Ora sono più in uso reattori ad acqua sotto pressione perché con essi si raggiunge una maggiore potenza.

Vi sono oggi 500 centrali nucleari attivi e in costruzione nel mondo, in grado di produrre circa 4200 GW (gigawatt) elettrici.

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