Baraonda energetica, V: il nucleare, seconda parte

Vediamo ora di esaminare i vari aspetti del nucleare civile.

Quanti tipi di centrali nucleari ci sono?
Parecchi. Generalmente le centrali nucleari sono classificate in “generazioni”. Le centrali di prima generazioni erano i reattori sperimentali, attivi tra gli anni ’50 e ’60, e sono tutti decommissionati (cioè, spenti). Le centrali di seconda generazione sono quelle attualmente in uso in tutto il mondo. I tipi più comuni sono i reattori PWR (Pressurized Water Reactor), largamente usati negli Stati Uniti (e in Italia a Trino Vercellese); i reattori BWR (Boiling Water Reactor), molto comuni in Europa (lo erano tutti gli altri reattori italiani); i reattori RMBK, di concezione sovietica, diffusi nell’Est europeo, meno sicuri degli standard comuni; infine, i reattori CANDU (CANadian Deuterium Uranium), ad acqua pesante, di progettazione canadese e molto flessibili nel combustibile usato (dall’uranio naturale al torio, senza scompensi alcuni) ed utilizzabili anche nei periodi di manutenzione e rifornimento. Vale la pena di menzionare le sperimentazione, in questi decenni, dei primi reattori autofertilizzanti (tra cui il più noto è probabilmente il francese Superphénix), che probabilmente in futuro potrebbero giocare un ruolo importante nell’industria nucleare civile.

I reattori nucleari di terza generazione stanno venendo realizzati in questo periodo, e sono generalemente evoluzioni più sicure dei reattori di seconda generazione. Tra i progetti più noti c’è sicuramente l’EPR (European Pressurized Reactor), di cui un esemplare è in costruzione in Finlandia, ad Olkiluoto.

Attualmente solo in sviluppo e progettazione sono, invece, le centrali nucleari di quarta generazione. Sono stati messi su carta diversi tipi di prototipi, con caratteristiche molto interessanti dalla sicurezza all’efficienza, dall’impatto ambientale all’utilizzo alternativo (ad esempio, la produzione di idrogeno). I limiti che ci impediscono di costruire tali centrali sono sostanzialmente strutturali, per mancanza di materiali adeguati alla realizzazione di tali impianti.

Quanto inquina una centrale nucleare?
Parlando delle comuni centrali nucleari a fissione, esse producono quasi esclusivamente, come prodotto di scarto, le note scorie nucleari. Tali materiali sono più o meno radioattivi a seconda di quali centrali li hanno prodotti. C’è da notare che la maggior parte delle scorie nucleari sono solo debolmente radioattive: nel caso di combustione dell’uranio, sono composti per circa il 95% da uranio impoverito, e globalmente hanno bisogno di circa 80 000 anni per raggiungere una radioattività inferiore a quella dell’uranio naturale.

Molto marginalmente, le centrali nucleari producono una sorta di “inquinamento termico”, come conseguenza dell’utilizzo dell’acqua per il raffreddamento del circuito. Si tratta, in ogni caso, di un problema comune a tutte le centrali termoelettriche e geotermiche.

Per rendere chiare le cose, le centrali nucleari non producono alcun tipo di gas-serra, così come non immettono nell’atmosfera alcun tipo di inquinante (dalle torri di raffreddamento esce solo vapor acqueo).

Quante scorie nucleari produce una centrale nucleare?
Considerando gli anni tra il 1995 ed il 2002, negli Stati Uniti, a fronte di una potenza installata delle loro 104 centrali nucleari di 97-100 GW (circa 950 MW di potenza installata media per ciascuna centrale), sono state messe nei depositi 17 508.5 tonnellate di scorie radioattive. (Non si tratta esattamente delle scorie prodotte dai reattori americani in quel periodo, dato che inizialmente le scorie vengono dapprima conservate nelle centrali stesse, ma il dato sugli otto anni riduce il divario. Leggere più avanti per ulteriori dettagli sul trattamento delle scorie.) Ciò significa che, in media, un reattore nucleare di tipo PWR/BWR da 1 GW produce circa 22 tonnellate di scorie radioattive in un anno. Dimensionalmente, si tratta di poco più di un metro cubo di scorie in un anno.

No, non è un errore. Come non è un errore affermare che una centrale a carbone della stessa potenza ha bisogno in media di 3 milioni e 350 mila tonnellate di carbone ogni anno (cioè oltre 150 mila volte il combustibile necessario al reattore nucleare), che si traducono in quasi sei milioni di tonnellate di CO2 dispersa nell’aria.

C’è da notare, inoltre, che il problema delle scorie nucleari (ed anche del consumo di combustibile fissile) viene pressoché eliminato nel caso di reattori autofertilizzanti, capaci nel ciclo intero di consumare pressoché tutto il materiale usato per la fissione.

Le scorie saranno anche “poche”, ma pericolose. Cosa ne facciamo?
Nell’attesa che il loro livello di radioattività scenda sotto quello dell’uranio naturale (o del torio) da cui derivano, cosa che avviene in 20-200 mila anni (a seconda del ciclo usato), la soluzione più comune consiste nello stoccaggio in depositi sicuri. Con “sicuri” si intende che possano resistere a dissesto idro-geologico con ragionevole certezza per un periodo simile di tempo.

Le scorie radioattive delle centrali nucleari sono classificate come scorie “ad alto livello” (High Level Waste, HLW). Esse vengono tenute inizialmente per 10-30 anni all’interno della centrale, nelle cosiddette “piscine di raffreddamento”, in modo da ridurre gli elementi radioattiva di vita più breve. Dopodiché, le scorie dovrebbero essere stoccate in depositi geologici sicuri, a centinaia di metri nel sottosuolo. Eventualmente, tali scorie possono essere riprocessate tramite diversi procedimenti, come la vetrificazione, che ne garantiscono un’efficace difesa dagli agenti esterni (essenzialmente, l’acqua) che ne possono pregiudicare, nel tempo, la conservazione nel luogo di confino. La vetrificazione rende le scorie nucleari di dimensioni all’incirca doppie.

Si noti che negli Stati Uniti le scorie non vengono riprocessate, ma stoccate direttamente nel deposito nazionale di Yucca Mountain. Tale deposito è adatto alla conservazione a lungo termine delle scorie nucleari, ma per ora questo è solo un progetto e non un’effettiva attuazione. Del resto, la vetrificazione renderebbe le scorie buone unicamente per lo stoccaggio, mentre in realtà è possibile trovare altri usi per le scorie nucleari, tutti ad uso civile, compreso un secondo utilizzo come combustibile nucleare.

Quindi esistono altre strade per le scorie nucleari?
Al momento non c’è ancora niente di concreto, ma la realizzazione di alcune soluzioni può essere vicina. In questo senso, uno dei progetti più interessanti è sicuramente quello del Rubbiatron, da un’idea (come si può facilmente intuire) di Carlo Rubbia. Si tratta di un reattore nucleare subcritico, cioè incapace di autosostenere la reazione nucleare senza una fonte esterna di neutroni. Nel caso del Rubbiatron, si farebbe uso di un sincrotrone capace di accelerare i protoni con un’energia di 800-1000 MeV (megaelettronvolt, dove l’elettronvolt è un’unità molto piccola di energia usata spesso in fisica nucleare). I protoni, quindi, investirebbero un contenitore di piombo fuso che così emetterebbe i neutroni necessari alla fissione nucleare. Il Rubbiatron, nonostante consumi energia in sé per alimentare il sincrotrone, sarebbe comunque in grado di produrne in quantità ancora maggiori, comportandosi quindi come un vero e proprio reattore nucleare.

Il Rubbiatron avrebbe diversi vantaggi: può funzionare utilizzando praticamente “qualsiasi cosa”, almeno tra i materiali comunemente noti nell’ambito del nucleari civile (uranio-235, uranio-233, plutonio, MOX, torio e, appunto, scorie nucleari); a differenza dei reattori convenzionali, può essere fermato in qualsiasi momento semplicemente spegnendo il sincrotrone; è in grado di ridurre le scorie nucleari in modo tale che esse diminuiscano la radioattività ai livelli iniziali in poche centinaia di anni, anziché nelle decine o centinaia di migliaia delle scorie non trattate, rendendo quindi la loro custodia e sicurezza un affare di gran lunga più gestibile. Purtroppo, la costruzione di un Rubbiatron non è affatto affar semplice, a cominciare dalla realizzazione del sincrotrone (ad oggi, i sincrotroni in grado di garantire una tale energia ai protoni si contano sulle dita di una mano), ma in futuro anche prossimo è possibile che tali problemi si possano risolvere.

In Italia come siamo messi? Abbiamo scorie nucleari?
Naturalmente, in Italia abbiamo le scorie nucleari prodotte dai nostri vecchi reattori elettronucleari, più quelle dei reattori dei laboratori scientifici. Si tratta comunque di poca roba, che in certa parte può ancora giacere nelle piscine di raffreddamento. A queste scorie ad alto livello, si aggiunge un’ingente quantità di altro materiale radioattivo, ma a livello parecchio inferiore, generato soprattutto dagli ospedali. Tali rifiuti, pur costituendo la maggior parte del volume totale, costituiscono solo una piccola parte della radioattività complessiva. Ma si devono comunque smaltire.

In ogni caso, se l’Italia si affidasse nuovamente all’energia nucleare, non aumenterebbe da subito la quantità di scorie nucleari da smaltire nell’immediato, poiché, come già detto, le scorie devono prima passare qualche decennio nelle piscine di raffreddamento. Questi anni saranno utili per l’individuazione, la progettazione e la costruzione di un centro di stoccaggio geologico delle scorie radioattive, dove mettere anche le nostre scorie passate. C’è da ricordare, in ogni caso, che la costruzione di un deposito geologico per lo stoccaggio delle scorie radioattive è un compito oneroso e dai costi consistenti, in grado di incidere, anche se in maniera non eccessiva, sul costo finale del chilowattora prodotto tramite centali nucleari. Si parla di 0.5-2 miliardi di euro nel totale.

L’ultimo tentativo che è stato fatto, in Italia, per individuare un sito per lo stoccaggio nazionale delle scorie nucleari è dovuto al governo Berlusconi nel 2003. La scelta ricadde su Scanzano Jonico, un sito ricco di salgemma (che garantisce la stabilità idrogeologica: se c’è acqua, non c’è sale!) protetto da diversi strati di tufo e argilla, anche più del deposito americano di Yucca Mountain. Tuttavia, per un deposito nazionale di scorie nucleari, è necessario uno studio specifico ed approfondito, mentre la decisione del 2003 fu presa in base alla letteratura geologica dell’area, che sebbene già nel 1971 identificasse il luogo come potenzialmente adatto alla costuzione di un deposito di scorie nucleari, non approfondiva comunque la questione. In più, nel novembre del 2003 furono fatti diversi errori a livello politico e comunicativo, che resero una decisione potenzialmente buona soggetta a critiche confuse da più fronti, agitando la popolazione locale. Il risultato è che il nome di Scanzano Jonico fu depennato dalla lista dei possibili siti per un deposito nazionale di scorie nucleari, di fatto senza alcun motivo tecnicamente valido che dimostrasse che la scelta del sito lucano fosse errata.

A livello mondiale, la questione delle scorie nucleari non è ancora del tutto risolta. Ad oggi, solo gli Stati Uniti hanno già da tempo avviato le pratiche in tal senso, e nel 1999 è attivo il deposito di Carlsbad, nel Nuovo Messico, denominato WIPP (Waste Isolation Pilot Plant). Alcune proposte a livello internazionale prevedono la costruzione di centri di stoccaggio internazionale, in base al principio secondo il quale in questo modo si moltiplicano i controllori e quindi riducono la possibilità di problemi e perdite di controllo del materiale da confinare.

Precedenti articoli sulla questione energetica:

Baraonda energetica, IV: il nucleare, prima parte

Solare ed eolico sono forme di energia sfruttate in maniera varia sin dall’antichità: dovunque ci fosse un mulino a vento, uno specchio ustore, o anche solo una vela. Bruciare olio o carbone è una pratica anche più antica. Da sempre si sfrutta il moto dei fiumi, ed anche il calore dal sottosuolo (con le terme). Ora i metodi sono più moderni, ma i concetti e le fonti sono sempre gli stessi. C’è solo una fonte che viene sfruttata da molto di recente, e precisamente dal 2 dicembre 1942: l’energia nucleare.

La centrale nucleare di Three Mile Island

Quel giorno, il fisico italiano Enrico Fermi in un laboratorio a Chicago diede inizio alla prima reazione nucleare a catena autosostenuta e controllata. Da allora, l’energia nucleare ha avuto due utilizzi: il primo, più triste, è quello bellico, ma di questo non parlerò, o almeno non nel dettaglio; il secondo è quello della produzione di elettricità. Da quel giorno del 1942, il nucleare cosiddetto “civile” è arrivato a produrre il 16% dell’energia elettrica mondiale, con punte del 30% di Paesi come Giappone e Germania, e di ben il 78% della Francia.

Eppure in Italia non abbiamo alcun reattore nucleare ad aiutarci nel nostro bilancio energetico: sono stati tutti spenti agli inizi degli anni ’90, in seguito alle decisioni del referendum del 1987. E dopo anni di status antinuclearista, la cosa ci è sempre parsa normale. Invece normale non lo è affatto, ed anzi la nostra situazione si avvicina di più ad un’anomalia che alla regola. Del resto, nel 1966 l’Italia era il terzo produttore mondiale di energia elettrica dal nucleare, dopo Stati Uniti e Gran Bretagna.

E allora perché siamo arrivati a privarci dell’energia nucleare? Perché Berlusconi vuole riportarlo? Perché il G8 ha prospettato la costruzione di ben mille centrali nucleari nel mondo nei prossimi decenni? Cosa sta succedendo alla centrale nucleare francese di Triscatin? Cos’è successo a Scanzano Jonico? E le scorie, quante sono e dove le mettiamo? A queste ed altre domande vorrei cercare di rispondere, nel tentativo di dare un quadro chiaro dell’argomento. Non si tratta di una questione facile da analizzare, perché nel tempo è stata soggetta ad una tale miriade di analisi che è facile perdercisi. Anche a livello politico la cosa non è semplice e rischia di sfociare in sterili polemiche.

Il funzionamento di una centrale nucleare ha quasi del fantascientifico: si tratta di spaccare i legami stessi della materia per ricavarne l’energia, tramite il procedimento di fissione atomica. Utilizzando materiali particolarmente adatti allo scopo (uranio, plutonio, torio) è possibile ricavare una quantità ingentissima di energia: la fissione di un grammo di uranio-235 (U235 o 235U, cioè uranio con 143 neutroni) produce 68 GJ (gigajoule) di energia, ben 1.62 milioni di volte più della combusione del petrolio. Sebbene l’uranio estratto naturalmente contiene solo lo 0.7% di 235U (ed il resto è 238U, non adatto all’uso nei reattori), e quindi tale valore scende a circa 11300 volte, si capisce comunque quanta più energia è possibile ricavare struttando la struttura stessa della materia…

Centrale di tipo PWR (da Wikipedia)

Centrale di tipo PWR (da Wikipedia)

La fissione nucleare avviene attraverso il bombardamento con neutroni degli atomi di 235U, che si spaccano in atomi di altri elementi, rilasciando energia ed altri neutroni in grado di spaccare altri atomi di uranio. L’energia rilasciata riscalda l’acqua (o altro fluido) all’interno del nocciolo, che può essere usata direttamente per alimentare una turbina (nei reattori BWR) o passando da uno scambiatore (reattori PWR). L’acqua, dopo essere passata come vapore nella turbina, viene raffreddata nelle “torri di raffreddamento”, quegli immensi coni ricurvi che sono un po’ il simbolo delle centrali nucleari, ma che invece sono comunemente usati anche nelle centrali termoelettriche (e rilasciano solo vapor acqueo, non gas inquinanti). Questo è il funzionamento di base dei reattori nucleari più comuni, ma in realtà esistono tantissime tipologie di reattori, molti dei quali ancora in studio e sviluppo (i cosiddetti reattori di IV generazione).

Questa è solo la prima parte di quanto vorrei scrivere sul nucleare. L’argomento è vasto e complesso, e merita attenzione, in virtù anche del probabile prossimo ritorno al nucleare dell’Italia. Questi sono i precedenti articoli che ho scritto riguardo la questione energetica: