Energia nucleare: che cos’è

di Angelo Tartaglia, da ECOR Network

L’energia associata ad un dato sistema fisico dipende dall’intensità delle forze attraverso cui interagiscono le diverse componenti del sistema. Ragionando in termini di interazioni fondamentali le forze in questione si riducono a quattro: la forza di gravita, la “forza debole”, la forza elettromagnetica, la “forza forte”. L’elenco che ho fatto e in ordine di intensità e va detto che le forze“debole” e “forte” sono rilevanti essenzialmente alla scala nucleare e sub-nucleare e la prima si può accorpare all’elettromagnetismo in quella che si chiama interazione elettrodebole. In concreto, se consideriamo un certo volume di materia, presente sotto forma di molecole, atomi e, al loro interno, nuclei atomici, il contenuto energetico associabile ai nuclei e enormemente maggiore di quello associato alle altre interazioni (1038 volte quello gravitazionale). Bisogna aggiungere, però, che il raggio d’azione di queste forze fondamentali è molto diverso: infinito (l’interazione diviene sempre più debole con la distanza ma si azzera solo all’infinito) nel caso della gravità e dell’elettromagnetismo, dell’ordine della dimensione dei nuclei nel caso delle altre due. Per quanto può interessarci qui, è il caso di rilevare che il raggio di azione della forza “forte e talmente piccolo da risultare, nel caso di un nucleo abbastanza grande (cioè, composto da un buon numero di particelle), persino più breve delle dimensioni del nucleo stesso. Aggiungiamo che alcune delle particelle del nucleo (i protoni) sono elettricamente cariche e con cariche dello stesso segno, il che dà luogo ad una violenta repulsione. La repulsione è per lo più sopraffatta dall’attrazione ancora più intensa dovuta alla forza forte, ma il conflitto tra i due effetti, unito alle peculiarità della meccanica quantistica (semplificando al massimo, e ancor di più, la descrizione), tende a generare due tipi di instabilità.

Uno può riguardare tutti i nuclei composti da tre particelle in su ed è quello che possiamo chiamare radioattività: consiste in un riassestamento del nucleo con emissione dell’energia in eccesso sotto forma di radiazione (raggi γ) e/o di particelle che, quando sono cariche, comportano anche un cambio di specie atomica. L’altro si manifesta in nuclei molto pesanti, composti da più di 230 particelle (92 protoni e 148 neutroni nel caso del più famoso uranio 235, U235) ed è la propensione ad “esplodere” spaccandosi in due nuclei più leggeri più qualche neutrone. Quest’ultima è quella che si chiama fissione e i nuclei che possono subirla si dicono fissili. Nel caso della fissione l’energia iniziale del nucleo si converte parzialmente in energia cinetica delle “schegge”, che sono poi, per loro conto, radioattive. Questa ipersintetica e schematicissima descrizione farà inorridire gli esperti, ma e quanto basta per le finalità di questo scritto.

I reattori nucleari

Continuando in questa brevissima esposizione, preliminare al tema vero e proprio, è il caso di parlare, sempre in maniera iper-schematica, dei reattori nucleari. Un reattore è, per così dire, una macchina che, sfruttando la fissione del nucleo, converte l’energia liberata in una forma idonea per i nostri usi: in altre parole, in energia elettrica. All’interno del nocciolo del reattore ci sono delle barre contenenti l’uranio 235 insieme al più abbondante uranio 238 (il primo è qualche percento del totale, tipicamente dell’ordine del 3÷5%, comunque meno del 20%) 1. Ripartendo dalle “schegge” menzionate più su (cioé i prodotti della fissione) consideriamo che queste schizzano via a grande velocita e urtano i nuclei del mezzo circostante. Ad ogni urto parte dell’energia cinetica del proiettile in arrivo viene trasferita al bersaglio occasionale: il primo rallenta e il secondo rincula più o meno violentemente e poi a sua volta urterà altri nuclei disperdendo tutto intorno l’energia iniziale. Vedendo la cosa a scala macroscopica possiamo dire che l’energia della fissione viene convertita, nel mezzo, in calore. Da qui in avanti la logica è la stessa che nelle centrali termiche: il calore viene prelevato da un qualche fluido refrigerante e, magari attraverso un cambio di stato (banalmente, con l’acqua, si passa al vapore) si arriva ad azionare una turbina che convertirà ulteriormente l’energia in entrata in elettricità che verrà portata all’esterno verso gli utenti tramite una rete di distribuzione.

In concreto le tipologie di reattori costruiti o anche solo sperimentati o qualche volta, per ora, solo progettati, sono estremamente varie ma alla fin fine il principio e più o meno quello descritto. Diciamo che, come centrale termoelettrica, un reattore (non importa di che tipo), non è particolarmente efficiente. Del calore sviluppato nel nocciolo (lì dove avviene la fissione) circa il 30% viene convertito in energia elettrica; il restante 70% deve essere smaltito nell’ambiente circostante: nell’atmosfera attraverso le grandi torri di raffreddamento, e nei corpi idrici come fiumi e mare. L’efficienza di molte centrali termoelettriche tradizionali è migliore di così. Parlando di efficienza è il caso di ricordare che essa entra in gioco anche riguardo al processo di fissione. L’evento iniziale, per verificarsi, ha bisogno di una sorta di stimolo appropriato. Bisogna dare un colpetto al nucleo di U235 dopo di che questo, come un petardo carico, “scoppia”. Il colpetto glielo può dare un neutrone non troppo veloce. D’altra parte, come ho accennato, quando si verifica un evento di fissione, oltre alle due “schegge” maggiori si liberano anche due o tre neutroni veloci. Se ciascuno di questi trovasse sulla sua strada un nucleo di U235 si darebbe luogo ad un processo esplosivo: la bomba atomica, appunto.

Nel nocciolo del reattore, però, i nuclei di U235 sono frammisti a quelli del ben più abbondante U238 (più del 90%) nonché da nuclei di altri elementi inseriti per rallentare o assorbire i neutroni. Il tutto e appositamente realizzato in modo che dei neutroni mediamente liberati da un evento di fissione la parte maggiore venga assorbita dai materiali circostanti e solo uno sopravviva, dopo essere stato alquanto rallentato da una serie di urti elastici, fino ad incontrare un altro nucleo di U235 e a indurre una nuova fissione. In questo modo si realizza la reazione a catena, cioè un processo che si sviluppa a ritmo sostanzialmente costante fin tanto che e assicurata la sopravvivenza di un neutrone per ogni fissione e naturalmente finché ci sono in giro dei nuclei fissili. Il punto è che, col procedere delle fissioni, si accumulano nella barra iniziale anche i prodotti della fissione i quali, oltre ad essere, come già detto, radioattivi sono anche degli ottimi assorbitori di neutroni di modo che, a un certo punto, la catena delle fissioni viene meno perché, diciamo così, la barra viene “avvelenata” dai prodotti della fissione. A quel punto la barra è esausta e deve essere estratta e sostituita. Quando ciò avviene, però, essa contiene ancora una grande quantità di materiale fissile, dell’ordine del 90% di quanto ce n’era all’inizio. Insomma, anche da questo punto di vista si può dire che il rendimento di tutto il processo e piuttosto scadente.

L’energia nucleare da fissione non è “pulita”

Nella rappresentazione mitica e propagandistica che viene così spesso proposta e che viene prontamente assorbita dalla politica e dai maggiori portatori di interessi a breve termine, l’energia nucleare viene presentata come “pulita” in quanto, non essendo il processo base una combustione, non ci sono emissioni climalteranti. E un po’ come dire che l’amianto e pulito perché non produce effetto serra.
In realtà, anche riguardo al contributo all’effetto serra la valutazione va fatta considerando l’intero ciclo di vita di una centrale: dall’estrazione delle materie prime e dell’uranio nelle miniere, alla dismissione finale dell’impianto a fine vita (quando l’intensa radioattività e le alte temperature all’interno hanno ormai resa insicura la struttura). A parte questo, comunque, il punto cruciale è la presenza delle scorie, cioè delle barre esauste che contengono un guazzabuglio di isotopi radioattivi diversi (i prodotti della fissione) e di materiale fissile residuo (U235) o generato dall’assorbimento di neutroni da parte dell’U238 il cui nucleo, dopo una breve sequenza di passaggi intermedi, si trasforma in plutonio 239 (Pu239) che è a sua volta fissile.

Le scorie, nel loro insieme, sono altamente radioattive e non ci si può far nulla salvo aspettare. La radioattività decade nel tempo e per ogni diverso isotopo c’e un tipico e caratteristico tempo di dimezzamento che è il tempo in capo al quale in media il numero di nuclei che debbono ancora decadere si riduce alla metà: per il Pu239 è 24.000 anni; per il cesio 137, 30 anni; per lo iodio 131, 8 giorni; e così via.

Prendendo la miscela nel suo insieme il tempo che bisogna aspettare per poterla considerare praticamente non più pericolosa (non più della radioattività ambientale) e dell’ordine dei 100.000 (centomila) anni. Insomma, le scorie dei reattori dovrebbero essere messe da parte in depositi “definitivi” di cui si possa essere ragionevolmente certi che nelle prossime decine di migliaia di anni nessuno andrà a mettere il naso e non si infiltrerà l’acqua che poi scioglie e porta in giro le sostanze radioattive.

Se consideriamo che, guardando indietro, le prime città in Mesopotamia sono nate più o meno 6.000 anni fa; che l’umanità ha continuato a vivere in uno stato quasi permanente di guerra; che le guerre (come stiamo vedendo anche oggi) sono divenute sempre più devastanti; che ci sono in giro regimi di tutti i tipi, dittatori e governanti paranoidi; la pretesa di realizzare ora un deposito definitivo stagno ed inaccessibile per millenni è un tantino irresponsabile e azzardata. Sta di fatto che a oggi, dopo più di settant’anni dalla costruzione dei primi reattori, di depositi ufficialmente definitivi non ce n’e neppure uno in tutto il mondo 2.

Le scorie finora prodotte, anche in Italia, a parte quelle sparse nell’ambiente dai vari incidenti, sono immagazzinate temporaneamente presso le centrali che le hanno prodotte. Nella narrazione propagandistica si trova a volte l’affermazione secondo cui, nei reattori del futuro, le scorie verranno “bruciate” (terminologia comunque impropria in quanto non c’è nessuna combustione) bombardandole coi neutroni prodotti dallo stesso reattore. In effetti se si bombarda un nucleo radioattivo con delle particelle nucleari (in questo caso neutroni) si può dare avvio ad una serie di trasmutazioni verso altri isotopi sempre radioattivi che potrebbero avere tempi di dimezzamento più brevi di quello iniziale: nell’immediato la radioattività aumenterebbe, ma poi durerebbe di meno. In questo modo, sfoderando il massimo dell’ottimismo senza riscontri specifici, si potrebbe pensare di far passare la scala dei tempi dai millenni ai secoli. Non mi pare che il problema dell’ipoteca lasciata alle generazioni future cambi di molto

L’energia da fissione non è “praticamente illimitata”

Tra le connotazioni mitiche che i propugnatori del nucleare futuro gli attribuiscono, a volte vi è quella di essere una fonte di energia praticamente illimitata. In generale in un ambiente finito (il nostro pianeta) nulla può essere illimitato, ma, nel caso specifico, le stime relative alle riserve di uranio realmente accessibili mostrano che, se si pretendesse di generalizzare l’uso dell’energia nucleare per far fronte agli attuali consumi di energia dell’umanità, la durata delle riserve sarebbe dello stesso ordine di grandezza di quella del petrolio, cioè si misurerebbe in decenni (lasciando un’eredità negativa per millenni) 3. Spesso il problema viene posto non in termini di variabili fisiche (quante tonnellate, in quali concentrazioni) ma di prezzo: quando il prezzo sale, depositi inizialmente non convenienti divengono sfruttabili e, nel caso dell’uranio, si può pensare ad esempio di estrarlo dalle acque degli oceani in cui è presente con una concentrazione dell’ordine di 3,3 microgrammi (milionesimi di grammo) per litro.

Insomma, le riserve sfruttabili di uranio crescono, così come quelle di petrolio o di altri combustibili fossili, al crescere del prezzo del medesimo pur senza diventare mai “praticamente illimitate”. Allo stesso tempo, quanto più una risorsa diviene scarsa e difficile da recuperare tanto più il suo prezzo sale. La menzione del prezzo permette di osservare che, comunque, si tratta di una variabile basata su convenzioni umane (la stessa cosa può avere un prezzo maggiore o minore in relazione alla domanda sul mercato) laddove la natura usa variabili che convenzionali non lo sono affatto (quali che siano le scelte, queste si, convenzionali, delle unità di misura), insensibili a speculazioni e dinamiche di mercato.

Economicità del nucleare

Una componente rilevante fra i criteri che presiedono alle scelte nel settore energetico è certamente quella del prezzo finale del kWh messo sul mercato. Nella narrazione vigente fino a qualche tempo fa, ad esempio, era spesso citato il basso costo dell’energia elettrica di origine nucleare sul mercato francese, costo che consentiva non solo di soddisfare in maniera conveniente la domanda interna (anzi, di stimolarne la crescita), ma anche di vendere kWh a prezzi competitivi e remunerativi ad altri paesi, Italia inclusa. Per di più si trattava di prezzi molto stabili a fronte di una produzione altrettanto stabile.

L’uso del passato è doveroso, dal momento che la situazione si è progressivamente modificata e la Francia si e trovata ad importare energia elettrica dai paesi limitrofi nell’estate del 2022 perché alcuni dei suoi reattori dovettero essere spenti a causa della siccità che non consentiva di assicurare l’indispensabile raffreddamento dei noccioli. Aggiungiamo che le centrali cominciano ad essere, quale più quale meno, piuttosto vicine alla loro data di dismissione. Un impianto nucleare in effetti è caratterizzato da una vita utile che non può essere indefinitamente prolungata; non basta infatti appoggiarsi ad una buona manutenzione: l’intensa radioattività nel nocciolo, unita con le alte temperature, determina un progressivo indebolimento della struttura che diviene sempre meno affidabile. La vita utile di progetto dei primi reattori era valutata in una trentina d’anni, passati poi, col migliorare delle tecnologie, ad una quarantina e, al giorno d’oggi, in qualche caso prolungata in corso d’opera (con però un aumento dei costi di gestione) fin verso una sessantina.

Non si può però in alcun caso pensare di andare avanti a tempo indeterminato; già i 60 anni sono un po’ stiracchiati, dopodiché la centrale deve essere spenta, ma non basta: una volta spenta le sue strutture, tutte radioattive, dovrebbero essere smantellate e trasferite, insieme alle scorie prodotte durante il funzionamento, in qualche deposito con le caratteristiche già descritte (anche se in questo caso i tempi sarebbero verosimilmente misurati “solo” in secoli). E questo il cosiddetto decommissioning. Orbene, le centrali francesi sono, in un buon numero, ormai prossime alla dismissione per motivi di sicurezza e alcune sono già spente. Il fatto è che lo smantellamento di una centrale a fine vita e tutt’altro che semplice ed e un’operazione estremamente costosa. Al riguardo, una viva preoccupazione e stata espressa dalla Corte dei Conti (Cour des comptes) francese che ha criticato l’approccio al modo con cui i costi sono stati stimati dalle societa Edf (Electricite de France) e Orano (ex Areva). In teoria i costi dell’inevitabile smantellamento dovrebbero essere previsti già al momento dell’avvio delle attività di una centrale per essere inclusi nel prezzo di vendita del kWh e dar luogo ad un accantonamento da utilizzare a tempo debito. In pratica le valutazioni preventive sono in generale iperottimiste, tanto più che non esiste una metodologia standard per il decommissioning: ogni centrale fa storia a sé.

Aggiungo che gli accantonamenti di denaro su lunghi periodi passano attraverso i circuiti finanziari nei quali accade di tutto e di più, visto appunto che il denaro è una convenzione umana, non una grandezza fisica. La sostanza finale è che lo stato francese che possiede al 100% Edf, che a sua volta controlla Areva divenuta Orano e altre cose, vede a corto termine l’esigenza di farsi carico dell’ingentissimo costo dello smantellamento delle vecchie centrali; di qui la spinta compulsiva a promuovere ulteriore nucleare nel mondo (per fare affari) e per realizzarne di nuovo in Francia, contando di poter cosi quadrare (o quanto meno non dissestare troppo) i bilanci. Di certo il prezzo praticato in passato non ha incluso i reali costi del decommissioning e men che meno del trattamento e della collocazione delle scorie. Le considerazioni fatte per il caso francese valgono in generale e oggi, aggiungendo requisiti sempre più stringenti per quanto riguarda la sicurezza, il prezzo del kWh nucleare non e migliore di quello del kWh solare e nemmeno eolico, anche lasciando sullo sfondo scorie e decommissioning.

Evidenziando la parte relativa alle spese per la realizzazione di una nuova centrale, i dati relativi a due reattori recenti come quello di Olkiluoto 3 in Finlandia e quello di Flamanville 3 in Francia, i costi dichiarati a preventivo si sono più che triplicati. Olkiluoto 3 doveva costare 3,2 miliardi di € ma a consuntivo si sono superati gli 11 miliardi e il tempo di costruzione che doveva essere di 4 anni, cominciando nel 2005, è arrivato a 17 anni: il reattore è entrato in funzione nel marzo del 2022.

Il terzo reattore della centrale di Flamanville, iniziato nel 2007, doveva entrare in funzione nel 2012 ma e ancora in corso di costruzione oggi (ufficialmente sarà attivato nel 2024); il costo stimato all’inizio era di 3,4 miliardi di €, rivalutati già nel 2010 a 5 miliardi di €, ma a fine 2019 la Corte dei Conti francese rilevava che la spesa era già arrivata a 19,1 miliardi, e la storia non è finita.

(1. Continua)

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Note:

1) In natura l’U235 è lo 0,7% del minerale uranifero per cui per arrivare alle percentuali utili per i reattori (o per le bombe) occorre procedere artificialmente all’arricchimento.

2) Per la verità uno e ufficialmente entrato in funzione nell’agosto del 2023 a Onkalo in Finlandia e un altro e ipotizzato, per essere attivato dal 2040 in poi, a Bure nella Francia nordorientale. Il deposito di Schacht Asse II, aperto in Germania a titolo sperimentale a partire dal 1965 e stato un fallimento con fughe di sostanze radioattive nell’area circostante, tanto da indurre le autorità a bloccarne l’uso a partire dal 1995 e prevedere una complicatissima operazione di recupero di quanto già immagazzinato al suo interno.
Operazione che concretamente comincerà non prima del 2030 al costo di svariati miliardi di €.

3) Secondo un rapporto congiuntamente prodotto dalla Nuclear Energy Agency (NEA) e dalla International Atomic Energy Agency (IAEA), intitolato “Uranium 2022 Resources, Production and Demand” le risorse di uranio nel mondo, alle condizioni di sfruttamento del 2021, risultavano essere pari all’incirca a 8 milioni di tonnellate. La quantità annualmente consumata dagli attuali 423 reattori nucleari attivi nel mondo si aggira intorno alle 60.000 tonnellate, da cui si desumono le durate riportate nel testo.
Considerando che le centrali nucleari, al momento, contribuiscono al consumo di energia primaria a scala mondiale per all’incirca un 4%, nel caso la loro importanza dovesse crescere la durata delle riserve, a parità di condizioni economiche si ridurrebbe ulteriormente. 

Immagini:

TVA nuclear plant, by Tennessee Valley Authority. Licenza CC BY 2.0.
Pickering Nuclear Plant, by ilker from Toronto, Canada. Wikimedia Commons.Licenza CC BY 2.0.
Nuclear Plant Security – Radiation Protection Sign, by NRCgov. Licenza CC BY 2.0.
Nuclear Plant in the UK, by keithusc. Licenza CC BY-SA 2.0.
Central Nuclear Trillo by rodrigomezs. Licenza CC BY 2.0.

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QUADERNI DELLA DECRESCITA
Periodico di ecologia, società e politica
Anno 0 n° 0/2 – Gennaio/Aprile 2024, pp. 408.

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