Mod.1 - Il sistema dell`Energia: fonti rinnovabili

Fonti energetiche non rinnovabili
Il nucleare
Caratteristiche
In natura l'uranio non si trova allo stato libero ma solo sotto forma
di ossido o sale complesso in minerali come la pechblenda e la
carnotite.
L'uranio si presenta come un metallo bianco-argenteo, lievemente
radioattivo e di poco più tenero dell'acciaio. È malleabile, duttile
e debolmente paramagnetico.
L'uranio naturale è composto da una miscela di tre isotopi
radioattivi, 234U, 235U, e 238U, di cui 238U è il più abbondante
(99,3%), mentre il 234U costituisce una percentuale trascurabile
del totale.
La fonte energetica primaria, nel ciclo della tecnologia nucleare è
ricavata, allo stato attuale, dall'isotopo 235U il quale deve prima
subire un processo di arricchimento (aumento della sua
concentrazione a valori superiori al 3%) perchè sia adatto a
scopi nucleari.
L'uranio che si trova in natura è infatti composto per il 99,3% di
238U, e per lo 0,7% da 235U.
Distribuzione dei giacimenti
Distribuzione dei giacimenti
Secondo la AIEA (agenzia
internazionale energia
atomica) le riserve di uranio
sono di circa 4,7 milioni di
tonnellate ripartite come
mostrato nella tabella.
L'italia ha giacimenti per 6.100
tonnellate, sufficienti ad
alimentare per 30 anni una
sola centrale EPR (nuovo
reattore nucleare europeo ad
acqua pressurizzata).
Australia
1.143.000,00
T
24,3%
Kazakhstan
816.099,00
T
17,4%
Canada
443.800,00
T
9,4%
USA
342.000,00
T
7,3%
South Africa
340.596,00
T
7,2%
Namibia
282.359,00
T
6,0%
Brazil
278.700,00
T
5,9%
Niger
225.459,00
T
4,8%
Russia
172.402,00
T
3,7%
Uzbekistan
115.526,00
T
2,5%
Altri
540.059,00
T
11,5%
4.700.000,00
T
TOTALE
La reazione a catena
Una minima quantità di 235U consente di produrre un'elevata
quantità energia, e a differenza del carbone o del petrolio,
senza emissioni di anidride carbonica (principale causa
dell'effetto serra).
Questo dato spesso lascia ad intendere che i sistemi ad energia
nucleare siano ad altissima densità energetica, ma è utile
sapere che un grammo di 235U si ricava, mediamente, da 7
tonnellate di minerale lavorato in miniera (costi di estrazione
elevati).
Nelle centrali nucleari l'Energia scaturisce dal processo di
"Fissione Nucleare" che consiste nel bombardamento
dell'uranio con neutroni. Il nucleo dell'uranio si divide in due
nuclei più piccoli generando energia e altri neutroni che, a loro
volta, continueranno a far dividere altri nuclei di uranio dando
luogo alla famosa "reazione a catena nucleare".
La reazione a catena
La centrale nucleare
Nel reattore delle centrali nucleari si ottiene calore mediante la
fissione controllata di atomi di uranio.
Per il resto, la produzione energetica di una centrale nucleare è
identica a quella di una centrale termica a combustibili fossili.
Nel nocciolo avvengono le reazioni a catena, che riscaldano a
temperature anche notevoli gli elementi di
combustibile, (l'uranio) che è impilato in cilindri molto lunghi e
stretti (barre di combustibile).
Questi sono lambiti dall'acqua di raffreddamento del circuito
primario, che raffreddandoli asporta il calore e si riscalda.
L'acqua si trova a circa 300-330°, non evapora perché viene
tenuta a una pressione di circa 155 bar (155 volte la pressione
atmosferica).
La centrale nucleare
Proseguendo nel suo cammino l'acqua scambia calore con altra
acqua in un secondo circuito, a una pressione inferiore. Il
vapore, che in questo circuito si produce ad una pressione di
circa 55 bar e ad una temperatura di circa 280°, investe una
turbina, collegata a un alternatore che genera energia elettrica.
Il vapore a bassa pressione (55 bar) in uscita dalla turbina viene
raffreddato da acqua che scorre in un terzo circuito che viene
poi alla fine raffreddato ad aria in torri di raffreddamento.
Se la centrale si trova nelle vicinanze di un fiume l'acqua del
circuito di condensazione (il terzo) che non ha avuto contatto
con zone contaminate viene scaricata nel fiume, ovviamente
questo deve avvenire con portate e temperature tali da non
influire sull'ecosistema.
La centrale nucleare
Nocciolo
L'interno del nocciolo, schematicamente, è
mostrato nell'immagine affianco. 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).
Dentro questo nocciolo viene realizzata la
reazione nucleare a catena controllata che
produce l'energia che ci interessa.
La peculiarità di questo fornello, rispetto agli altri
delle centrali termiche, 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.
Vari tipi di centrali nucleari
Le centrali più diffuse sono quelle ad acqua leggera (Light Water
Reactor, LWR) che sono di due tipi:
1. quelle ad acqua in pressione (PWR, brevetto Westinghouse)
2. 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).
I reattori nucleari nel mondo (2005)
I reattori nucleari in Europa (2005)
Chi produce l'energia nucleare?
Sono circa 438 i reattori nucleari attivi nel mondo.
I paesi che soddisfano il proprio fabbisogno energetico interno in misura
maggiore tramite l'energia nucleare sono i seguenti:
– Francia(59 reattori): 76% fabbisogno energetico interno
– Paesi dell'Europa dell'Est: 40-50%
– USA (104 reattori): 20%
Complessivamente, le centrali nucleari nel mondo hanno una potenza di
352 gigawatt, pari al 16% della potenza globale d'energia installata.
Un dato consistente ma ben lontano dai 1.000 gigawatt stimato negli anni
'70 per i nostri anni. L'incidente di Chernobyl negli anni '80 frenò
l'ottimismo verso l'energia nucleare per la consapevolezza delle gravi
conseguenze in caso di incidente.
L'Europa soddisfa mediamente il 35% del proprio fabbisogno energetico
interno tramite l'uso di centrali nucleari ma sul dato pesano fortemente
i reattori nucleari Francesi.