mercoledì 6 aprile 2011

Come funziona una centrale nucleare?

Le centrali elettronucleari basano il processo di funzionamento sul decadimento del nucleo di atomi pesanti che vengono così frammentati con conseguente emissione di energia. Il processo si chiama fissione. Essa si svolge in questo modo: un neutrone ( particella priva di carica elettrica) colpisce il nucleo dell'atomo fissile con una certa velocità ( ad esempio uranio-235) e lo spacca in due frammenti, lasciando liberi altri due o tre neutroni. La somma delle masse dei due frammenti e dei neutroni emessi è leggermente minore della somma del nucleo e del neutrone usati per la fissione: la massa mancante si è trasformata in energia secondo la seguente equazione


ove con M viene indicata la massa, con c la velocità della luce nel vuoto e con E l'energia prodotta.
La percentuale di massa convertita in energia è di circa 1 g per kg di materiale fissile.
Se in prossimità della fissione si trovano altri nuclei fissili, in quantità sufficiente e in configurazione geometrica adatta (massa critica), essi verranno colpiti, a loro volta, dai neutroni liberati dalla fissione innescando così una reazione a catena.
Gli atomi con elevato numero di massa hanno anche un numero di neutroni elevato e pertanto anche i frammenti prodotti dalla fissione avranno un numero di neutroni elevato.Tali isotopi per diventare stabili devono dunque presentare un decadimento beta più volte.
Il decadimento β è uno dei processi per cui nuclei instabili, e quindi radioattivi, si trasformano in altri che possono, a loro volta, essere radioattivi e continuare a decadere, oppure raggiungere la stabilità.
Il decadimento beta avviene pertanto con modifica dei nuclei degli atomi trasformando un elemento in un altro con conseguente emissione di altre particelle subatomiche secondo il principio di conservazione della massa/ energia ( e cioè secondo l'equazione vista prima).
Il tempo di decadimento di tali elementi dipende dal tipo di nucleo prodotto e può variare da pochi millisecondi fino a decine di anni. Inoltre le reazioni di fissione dell' 235U che avvengono nei reattori nucleari avvengono in presenza di un gran numero di nuclei di 238U, questi assorbono parte dei neutroni prodotti trasformandosi in 239U (reazione di fertilizzazione) il quale in tempi rapidi decade due volte beta diventando plutonio 239 il quale ha un tempo di decadimento molto più lungo (si dimezza in 24000 anni). Per cui le reazioni di fissione producono molte sostanze radioattive estremamente nocive, ma mentre le scorie che provengono dai prodotti di fissione decadono in poche decadi, il plutonio resta radioattivo per un tempo che in termini umani è praticamente eterno.
Il decadimento radioattivo produce energia attraverso l'emissione di raggi beta (decadimento beta) e quindi di calore dovuto all'eccitazione degli atomi, e per questo è importante raffreddare le barre di combustibile nucleare dopo lo spegnimento di un reattore o quando diventano non più utilizzabili per produrre energia.
Una centrale elettronucleare funziona in maniera simile ad una centrale termoelettrica, cioè si serve di un ciclo a vapore per poter trasformare lavoro meccanico in energia elettrica, ciò che cambia è la modalità di produzione di tale vapore.
Mentre in una centrale termoelettrica il riscaldamento del vapore avviene per combustione di olio combustibile ( petrolio), gas o carbone in una caldaia, in una centrale termonucleare il calore necessario all'attuazione del ciclo a vapore è generato dalla fissione nucleare nel nocciolo.
Il vapore ad alta pressione che viene prodotto passa in una turbina ove rilascia l'energia acquisita nel riscaldamento e nella compressione sotto forma di energia meccanica che viene convogliata ad un'alternatore e da questo trasformata in energia elettrica.

Centrale elettronucleare

Centrale termoelettrica



Mentre in una centrale termoelettrica i residui della produzione di energia sono costituiti da acqua che viene raffreddata per tornare in circolo e i fumi della combustione con l'emissione dei cosiddetti gas serra (principalmente anidride carbonica), in una centrale elettronucleare si ha la produzione di scorie radioattive.
Si tratta di vari elementi radioattivi leggeri (i prodotti di fissione) e di combustibile esaurito costituito da uranio impoverito, plutonio (tra le sue maggiori applicazioni c'è la fabbricazione di armi nucleari) ed altri radioelementi attinoidi pesanti ( elementi con numero atomico compreso tra 89 e 103) che vengono estratti dal reattore. Questo materiale, emettendo delle radiazioni penetranti, è molto radiotossico e richiede dunque severe precauzioni nel trattamento e nello smaltimento. Ad oggi applicazioni pratiche di soluzioni realmente definitive non sono ancora state realizzate e collaudate dal tempo.
Il plutonio, pur essendo radiotossico, può, insieme all'uranio 235 e 238, essere recuperato ( non necessariamente, però) separando tali elementi dai prodotti di fissione attraverso un procedimento che si chiama riprocessamento o ritrattamento. Tale operazione, molto costosa e non priva di rischi, produce nuovi elementi fertili e fissili ma anche delle scorie inutilizzabili ed estremamente pericolose.
Inoltre, come l'intera centrale, anche gli impianti di ritrattamento sono soggetti a rischio di incidente nucleare poichè opera su elementi altamente radioattivi.  




Fonti: http://it.wikipedia.org/ ,
 "Appunti di macchine" del professor Molinari ( docente di Macchine alla facoltà di Ingegneria delll'università La Sapienza di Roma),
 www.rosarioberardi.it/sitoberardi/eperenergia/energia,

2 commenti:

  1. E qui scopro che i cari vecchi "attinidi" dei tempi della scuola ora sono chiamati "attinoidi"! Anche il mio vocabolario è desueto...
    Comunque qui in Italia facciamo fatica persino a gestire una caldaia a gas; a chi è venuto in mente di farci maneggiare una centrale atomica?

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  2. Non ne ho idea! Forse a tutte le aziende che, premendo su un Governo che pensa che il nucleare provenga dalla "scomposizione delle cellule" (vorrei sapere quali!!!!),hanno tutto l'interesse a costruire le centrali! E magari a vendere il plutonio prodotto come scoria per scopi militari!Se ti va e se non l'hai già fatto, vai sul sito del Forum Nucleare Italiano, guarda tra i soci fondatori: potresti avere delle sorprese!!
    Anch'io ho studiato gli attinidi, ma a quanto pare nei 10 anni della mia lontananza dalla chimica si è rivoluzionata anche la tavola periodica!!!

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