di Dr. José Proal
A fine Aprile del 1986 scattarono gli allarmi di sicurezza in vari paesi europei a causa dei livelli crescenti di radioattività rilevata nei territori. Qualche giorno prima, il 26 aprile, nell’allora Unione Sovietica, si era verificato un disastro nucleare nella centrale di Chernobyl. La gravità del fatto aprì nuovamente il dibattito sull’energia nucleare nel mondo intero, affrontando le posizioni dei governi così come le posizioni contrastanti all’interno della comunità scientifica internazionale riguardo il futuro dell’energia nucleare.
Purtroppo, il caso Chernobyl non è l’unico precedente di questo tipo che mette in pericolo il futuro dell’umanità Gli incidenti avvenuti negli impianti nucleari di Tres Millas negli Stati Uniti e a Fukushima, Giappone ci ricordano che la cosiddetta “Tecnologia di Punta”, per quanto riguarda la progettazione, istallazione, funzionamento e mantenimento delle centrali nucleari, e poi anche lo smaltimento dei rifiuti nucleari, è molto lontana dal garantire la sicurezza per l’uomo e l’ambiente.
Ciò che più preoccupa è l'impotenza umana nel controllare definitivamente il fantasma della radiazione nucleare. A 30 anni dalla catastrofe di Chernobyl, e a solo 5 dalla tragedia di Fukushima, entrambi classificati con un livello di allerta 7 (il punto più alto della Scala Internazionale di Incidenti Nucleari), siamo ben lontani dal poter dire che il pericolo in queste centrali è finito. I reattori di Chernobyl e di Fukushima sono ancora instabili. Primo perché, sotto il sarcofago di contenimento, la radiazione continua ancora oggi a causa della reazione nucleare ancora in atto. Secondo per la fragilità della sua struttura e l'attività sismica piuttosto rilevante in quelle latitudini. A questo si aggiunge il colossale inquinamento rilevato nel mare che lo circonda e che compromette la sicurezza stessa della popolazione che abita sulle coste e grava ulteriormente sul già elevato costo ambientale che nessuna economia è in grado di saldare.
Come viene generata l’energia nucleare?
L’energia nucleare si ottiene, a partire da due procedimenti opposti: La fissione nucleare, che avviene quando il nucleo di un atomo si divide per reazione al bombardamento di neutroni, sprigionando una grande quantità di energia; la fusione nucleare invece è il processo per cui due nuclei atomici piccoli si uniscono per formare un atomo più grande. Nella fissione i reattori nucleari generano energia bombardando con neutroni l’atomo di Uranio 235, provocando una reazione a catena. Quando un neutrone di energia cinetica termica, impatta su un nucleo di Uranio 235, si forma l’Uranio 236, che è un altro isotopo dell’elemento Uranio. Il nucleo di Uranio 236 originato da questo meccanismo è molto instabile e quindi si divide quasi istantaneamente in due frammenti di massa approssimativamente uguale alla metà di quella originale, liberando a sua volta da uno a tre neutroni con energie cinetiche, vicine ai 2 Mega e V (1 Mega e V equivale ad un milione di eV), che emette principalmente radiazione alfa (nuclei di Helio-4), radiazione beta (elettroni e postroni) e radiazione gamma (radiazione elettromagnetica di origine nucleare), avente diverse energie cinetiche, cosi come neutrini, liberando in media un’energia vicina ai 200 Mega eV per ogni nucleo fissionato o diviso. Il processo avviene per una reazione a catena, poiché i neutroni liberati in questo modo producono, a loro volta, altre reazioni di fissione nucleare con la conseguente emissione di più neutroni, e così successivamente (1).
Esistono diversi elementi atomici i cui nuclei possono essere utilizzati nei processi di fissione nucleare: Uranio 235, Uranio 236, Uranio 238, Plutonio 239, Plutonio 241 e Torio 232. Per avere un’idea approssimativa della capacità energetica che viene liberata dal processo di fissione nucleare, possiamo comparare l’energia che libera approssimativamente 1cm³ di combustibile nucleare, equivalente all’energia ottenuta da 480 m³ di gas naturale o 565 litri di petrolio, oppure 810 kg. di carbone.
La fusione nucleare è, in principio, il processo inverso della fissione nucleare, in quest’ultimo due nuclei atomici piccoli si fondono in uno più pesante, liberando anche in questo caso un’enorme quantità di energia. Nell’universo ci sono molti esempi di reazione di fusione nucleare. Il più noto a noi è la reazione termonucleare che si produce nel sole, dove due nuclei atomici di idrogeno si fondono per produrre elio, liberando un’enorme quantità di energia e permettendogli di rimanere accesso per molte migliaia di milioni di anni. Tuttavia, la temperatura interna del sole è superiore a 11 milioni di gradi centigradi e la pressione al suo interno è enorme, dovuto alla propria naturale gravità. È chiaro che non possono essere riprodotte sulla Terra quelle condizioni solari di temperatura e pressione e, quindi, le sfide dello sviluppo tecnologico per lo sfruttamento dell’energia mediante processi di fusione nucleare non sono ancora conclusi. Sono state portate avanti comunque delle proposte scientifiche e tecnologiche come il Tokamak, per raggiungere le condizioni di temperatura e pressione necessarie per ottenere un bilancio positivo di energia a partire della fusione di isotopi dell’idrogeno, noto come confinamento magnetico, poiché la pressione necessaria si ottiene mediante intensi campi magnetici. Ci sono altre nuove proposte sperimentali come il progetto ITER, attualmente in costruzione a Cadarache-Francia, e che entrerà in funzione nel 2018 (2).
Come funziona un reattore nucleoelettrico?
Dagli inizi del secondo decennio di questo secolo, l’energia elettrica prodotta dai reattori nucleari equivale approssimativamente ad un 16% di tutta l’elettricità prodotto a livello mondiale. La Francia è il paese che produce la maggior percentuale del proprio fabbisogno di energia elettrica, a partire dall’energia nucleare e Cina è il paese con il maggior numero di reattori nucleari in fase di costruzione.
Il principio di funzionamento dei reattori nucleari operativi si basa sulla fissione nucleare controllata: un neutrone colpisce un atomo pesante e lo scinde in due nuovi atomi liberando energia; circa 200 Mega eV per ogni fissione oltre alla liberazione di 2 - 3 neutroni che, a loro volta, generano una reazione a catena.
La maggior parte dei reattori nucleari oggi in funzione è classificata come reattori termici; questo perché l’energia dei neutroni che danno origine alla fissione è un’energia bassa che conosciamo come termica. I neutroni hanno in origine un’elevata energia, per cui è necessario usare un materiale detto moderatore capace di rallentarla. I neutroni sono privi di carica elettrica, quindi i principali reattori nucleari usano l’acqua a questo proposito; acqua leggera o naturale, come ad esempio i reattori di acqua in ebollizione BWR (dall’inglese Boiling Water Reactor) e i reattori di acqua pressurizzata PWR (dall’inglese Pressurized Water Reactor). Esiste anche un altro tipo di reattore che usa acqua pesante, in questo troviamo il deuterio invece dell’idrogeno nella molecola dell’acqua. Un reattore nucleare produce e controlla il rilascio di energia dalla fissione di atomi pesanti; gli elementi utilizzati nei reattori nucleari sono l’uranio ed il plutonio. Ogni atomo è formato, in modo naturale, da diversi isotopi e, nel caso dell’uranio, l’isotopo 235 rappresenta soltanto lo 0,711 % dell’atomo naturale. Per questo motivo il combustibile nucleare è costituito da pastiglie di ossido di uranio arricchito, un materiale dove la proporzione dell’isotopo 235 di uranio (U235) può raggiungere fino il 5 per cento (3).
In un reattore nucleare si produce energia elettrica allo stesso modo che in un impianto termoelettrico; la differenza è la fonte di calore. L’energia rilasciata dalla fissione continua degli atomi di combustibile, sottoforma di calore, è impiegata per produrre vapore. Nel caso di un reattore BWR, l’acqua circola lungo gli assemblaggi combustibili accumulando calore e le condizioni della pressione fa si che arrivi a ebollizione, generando vapore, il quale muove una turbina che produce elettricità.
Nel caso di un reattore PWR, il liquido che è in contatto con il combustibile nucleare non bolle, perché il calore sviluppato dalla reazione di fissione all'interno del reattore viene trasferito tramite un fluido refrigerante a un flusso di acqua che genera vapore. Il vapore alimenta una turbina che tramite un generatore produce la corrente che alimenterà la rete elettrica.
I componenti tipici comuni alla maggior parte dei reattori sono:
a) Elementi combustibili: Normalmente costituiti da pastiglie di diossido di uranio (UO2), disposte in appositi tubi metallici che costituiscono le barre di combustibile del reattore nucleare, i quali si presentano a sezione quadrata o esagonale.
b) Moderatore: Serve a rallentare l’energia cinetica dei neutroni rilasciati dalla fissione in modo che essi possano continuare la reazione a catena. É normalmente acqua ordinaria o leggera (in questo caso esso funziona anche da refrigerante), ma può essere anche acqua pesante (ricca in deuterio) o grafite;
c) Barre di controllo: Materiale che assorbe neutroni che hanno la capacità di controllare la velocità delle reazioni di fissione. Normalmente si utilizzano composti di cadmio, afnio o boro. In aggiunta esiste un sistema secondario che in caso necessario si inietta nel sistema di raffreddamento del reattore per arrestare la reazione a catena
d) Refrigerante: Liquido o gas che circola nel nocciolo del reattore per raffreddarlo dal calore creato dalla fissione. Nei reattori di acqua leggera il refrigerante agisce anche come moderatore.
e) Recipiente in pressione o tubi in pressione: Nei reattori di acqua leggera è un recipiente in acciaio che contiene il nucleo del reattore ed il moderatore. Nei reattori di acqua pesante è costituito da una serie di tubi di acciaio, che contengono i combustibili e dove circola il refrigerante.
f) Generatore a vapore: Parte del sistema di raffreddamento, ove il calore dal reattore viene utilizzato per produrre vapore per le turbine.
g) Contenitore esterno: Struttura che contiene all’interno il nocciolo del reattore, progettato per proteggerlo da qualsiasi incidente, e allo stesso tempo proteggere la popolazione dalla radiazione generata nel reattore. Consiste in una struttura di cemento armato e acciaio, generalmente, di 1 metro di spessore.
Il combustibile nucleare, come il suo nome indica, si consuma, e quindi, periodicamente, viene rimpiazzata una percentuale delle barre contenute nel reattore, generando così i rifiuti nucleari. Questi rifiuti contengono materiali radioattivi derivanti dal processo di fissione, e possono essere classificati in tre gruppi principali:
1) Combustibile originale non esausto: contiene praticamente l’intera quantità di U-238 (94 percento della massa iniziale del combustibile), e la frazione di U-235 non consumata (circa 0.8 percento).
2) Transuranici: principalmente plutonio ed actinidi minori come neptunio, americio e curio, che rappresentano approssimativamente l’1% dei rifiuti.
3) Prodotti propri della fissione: che rappresentano approssimativamente il 3% dei rifiuti.
Alcuni di questi materiali rimangono radioattivi per brevi periodi (qualche secondo), mentre altri hanno una vita medio lunga (diversi milioni di anni). Inizialmente, la maggiore quantità di radiazione è emessa dai prodotti di fissione di vita mezzo breve, come lo iodio (I-131), cerio, (Ce-141), e rutenio (Ru-106), con hanno una vita media da 1 a 15 anni. Nei successivi 200 anni la maggior parte della radiazione proviene dai prodotti di fissione di vita media tra 30 e 100 anni, come ad esempio lo stronzio (Sr-90), e il cesio (Cs-137). Oltrepassata la barriera dei 200 anni, la più alta radio tossicità dei rifiuti proviene dagli elementi transuranici (plutonio, netunio, americio e curio), che decadono prima dei 200 mila anni. Trascorso questo tempo i residui restanti hanno una scarsa attività radioattiva poiché la loro vita media è eccessivamente lunga, come è il caso degli isotopi radioattivi naturali.
La gestione finale delle scorie radioattive può seguire due strategie generali: Disfarsi dell’intera barra così com’è, oppure riprocessarla. La prima strategia consiste in collocare le barre in contenitori sigillati con vetro ed incapsulati in barili di metallo e, finalmente, custoditi in installazioni speciali sotto terra dove non c’è il rischio che possano essere riportati all’esterno in centinaia di migliaia di anni. La seconda strategia ha come oggettivo recuperare gli actinidi, avvalendosi di metodi di estrazione liquido-liquido. Un'altra strategia adoperata è la riduzione della produzione di residui altamente radioattivi di medio termine, modificando la composizione delle barre di combustibile, ad esempio introducendo torio. Questo fa sì che il residuo sia meno radioattivo [4].
Esistono tecnologie per un'alternativa energetica?
La continua crescita e sviluppo delle società richiede una maggiore domanda di energia che ci spinge a cercare nuove fonti rinnovabili, basate su una tecnologia pulita che garantisce il rispetto per l’ambiente. Esistono fonti che possono essere generate in modo naturale, a differenza delle fonti non rinnovabili, che si trovano in modo limitato nel pianeta, come il carbone, petrolio, gas naturale (combustibili fossili), che contaminano il nostro pianeta, in particolare l’energia nucleare. Gli eventi catastrofici provocati dall’uso di questa energia hanno messo a nudo l’insicurezza tecnologica sul suo utilizzo, e hanno rilasciato alti livelli di radioattività nell’ambiente.
Ecco alcuni esempi di energie alternative:
I) Energia Solare: Questa è, probabilmente, la fonte energetica rinnovabile che più abbonda nel nostro pianeta. La tecnologia utilizzata, ad esempio nell’Impianto di Gemasolar, che si trova a Las Fuentes de Andalucía, Spagna, consiste in una torre centrale, ricoperta da appositi pannelli ricettori contenenti sali fusi, che si riscaldano fino alla temperatura di 500 gradi Celsius. È il primo impianto del genere ad aver applicato con grande successo questa tecnologia. Gemasolar è in grado di generare 19,9 Megawatt di elettricità, distribuita in un campo solare di 185 ettari e contenenti 2650 eliostati. Il maggior vantaggio di questo sistema e che l’immagazzinamento del calore permette un’autonomia fino a 15 ore, per produrre energia anche di notte. Un risparmio di 30.000 tonnellate l’anno di emissioni di anidride carbonica. Una produzione di energia elettrica assicurata durante 6.500 ore l’anno, tre volte in più di altre energie rinnovabili.
(II) Un altro esempio di impianto solare lo troviamo a Erlasse, Germania, con una capacità di produzione di 12 MW. Esistono tuttavia molti paesi in Africa, America, Asia e Oceania con un’elevata esposizione solare, e migliori condizioni di radiazione solare dei paesi dell’Europa, come attestano una buona parte di accademici, ricercatori e specialisti in fonti rinnovabili: una grande opportunità di sfruttamento dell’energia solare.
III) Energia Idraulica: La centrale idraulica di Itaipú, sul fiume Paranà, sorge tra il Brasile e Paraguay. È stata inaugurata nel 1982, è la più grande per generazione di energia al mondo. Molti altri paesi del nostro pianeta presentano anche eccellenti condizioni idrologiche per sfruttare questa forma di produzione rinnovabile di energia.
IV) Energia Eolica: Nel 2009 la Cina duplicò la sua capacità di produzione di energia rinnovabile sfruttando l’energia eolica, raggiungendo i 25.1 GW, superando la Spagna, 19.5 GW ed è dietro solo agli Stati Uniti, con 35.16 GW e alla Germania, con 25.78 GW.
V) Energia Mareomotrice: La Rance River è stata la prima centrale mareomotrice del mondo. Fu costruita dal 1960 al 1967. In questa regione del nord della Francia si coniugano elementi unici che rendono possibili lo sfruttamento della forza dell’acqua per la produzione di energia elettrica.
VI) Energia da Biomassa: La centrale elettrica di biomassa più grande al mondo è diventata operativa nell’estremo est della Germania, sul confine tedesco polacco, nella località di Penkun. È costituita di giganteschi digestori, impianti di cemento armato con una capacità di 2500 m3, all’interno dei quali fermentano residui agricoli di ogni tipo (6).
VII) Energia da Idrogeno: L’idrogeno viene applicato nell’industria spaziale. L’idrogeno liquido in reazione con l’ossigeno è utilizzato per la propulsione dei razzi. La stessa tecnica può essere utilizzata per la propulsione di automobili, per gli impianti industriali, sostituendo le fonti di energia tradizionali come batterie o motori dei veicoli.
VIII) Energia Geotermica: In Italia, Nuova Zelanda e Canada l’energia geotermica è molto utilizzata. In Giappone, il sistema geotermico ha una capacità di potenza di 1000 MW e nelle Filippine, di 2.000 MW. In Messico, l’energia geotermica rappresenta approssimativamente il 4 % della produzione totale di energia elettrica, risultando il quarto produttore mondiale di elettricità per quanto riguarda fonti geotermiche, dietro gli Stati Uniti, Filippine e Indonesia.
Atomi per la pace?
L’uso dell’energia nucleare non si limita alla produzione di energia elettrica, per mezzo dei reattori delle centrali nucleari. Questa forma di energia è utilizzata anche per progettare e costruire sofisticate armi nucleari.
La Seconda Guerra Mondiale vide un impiego senza precedenti non solo di soldati e armamenti, ma anche della scienza. I scienziati lasciarono il loro lavoro nelle università per occuparsi di sfide e iniziative militari. Ogni risorsa fu convogliata alla creazione di grandi laboratori specializzati nella ricerca e lo sviluppo di tecnologie. Il progetto Manhattan ad esempio unì migliaia di scienziati sotto una logistica militare per disegnare e costruire la prima bomba atomica. La costruzione della bomba atomica rappresenta l’icona dell’uso bellico della scienza. In soli sei anni, teorie e conoscenza sul nucleo dell’atomo, si trasformarono in un’orribile realtà che mise fine alla Seconda Guerra Mondiale. Il principio scientifico delle bombe atomiche del progetto Manhattan, Little Boy (Bambino Piccolo) e Fat Man (Uomo grosso) fu la fissione nucleare (7).
La storia ci dimostra, purtroppo, episodi vergognosi associati anche al fantasma dell’uso dell’energia nucleare che minaccia l’ esistenza come razza umana: l’uso della scienza senza coscienza frutto della prepotenza di uomini di potere e dei loro governi. Durante la Seconda Guerra Mondiale, gli Stati Uniti fecero esplodere due bombe atomiche sulle popolazioni di Hiroshima e Nagasaki, in Giappone, nel 1945, con le sue orribili conseguenze. A partire da allora, l’energia nucleare diventò sinonimo di morte e distruzione. Da quel momento, la fiducia posta sull’uso dell’energia nucleare, sulla sicurezza, sviluppo e progresso tecnologico dei nuovi reattori nucleari. Consci della possibilità di utilizzo sia ai fini pacifici che bellici, è nostro dovere interrogarci sull’uso di questa forma di energia, da un punto di vista etico, spinti da un naturale desiderio di sopravvivenza della nostra specie e quindi, dell’evoluzione della nostra coscienza.
Prima e dopo l’incidente nucleare di Chernobyl molti paesi hanno effettuato, e continuano a farlo, esplosione di potenti bombe atomiche in aria, mare e terra, per sperimentarne l’efficacia e dare un segnale di monito ad altre potenze sul proprio possesso di armi di distruzione di massa. Tali esplosioni provocano un gravissimo inquinamento nell’ambiente a causa dell’energia rilasciata che altera l’equilibrio dei processi naturali.
Le nazioni che hanno detto sì alle armi nucleari e che hanno aderito al Club Atomico, oltre alla Russia e gli Stati Uniti, sono: Inghilterra, Cina, Francia, India, Pakistan e Corea del Nord, e Israele, anche se non lo afferma ma nemmeno lo nega, quando viene interrogato al riguardo. In questo stesso 2016, l’Arabia Saudita ha rilasciato una breve dichiarazione ufficiale sul possesso della bomba atomica, che avrebbe acquistato dal Pakistan senza il consenso dei paesi alleati. D’accordo al The Bulletin of the Atomic Scientist, un’organizzazione fondata da diversi scienziati del progetto Manhattan nel 1945, nel 2012 esistevano circa 23 mila armi nucleari dispiegate in 11 istallazioni situate in 14 paesi. La maggior parte apparteniene alla Russia e agli Stati Uniti, che insieme possiedono il 96% dell’inventario globale.
Un fantasma si aggira in Europa (e nel mondo)
Dopo l’inaugurazione in questo mese di maggio del 2016 dell’installazione terrestre del sistema missilistico “Aegis Ashore” degli Stati Uniti nella base aerea di Deveselu, Romania, da parte del segretario generale dell’Organizzazione del Trattato dell’Atlantico Nord (Nato), Stoltenberg, possiamo affermare che un nuovo fantasma si aggira in Europa, il fantasma del confronto nucleare. La NATO ha anche annunciato durante questo evento l’inizio dei lavori per realizzare in Polonia un altro impianto “Aegis Ashore”, che sarà pronta ed operativa alla fine del 2018, analoga alla centrale già in funzione in Romania, dotate di missili intercettori SM-3 e di lancio verticale MK 41 della Lockheed Martin.
La Russia considera il sistema antimissili che gli Stati Uniti ha installato vicino alla Russia per proteggere i paesi membri della NATO una minaccia alla propria sicurezza e avverte che viola il trattato sull’equilibrio delle forze nucleari. La polemica istallazione e attivazione dello scudo antimissili, che in realtà è uno scudo offensivo, costituisce un fattore che accresce la tensione tra la Russia e Occidente.
Nell’incontro con i governanti di Svezia, Danimarca, Finlandia, Islanda e Norvegia, il 13 maggio a Washington, Obama ha denunciato «la crescente presenza e postura militare aggressiva della Russia nella regione baltico/nordica». riaffermando l'impegno degli Stati Uniti per "la difesa collettiva dell'Europa", evidenziando in quell'incontro il consenso europeo a mantenere le sanzioni contro la Russia. L'Europa ritorna, così, ad un clima di guerra fredda, tutto a vantaggio degli Stati Uniti che possono, in questo modo, accrescere la propria influenza sugli alleati europei [8].
Oggi, 30 anni dopo la catastrofe di Chernobyl, commemoriamo un'esperienza i cui effetti e conseguenze, sfortunatamente, potremo trovarci a soffrire, data l'allarmante tensione di un nuovo confronto nucleare a livello mondiale. Dobbiamo quindi allontanare il fantasma che costituisce la minaccia dell'uso dell'energia nucleare in qualsiasi delle sue forme. NO ALL'USO DELL'ENERGIA NUCLEARE, NO ALLA GUERRA.
José Proal*
Cd. de México, México.
20 de mayo de 2016
*M. en C. en Fisicoquímica
Dr. en C. en Biofísica
[1] Hernani Yee-Madeira y Edmundo del Valle Gallegos. La fisión en la energía nuclear. Conversus- Revista del Instituto Politécnico Nacional. Núm. 89, 2011.
[2] Gonzalo Ramos López. Fusión nuclear: El siguiente horizonte energético. Conversus- Revista del Instituto Politécnico Nacional. Núm. 89, 2011.
[3] Gustavo Alonso Vargas. Cómo produce energía eléctrica un reactor nuclear. Conversus- Revista del Instituto Politécnico Nacional. Núm. 89, 2011.
[4]M. Nieto y G. Ramos. Los desechos nucleares. Conversus- Revista del Instituto Politécnico Nacional. Núm. 89, 2011.
[5] Torresol Energy Investments, S.A. – Información pública 2016.
[6]Ricardo Urbano Lemus. Alternativas y renovables: opciones energéticas. Conversus- Revista del Instituto Politécnico Nacional. Núm. 89, 2011.
[7] Daniel de la Torre. El niño pequeño y el hombre gordo. Conversus- Revista del Instituto Politécnico Nacional. Núm. 89, 2011.
[8] Manlio Dinucci. Missili USA in Romania e Polonia: L´Europa sul fronte nucleare. Comitato promotore della campagna #NO GUERRA #NO NATO. 17 maggio 2016.
*Foto di copertina: www.interviu.es
*Foto due: Dr. José Proal
*Foto tre: www.abc.com.py
*Foto quattro: www.losporquesdelanaturaleza.com
*Foto cinque: www.alertacatástrofes.com
*Foto sei: www.tanringa.net