Passiamo molto rapidamente in rassegna gli schemi che descrivono i vari tipi di centrali nucleari e i rischi di proliferazione ad essi associati.
Una centrale nucleare produce energia elettrica utilizzando la fissione nucleare
in maniera controllata. Il prototipo di reattore nucleare fu quello costruito da Fermi nel dicembre 1942 a Chicago.
I reattori nucleari piu’ importanti si distinguono in LWR (light water reactors) che utilizzano l’acqua “leggera”, cioe’ l’acqua normale come sistema di raffreddamento e di moderazione del flusso neutronico e HWR (heavy water reactors) che utlizzano l’acqua pesante, cioe’ D2O, come sistema di assorbimento di neutroni e come raffreddamento.
Vediamo di seguito alcuni tipi di centrali nucleari:
LWR: Centrale nucleare ad acqua bollente – Boiling Water Reactor (BWR)
E’ il piu’ semplice dei reattori nucleari. L’acqua svolge la funzione di raffreddamento e di assorbitore di neutroni. L’ acqua viene quindi portata ad ebollizione e viene utilizzata per muovere le turbine e questo genera elettricita’. Quindi l’acqua (vapore) viene raffredata in un condensatore e rimessa in circolo. Un BWR utilizza ossido di uranio con uranio arricchito al 3-5%.
LWR: Centrale nucleare ad acqua pressurizzata – Pressurized Water Reactor (PWR)
In un PWR vi sono due circuiti separati di acqua.
Il circuito primario serve da assorbitore (moderatore) di neutroni e da impianto di raffreddamento, l’acqua del circuito primario viene pressurizzata e quindi raffreddata per contatto con il circuito secondario. Il circuito secondario produce vapore che viene, come nel caso precedente, utilizzato per muovere le turbine a raffreddato in un condensatore.
Il livello di arricchimento richiesto per i PWR e’ lo stesso che per i BWR. Tuttavia i PWR sono anche un modello per i reattori che sono utilizzati per la propulsione di sottomarini o navi. In questo caso il reattore deve essere molto piccolo e quindi l’arricchimento richiesto puo essere molto piu’ alto (20% fino a 96%) se si vuole evitare un cambio del combustibile troppo frequente.
I PWR sono i reattori nucleari di maggiore diffusione.
HWR: Centrale nucleare ad acqua pesante – Heavy Water Reactor
Mentre i due precedenti tipi di reattori nucleari usano acqua normale, il reattore ad acqua pesante utilizza D2O cioe’ con il deuterio al posto dell’idrogeno nel circuito primario, mentre continua ad usare acqua normale nel circuito secondario.
In un HWR, l’acqua pesante assorbe molti meno neutroni e quindi il flusso di neutroni e piu’ rilevante che dopo il passaggio attraverso l’acqua ordinaria (“leggera”). Di conseguenza basta la percentuale di U235 (0,7%) contenuta nell’Uranio naturale. Cioe’ in un reattore ad acqua pesante non occorre arricchire l’Uranio. Tuttavia il piu’ significativo effetto e’ che il flusso di neutroni, che e’ piu’ consistente che nel caso di un LWR, interagisce con l’U238 e produce significative quantita’ di Plutonio (molto di piu’ che nei reattori ad acqua leggera). Naturalmente per estrarre il plutonio c’e’ bisogno di un impianto di riprocessamento. Tuttavia la creazione di plutonio nei HWR (come nel caso del reattore iraniano di Arak) e’ fonte di preoccupazione dal punto di vista dei rischi di proliferazione.
Nel reattore CANDU, basato sulla tecnologia HWR, non si produce solo plutonio ma anche trizio (perche il deuterio assorbe neutroni e si trasforma in trizio). L’India e’ stata acccusata di avere utilzzato i reattori CANDU, acquistati dal Canada, per i propri programmi nucleari militari. Parlando di plutonio e di rischi di proliferazione, segnaliamo che il Giappone possiede circa 45 tonnellate di plutonio separato, di cui circa 9-10 tonnellate depositate nel terriorio giapponese. Si ricordi che, per costruire un semplice bomba ad implosione, bastano 5 kg di plutonio.
Attualmente (2022) ci sono circa 440 reattori nucleari in funzione, circa 55 in costruzione in 19 paesi . 16 nuovi reattori sono programmati solo in Cina. Nel 2050 si prevede che i reattori nucleari contribuiranno al 8% della produzione di energia globale.
I paesi con il numero maggiore di reattori nucleari (per scopi civili) in funzione sono USA (92) , Francia (56), Cina (56) , Russia (37), Corea del Sud (25), India (22), Canada (19), Giappone (17), Ucraina (15)
(https://www.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByCountry.aspx)
Come dicevamo il tipo di reattori piu’ diffuso e’ il PWR. Tuttavia tutti i reattori canadesi e la maggior parte dei reattori indiani sono ad acqua pesante. Poco meno della meta’ dei reattori giapponesi sono BWR. Infine in Russia 17 reattori sono raffreddati ad acqua ma usano la grafite come moderatore e nel Regno Unito la quasi totalita’ dei reattori sono raffreddati col gas e utilizzano la grafite come moderatore. Per I reattori che usano la grafite come moderatore si veda ad esempio:
Vi sono altri tipi di reattori come i vari Fast Breeder Reactors. (si veda ad esempio, https://en.wikipedia.org/wiki/Breeder_reactor