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DOSSIER

PRESENTE E FUTURO DI UNA DISCUSSA

NucleareL’energia nucleare da “fissione” che sfrutta le potenzialità energetichedell’uranio è l’unica forma di nucleare oggidisponibile per la produzione di energia alivello industriale e commerciale.

Secondo le attuali previsioni l’energianucleare da “fusione”, oggetto di una intensa attività di ricerca a livello mondiale, in particolare attraverso il progettointernazionale ITER, potrà essere applicatain una prima macchina dimostrativa capace di produrre energia solo verso la metà di questo secolo.

Nel frattempo cerchiamo di fare un po’ di chiarezza sulla produzione di energiaelettrica mediante centrali nuclearia fissione.

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Come più volte di-scusso su “Green”molti dei problemiambientali globalisono in parte cau-sati dalla produzio-ne di energia da

combustibili fossili nonrinnovabili e ricchi in carbo-nio, che viene rilasciato inatmosfera sotto forma dianidride carbonica dopo lacombustione, con effetti de-leteri sul clima. L’utilizzodell’energia nucleare deveessere considerato nel qua-dro dell’attuale crisi energe-tica, sia economica sia am-bientale, che investe l’interopianeta e richiede, con ur-genza, l’adozione di un nuo-vo modello di “sviluppo so-stenibile”. Si tratta di realiz-zare un nuovo modo di pro-durre e consumare, che assi-curi la qualità della vita futu-ra non solo nel nostro mon-do industrializzato e nei Pae-si di nuova industrializzazio-

di Giuseppe Rolandi

FONTE ENERGETICA Ecco nelle immagini qui accanto le due bombeatomiche che nell’agosto del 1945, sganciate sul Giappone,misero fine alla guerra mondialeprovocando immani tragedie.Oggi, in tempo di pace...

Non solo

“Little Boy”

e “Fat Man”

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ne, ma anche nei Paesi delTerzo e Quarto mondo, at-tualmente oggetto di una pe-sante e inaccettabile discri-minazione nel nostro mondoglobalizzato.Questi temi, gravi e com-plessi, vanno ben al di là delpuro merito tecnico e impli-cano aspetti politici, socio-economici, culturali ed etici,di rilevanza epocale. È inogni caso essenziale definir-ne correttamente l’ambitoscientifico e tecnico, sullabase delle conoscenze oggidisponibili, come base dipartenza per ogni ulteriore ri-flessione.L’utilizzo dell’ energia nu-cleare per la produzione dienergia elettrica nelle centra-li nucleari, in alternativa al-l’utilizzo dei combustibilifossili nelle centrali termoe-lettriche, deve essere valuta-to sulla base delle caratteri-stiche intrinseche di questafonte energetica, della situa-zione attuale e delle prospet-tive di sviluppo della relativatecnologia.

Come per qualsiasialtra fonte di ener-gia, devono essereanalizzati da unaparte i benefici at-tesi e dall’altra i ri-schi, in termini di sicu-

rezza e di impatto sull’ am-biente e sull’essere umano,con un approccio razionale enon emotivo, dialettico e nonapodittico, spesso disattesoquando si discute di energianucleare: è ugualmente sba-gliato considerare l’energianucleare il “male” assoluto,quasi si dovesse fare controdi essa una battaglia di ci-viltà, o, al contrario, presen-tarla come “la soluzione” del

problema della produzionedi energia elettrica senza l’u-so dei combustibili fossili.Non c’è dubbio che l’utiliz-zo dell’energia nucleare, evi-tando la combustione, puòcontribuire in maniera signi-ficativa all’abbattimento del-la anidride carbonica nell’at-mosfera e del conseguenteeffetto serra: in questo sensosi è espressa recentementel’Unione Europea, in un suoatto di indirizzo formale, la-sciando tuttavia agli Statimembri ogni decisione circail suo utilizzo, fermo restan-do, per gli Stati stessi, l’ob-bligo di raggiungere deter-minati obbiettivi energeti-co–ambientali fissati di co-mune accordo (risparmio dienergia del 20% entro il2020 e raggiungimento diuna quota del 20% di energierinnovabili entro il medesi-mo anno). La decisione di far ricorso omeno all’energia nuclearedovrà quindi essere adottata,da parte di ciascun Paesemembro, fermi restando gliobiettivi fissati dalla UE, nelquadro di una complessaanalisi tecnico-economica epolitico-programmatica cheprenda in considerazionenon solo le varie fonti ener-getiche, rinnovabili e nonrinnovabili, oggi disponibilie le loro possibili evoluzioni,ma anche l’uso razionaledell’energia e il risparmioenergetico. Data la complessità di unatale analisi, i costi associatiall’utilizzo dell’energia nu-cleare, elemento di valuta-zione per altro essenziale perun’approfondita analisi com-parativa tra le diverse fontienergetiche, non vengonoqui esaminati.

DOSSIER

Rischi associati all’utilizzo

dell’energianucleare

per la produzione di

energia elettricaL’energia nucleare è comparsaper la prima volta alla ribaltadella storia associata a unostrumento di morte: la bombaatomica.Questo scenario primordiale di morte,sul quale pesa il giudizio della storia,

contribuisce a rendere difficile un approccionon emotivo su questo tema e mette in lucela radicale ambivalenza dell’energia nuclea-re da fissione: usando l’uranio (simbolo: U)in una macchina complessa quale è un reat-tore nucleare, si produce energia senza farricorso a combustibili fossili, ma contempo-raneamente si genera sia un insieme di iso-topi altamente radioattivi, prima non esi-stenti in natura (i “prodotti di fissione”), siaun nuovo elemento radioattivo a lunga vita,il plutonio (Pu), anch’esso non esistente innatura, di elevata radiotossicità, che può, asua volta essere utilizzato sia come materiaprima energetica, da sfruttare in un reattorenucleare analogamente all’uranio, sia comemateria prima per la realizzazione di unabomba atomica.Inoltre, la tecnologia dell’“arricchimento”dell’uranio, necessaria per produrre l’uranio“leggermente arricchito” utilizzato nei mo-derni reattori nucleari, può essere utilizzataanche per produrre l’uranio “altamente ar-ricchito”, anch’esso materia prima necessa-ria alla realizzazione di una bomba atomica.Pertanto, l’analisi dei rischi associati all’uti-lizzo dell’energia nucleare per la produzio-ne di energia elettrica, sulla base delle cono-scenze ed esperienze scientifiche e tecnolo-giche oggi disponibili e largamente applica-te, nonché della continua evoluzione dellatecnologia in questo settore, si può ricon-durre a tre ambiti :• la sicurezza del reattore nucleare;• il controllo della produzione del plutonio e dell’uranio arricchito;

• la gestione della radioattività prodotta.Ciascuno di questi ambiti viene sintetica-mente analizzato nel seguito, con l’ausiliodegli elementi tecnico-scientifici di base ne-cessari per la comprensione dell’analisistessa.

Fonte di questeimmagini e dialtre checorredanol’articolo sulnucleare èWikipediaCommons(http://commons.wikimedia.org/). Immagine usataai sensi dellalicenza GNUFreeDocumentationLicensescaricabile dal sito.

Nucleare

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La reazione di

“fissione” libera una grande

quantità di energia

L’uranio naturale è relativamen-te abbondante in natura, dove ri-sulta presente con due diversi tipi diatomi (o “isotopi”), che hanno le stes-se proprietà chimiche, ma proprietà fi-siche sostanzialmente diverse:

• U-238 nella quasi totalità (99,3%);• U-235 (0,7%).

Il nucleo dell’atomo di U-235, quando vienecolpito da un neutrone, in determinate condi-zioni, tra cui quella fondamentale della bassaenergia del neutrone stesso (detto in gergo“neutrone lento”), si spacca, con diverse mo-dalità in due frammenti di massa diseguale,riemettendo contemporaneamente 2 o 3 neu-troni ad alta energia (“veloci”), per ogni neu-trone lento assorbito. Tale reazione produceuna grande quantità di energia emessa sottoforma di calore. Da un grammo di U-235 siottengono con questa reazione 22.500 kWh,pari a 20 x 106 kcal (chilocalorie).Questa “reazione nucleare” è stata chiama-ta per la prima volta in inglese fission, il ter-mine è quindi stato adottato da altre lingue.Si dice, quindi, che l’U-235 è “fissile” e idue frammenti sono chiamati “prodotti difissione”: essi sono costituiti da isotopi dielementi chimici noti e presenti in natura,ma altamente radioattivi, che emettono ra-diazioni beta e gamma (vedi riquadro nellapagina seguente).

I neutroni “veloci” prodotti, se“rallentati” cioè riportati a bas-sa energia per urto contro unopportuno materiale circostan-te, costituito da atomi leggeri, chia-mato “moderatore”, colpiscono un al-tro atomo di U-235, producendo nuovi

neutroni che a loro volta colpiscono altri nu-clei: si produce così la “reazione a catena”.La reazione di fissione si propaga a tutti gliatomi di U-235 presenti e una volta innesca-ta si autoalimenta, a patto che si verifichinocerte condizioni tra cui essenziale la presen-za di una quantità minima di U-235, chia-

Schema dellareazione difissionenuclearespiegata neltesto.

Centralenucleare diTemellin,nellaRepubblicaCeca.

Minerale di uranio

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mata “massa critica”. Il “moderatore” puòessere la grafite, dove l’atomo leggero è ilcarbonio (C), l’acqua (H2O) dove l’atomoleggero è l’idrogeno, o l’acqua pesante” (ot-tenuta per elettrolisi prolungata dell’acquanormale; D2O) dove l’atomo leggero è ildeuterio (simbolo: D), isotopo dell’idrogenoil cui nucleo è costituito non da 1 protone(come il nucleo di H), ma da “due” particel-le: un protone e un neutrone.Il nucleo dell’atomo di U-238, al contrario,quando viene colpito da un neutrone, lo as-sorbe, per dar vita, attraverso una serie ditrasformazioni intermedie, ad un nuovo ele-mento, il plutonio (Pu), più precisamene l’i-sotopo Pu-239, non esistente in natura, ra-dioattivo, che emette radiazioni alfa (vediBox) ed è assai tossico.Il Pu-239 è “fissile”, analogamente all’U-235, con una sua reazione di fissione analo-ga a quella dell’U-235, ma che non necessi-ta di alcun “moderatore”.Anche il Th-232, isotopo che costituisce laquasi totalità del torio presente in natura,

DOSSIER

può, analogamente all’U-238, assorbire unneutrone e dar luogo, tramite varie trasfor-mazioni intermedie, ad un altro isotopo “fis-sile” dell’uranio: l’U-233, non esistente innatura.

La grande quantità di energiaassociata alla reazione di fis-sione dell’U-235 e del Pu-239può essere erogata:• in maniera lenta e regolata, in unamacchina complessa - il reattore nu-cleare;• in maniera esplosiva - la bomba ato-

mica.Questa doppia potenzialità dell’energia nu-cleare da fissione, era stata subito intravistadagli scienziati. Tra gli studi pionieristicicondotti all’inizio della Seconda guerramondiale, vi furono gli esperimenti di bom-bardamento dell’uranio naturale con neutro-ni “lenti”, condotti da Enrico Fermi (Roma,1901 - Chicago, USA, 1954), uno dei fisiciitaliani del XX secolo più noti al mondo,Premio Nobel per la fisica nel 1938, e daisuoi allievi, nello storico Istituto di via Pani-sperna a Roma. Anche alcuni scienziati tedeschi ed austriacisi interessarono presto all’uranio, come di-mostrano le prime analisi chimiche sull’ura-nio “bombardato”, condotte da Otto Hahn(Francoforte sul Meno, 1879 - Gottinga,1968), Premio Nobel per la Chimica nel1944, da Fritz Strassman (Boppard, 1902-Magonza, 1980) e da Lise Meitner (Vienna,1878-Cambridge, Gran Bretagna, 1968).

La radioattività e il decadimento radioattivo

Il fenomeno della radioattività èstato scoperto nel 1896 dal fisicofrancese Antoine Henri Becquerel(Parigi, 1852-Le Croisic, 1908),premio Nobel per la Fisica nel1903 assieme ai coniugi Marie ePierre Curie (che dedicarono laloro vita allo studio del fenome-no), osservando l’annerimento diuna lastra fotografica tenuta neipressi di un minerale di uranio.Gli elementi chimici pesantiriscontrabili in natura, i cui atomicontengono nel nucleo un numerodi protoni superiore ed un valoresoglia, sono costituiti da isotopitutti radioattivi: caso tipico, l’ura-nio.D’altro canto, in numerosi ele-menti presenti in natura, costituitiper la maggior parte da isotopi

stabili, sono presenti piccole fra-zioni di isotopi radioattivi: oltre alcarbonio 14 (C-14), si può citareil K-40, isotopo radioattivo delpotassio, presente anche nel corpoumano. Inoltre, oggi sono normal-mente prodotti artificialmente iso-topi radioattivi di elementi chimi-ci stabili, per esempio lo I-131,isotopo radioattivo dello iodio,usati a fini diagnostici e terapeuti-ci (medicina nucleare).La prima e fondamentale pro-prietà che contraddistingue unisotopo radioattivo - in particolareai fini della radioprotezione (vediriquadro successivo) e dellagestione dei rifiuti radioattivi – èil tipo di radiazione emessa:

• Raggi gamma - di tipo elettro-

magnetico, analoghi ai raggi Xma molto più energetici. Sonomolto penetranti. Per schermarlioccorre, tipicamente, un metro dicemento.• Raggi beta - di tipo corpuscola-re, sono costituiti da elettroni.Sono schermati da un metro d’a-ria o da un mm di materia solida.• Raggi alfa - di tipo corpuscolare,sono costituiti da nuclei dell’ato-mo di elio. Sono schermati da unfoglio di carta e dalla pelle.

L’isotopo radioattivo può emettereo raggi alfa (“alfa-emittente” ) oraggi beta (“beta-emittente”),accompagnati o meno dall’emis-sione di raggi gamma. In quest’ul-timo caso si parla di “emittentealfa puro” o di “emittente betapuro”.La seconda fondamentale pro-prietà che caratterizza un isotoporadioattivo, sempre ai fini dellaradioprotezione e della gestionedei rifiuti radioattivi, è la “velocitàdi decadimento”, cioè il numero

di nuclei che si trasformano nel-l’unità di tempo. Essa è propor-zionale al numero di atomi pre-senti moltiplicato per una costantetipica di ogni singolo radioisoto-po. Ne deriva che tale velocità,così come il numero di atomi pre-senti, è una funzione esponenzialedecrescente con il tempo.In pratica per caratterizzare lavelocità di decadimento di unradioisotopo si usa un parametrochiamato “tempo di dimezzamen-to” (o “emivita”) e cioè il temponecessario perché una qualunquequantità di quel determinatoradioisotopo si riduca della metà.Pertanto: la quantità di un radioi-sotopo si riduce alla metà dopo 1“emivita”, di un quarto dopo 2, diun ottavo dopo 3 e così via. Èfacile dimostrare che la quantitàdi un radioisotopo è pari a 2-n,dove “n” rappresenta il numero diemivite trascorse. In tal mododopo 10 “emivite” si ridurrà ameno di un millesimo (2-10 èinfatti uguale a 1/1024). I tempi di

La radioattività è il fenomeno fisico per cui il nucleo di un particolareisotopo di un elemento chimico si disintegra spontaneamente, trasfor-mandosi nel nucleo dell’atomo di un nuovo elemento, con concomitan-te emissione di radiazioni. Il nuovo atomo può essere stabile o decade-re a sua volta. Si possono creare catene di decadimento radioattivo, finoad arrivare all’atomo di un elemento chimico stabile.

Nucleare

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La prima

“fissione” fu usata per la fabbricazione della

bomba atomicaDi fatto l’energia nucleare dafissione fu utilizzata la primavolta per la fabbricazione di unabomba.La reazione di fissione dell’ U-235 nelreattore di una centrale elettrica nu-cleare può essere realizzata sia utiliz-

zando una quantità relativamente elevata diuranio naturale – in quanto quest’ultimocontiene solo lo 0,7% di U-235 – sia unaquantità più contenuta di uranio leggermen-te arricchito in U-235, portandone il conte-nuto al 3% circa. La bomba atomica nonpuò, al contrario, essere realizzata con ura-nio naturale o leggermente arricchito: oc-corre disporre di uranio altamente arricchitoche contenga almeno il 95% di U-235.Il possesso della tecnologia di arricchimen-to, assai complessa, è quindi un requisito es-senziale in ogni strategia di sviluppo auto-nomo dell’energia nucleare da fissione a finienergetici per la produzione di uranio leg-

dimezzamento variano moltissimotra i diversi radioisotopi, dall’ordi-ne dei secondi ai miliardi di anni.Alcuni esempi sono riportati quisopra.L’unità di misura della radioatti-vità, nel Sistema Internazionale èil becquerel (Bq), pari a una disin-tegrazione al secondo. Questaunità è molto piccola, per cui inpratica si usano i multipli: kilo-becquerel (kBq), megabecquerel(MBq), gigabecquerel (GBq),

terabecquerel (TBq). Alcuni scienziati “nucleari” dellavecchia scuola usano ancora ilcurie (C), pari a 37 miliardi di Bq,cioè 37 GBq, e i suoi sottomulti-pli milli-, micro- e nanocurie. Uncurie è pari alla radioattivitàemessa da un grammo di Ra-226,un isotopo del radio, scoperto daMarie Curie nei minerali di ura-nio. Per una spiegazione dettaglia-ta dei prefissi delle unità di misu-ra si veda “Green” n. 2, pag. 41.

I tempi di dimezzamento

U-238 (uranio): 4,5 miliardi di anni

Pu-239 (plutonio): 24.000 anni

Cs-137 (cesio): 30 anni

Co-60 (cobalto): 5,7 anni

Sr-89 (stronzio): 51 giorni

I-131 (iodio): 8 giorni

germente arricchito, ma apre contempora-neamente la strada anche alla produzione diuranio altamente arricchito a fini bellici. Èdei giorni nostri la preoccupazione per l’usodi questa tecnologia che vorrà fare l’Iran,che l’ha da poco acquisita, visto il coinvol-gimento di questo paese nelle annose diatri-be mediorientali.Due sono in realtà i materiali di partenza al-ternativi utilizzabili per realizzare una bom-ba atomica:• uranio altamente arricchito, ottenuto dal-l’uranio naturale con la tecnologia dell’ar-ricchimento;• plutonio (essenzialmente Pu-239), prodot-to in un reattore nucleare, “bruciando” ura-nio naturale.

Il “Manhattan Project”, la piùgrande concentrazione mai vistanella storia di scienziati, tecnici,mezzi strumentali e risorse finanziarie,fu realizzato negli USA durante la Se-conda guerra mondiale per la costru-zione delle prime due bombe atomichetristemente note a tutti: una ad uranio

arricchito, sganciata su Hiroshima il mattinodel 6 agosto 1945 denominata “Little Boy”,l’altra a plutonio, “Fat Man”, sganciata tregiorni dopo su Nagasaki. Per realizzare “Lit-tle Boy” fu necessario mettere a punto ex-no-vo la tecnologia di arricchimento dell’uranio,fino ad allora inesistente. “Fat Man” fu inve-ce costruita a seguito delle scoperte di Fermi.Il 2 dicembre 1942 la sua “pila atomica” ave-va dimostrato sperimentalmente, per la pri-Enrico Fermi

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ma volta, la fattibilità della reazione di fissio-ne autoalimentata. Sfruttando questa tecnolo-gia gli USA costruirono prima un piccoloreattore nucleare da 1 MW (MG: megawatt,cioè 106 watt), il primo vero reattore nuclearedella storia, e poi tre potenti reattori da 250MW; il loro fine non era però quello di gene-rare energia, ma quello di produrre alcune de-cine di chili di plutonio necessarie per la co-struzione della bomba. In parallelo fu neces-sario mettere a punto le tecnologie chimichedi separazione e purificazione del plutonio,studiando le caratteristiche chimiche e radio-chimiche di questo nuovo elemento, fino adallora sconosciuto, a partire dai primi micro-grammi (10-6 grammi) disponibili.

DOSSIER

L’ ”Enola Gay” carica a bordo la prima bomba atomica. DestinazioneHiroshima

Il fungo atomico di “Fat Man”su Nagasaki raggiunse i 18 kmdi altezza (9 agosto 1945).

Il mattino del 6 agosto 1945l’aviazione americana lanciòl’atomica su Hiroshima.

Il bombardiere B-29 battezzato col nome della madre del comandanteè fermo sulla pista in attesa di caricare la bomba. “Little boy” è troppogrande e un carrello non passerebbe sotto la fusoliera: una buca è statascavata sulla pista, la bomba è pronta per essere issata nella fusolieranon appena il bombardiere venga trainato nella posizione giusta.

IIl colonnello Tibbets, comandante del B-29 "Enola Gay", guidò l’ap-parechio a 8000 metri d’altezza, verso il centro della città di Hiroshi-ma. Nello spazio riservato al carico, l’armiere, il maggiore Farabee,

mise in funzione il meccanismo di sganciamento della bomba.Poi mirò il bersaglio.La bomba cadde.Con un miagolio infernale il mostro precipitò giù.Gli uomini dell’“Enola Gay” inforcarono subito, secondo gli ordini rice-vuti, neri occhiali protettivi davanti ai vetri della maschera per l’ossigeno.Nessuno di loro sapeva a quale scopo dovevano servire questi occhiali.Nessuno di loro sapeva cosa sarebbe accaduto il minuto successivo. Ese-guivano soltanto un ordine preciso.Ed aspettarono, con le membra così irrigidite da parere insensibili. Ten-devano l’orecchio, e credevano di sentire l’urlo della bomba che precipi-tava. Ma era soltanto il pulsare del loro stesso sangue. E tutti guardava-no fissi nel vuoto, senza vedere, con i volti impietriti dal presentimento diuna catastrofe ancora mai vista sulla faccia della terra.

Per quanto forte battesse il polso del collonnello Tibbets, il suo oro-logio seguitava indisturbato a scandire il tempo con le sue rotelli-ne; un secondo dietro all’altro si trasformavano in passato. Le lan-

cette segnarono le otto, quattordici minuti e trentacinque secondi.Alla bomba era attaccato un paracadute che, per mezzo di un apparecchioappositamente studiato, si aprì com’era previsto.La bomba oscillò, sempre scendendo verso terra, appesa al paracadute.Le lancette dell’orologio segnavano le otto, quattordici minuti e cinquan-ta secondi.La bomba si trovava a 600 metri dal suolo.Alle otto e quindici era scesa di altri cento metri, quando altri apparecchiinventati dagli scienziati fecero scattare l’accensione all’interno dellabomba: neutroni provocarono la scissione di alcuni atomi di un metallopesante, l’uranio 235. E questa scissione si ripeté in una reazione a cate-na di sbalorditiva velocità.In un milionesimo di secondo, un nuovo sole si accese nel cielo, in unbagliore bianco, abbagliante.Fu cento volte più incandescente del sole nel firmamento.

Equesta palla di fuoco irradiò milioni di gradi contro la città di Hiro-shima.

In questo secondo, 86 000 persone arsero vive.In questo secondo, 72 000 persone subirono gravi ferite.In questo secondo, 6 820 case furono sbriciolate e scagliate in aria dalrisucchio di un vuoto d’aria, per chilometri di altezza nel cielo sottoformadi una colossale nube di polvere.In questo secondo, crollarono 3 750 edifici, le cui macerie si incendiaro-no.In questo secondo, raggi mortali di neutroni e raggi gamma, bombarda-rono il luogo dell’esplosione per un raggio di un chilometro e mezzo.

Estratto da "Il gran sole di Hiroshima" di Karl Bruckner. “Hiroshima - the day after” di Gregorio Marchi.

Nucleare

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Oltre agli USA, negli anni suc-cessivi alla Seconda guerramondiale diversi altri paesi en-trarono in possesso della tecno-logia per la costruzione dellabomba atomica tra cui: l’UnioneSovietica (prima bomba nel 1949), il

Regno Unito (1952), la Francia (1960) e laCina (1964).Nel 1954 gli Stati Uniti lanciarono il pro-gramma Atoms for Peace, rendendo cosìpubbliche le conoscenze tecnico-scientifi-che fino ad allora tenute rigorosamente se-grete, al fine di favorire la realizzazione direattori nucleari per la produzione di ener-gia elettrica a livello mondiale. Il program-ma fu adottato internazionalmente con la“Prima Conferenza mondiale sull’utilizzodell’energia nucleare a fini pacifici”, tenu-tasi a Ginevra nel 1955, sotto l’egida del-l’ONU, cui hanno fatto seguito la Secondae Terza Conferenza, nel 1958 e 1964.

Contestualmente veniva creata, nel 1957,l’Agenzia internazionale per l’Energia ato-mica, dell’ONU, con sede a Vienna, con ildoppio scopo di promuovere l’uso pacificodell’energia nucleare e prevenire la diffu-sione nel modo degli armamenti atomici.Tra la fine degli anni ‘50 e l’inizio dei ‘60,partì nel mondo occidentale la corsa allarealizzazione di reattori nucleari per la pro-duzione di energia elettrica. L’industria inglese e francese puntò suireattori ad uranio naturale metallico, mo-derati a grafite sul modello dei primi reat-tori per la produzione di plutonio (in segui-to abbandonati). Con questa tecnologia inItalia venne realizzata la centrale di Latina(1962). Diversamente, l’industria america-na puntò da subito sui più compatti reattoriad ossido di uranio leggermente arricchitoe moderati con acqua, a partire dal model-lo di reattore di tale tipo, ma di piccola ta-glia, sviluppato come propulsore per i sot-tomarini atomici; questi oggi rappresenta-no a livello mondiale la scelta tecnica dielezione.Il primo reattore nucleare per la produzio-ne dell’energia elettrica entrò in funzione aShippingport, Pennsylvania, il 2 dicembre1957.Il Canada, che aveva collaborato con gli in-glesi allo sviluppo dell’energia nucleare,rinunciando tuttavia alle applicazioni mili-tari, sviluppò un tipo di reattore ad ossidodi uranio naturale, moderato ad acqua pe-sante, che viene ancor oggi utilizzato. L’U-nione Sovietica, dopo una prima genera-zione di reattori moderati a grafite – tra cuiquello di Chernobyl – passò anch’essa aireattori moderati ad acqua.

L’avvionel dopoguerra

dell’utilizzazione

pacifica dell’energia

nucleareLa centraleatomica diShippingport(Pennsylvania,USA), il primoreattorenucleare per laproduzione dienergia entratoin funzionenegli USA nel1957 (in bassoa sinistra).Qui sotto iresti delreattore esplosonella centraledi Cernobyl (ex UnioneSovietica) il 26 aprile1986.

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I reattori nucleari e la loro gestione in sicurezza

Come è noto, unacentrale per la pro-duzione di energiaelettrica dalla fon-te nucleare differi-sce da una centra-le termoelettrica

convenzionale essenzial-mente nel sistema di produ-zione del vapore necessarioper azionare le turbine: nellecentrali convenzionali il va-pore è prodotto dalla com-bustione di combustibili fos-sili (gas, carbone, gasolio,ecc.), mentre nelle centralinucleari il vapore è prodottodal calore originato dalla“reazione di fissione” dell’u-ranio in un reattore nucleare.

Il reattore nucleareè, in sostanza, unsistema dinamicoche produce ener-gia: la produzione dienergia, una volta in-

nescata la reazione di fissio-ne, procede spontaneamen-te e in condizioni di eserci-zio normali può essere solorallentata – o, al limite, fer-mata – con l’intervento del-le barre di controllo. Essapuò altresì essere immedia-tamente arrestata, in manie-ra indipendente con l’inter-vento delle barre di emer-genza. Mentre è possibile fermareistantaneamente il reattore,

Un moderno reattore nucleare destinato alla produzione di energia elettrica rappresenta una macchina complessa costituita da:

1. Il combustibile nucleare, sotto forma di pastiglie di ossido di uranio, leggermente arricchito, contenuto in barrette assemblate in manufatti metallici di grande precisione, chiamati “elementi di combustibile”. L’insieme degli elementi di combustibile costituisce il core del reattore. Gli elementi di combustibile vengono caricati e scaricati dal core tramite una apposita “macchina di carico”.

2. Il “moderatore”, cioè il sistema di “rallentamento” dei neutroni prodotti dalla reazione di fissione, che li rende adatti a produrre altre fissioni e quindi sostenere la reazione a catena, cioè in definitiva per permettere il funzionamento del reattore. Oggi il moderatore generalmente usato è l’acqua.

3. Lo schermo che protegge dalla fortissima radioattività proveniente dal core.

4. Il sistema di refrigerazione: l’acqua, usata come “moderatore”, svolge anche la funzione di raffreddamento: fluendo lungo gli elementi di combustibile asporta il calore prodotto dalla reazione di fissione e produce vapore attraverso uno scambiatore di calore, di seguito descritto.

5. Il sistema di regolazione e controllo della velocità con cui avviene la reazione a catena e cioè dell’energia erogata dal reattore nell’unita di tempo, costituito da speciali barre inserite nel core del reattore, capaci di assorbire i neutroni e quindi sottrarli al sistema, dette barre di controllo.

6. Il sistema indipendente di arresto immediato in emergenza del reattore, per assorbimento rapido e totale dei neutroni, rappresentato dalle barre di emergenza.

7. La struttura esterna di contenimento che racchiude il reattore, viene concepita per evitare la diffusione della radioattività nell’ambiente nell’ipotesi di un grave incidente.

non è possibile fermareistantaneamente la genera-zione di calore; infatti, an-che a reattore spento, i pro-dotti di fissione presenticontinuano a generare unagrande quantità di calore. Ilsistema di refrigerazione de-ve essere in grado di garan-tire comunque lo smalti-mento del calore emesso da-gli elementi di combustibileall’interno del core. Ciò alfine di prevenire il surriscal-damento degli elementistessi, che può rapidamenteportare alla loro fusione equindi alla fuoriuscita dalreattore dell’altissima ra-dioattività contenuta. I due

sistemi critici di un reattorenucleare sono quindi il siste-ma di regolazione e control-lo e il sistema di refrigera-zione.Il Pressurized Water Reac-tor o PWR (reattore ad ac-qua in pressione) o il BoilingWater Reactor o BWR (reat-tore ad acqua bollente) rap-presentano oggi i tipi di reat-tore più usati. Nello schema classico degliattuali PWR il core e il refri-gerante primario, l’acqua inpressione, sono contenuti inun recipiente di acciaio dialtissima qualità, all’esternodel quale è posto lo scam-biatore di calore.

DOSSIER

Navi e sottomarini sonoabbastanza grandi da poteravere un “motore nucleare”. La nave per trasporto di merci epersone statunitense ( nella foto)NS Savannah era spinta da unPressurized Water Reactor(PWR).

Nucleare

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Il funzionamento di un

reattore nucleare

ha compiuto progressiconsiderevoli

La sicurezza di funzionamentodi un reattore nucleare ha com-piuto progressi considerevoli apartire dai reattori della cosid-detta “prima generazione”,quelli costruiti negli anni ‘60. InItalia questa generazione è rappresen-

tata dal PWR di Trino (Vercelli) e dal BWRdi Garigliano (Caserta). La “seconda gene-razione” è costituita dai numerosi reattori adacqua realizzati tra gli anni ‘70 e ‘80, tra cuiil BWR di Caorso (Piacenza). Alcuni reattori di questo tipo sono ancorafunzionanti. La seconda generazione è stataprogettata e costruita sulla base di un siste-ma formalizzato di prescrizioni e normativedi garanzia di qualità e di controlli sui mate-riali, componenti e sistemi, sia in fase diprogettazione che di costruzione, nonché suun sistema di regole di funzionamento,emesso dalle autorità nazionali sulla basedegli standard di sicurezza definiti dall’A-genzia di Vienna. Tale normazione vienecostantemente aggiornata grazie anche al-l’esperienza accumulata dai gestori e opera-tori dei reattori stessi.

Lo scopo del succitato sistemanormativo era evidentementequello di prevedere e prevenireogni tipo di incidente (anche quel-lo più grave di perdita di refrigerazio-ne e di conseguente fusione del core),nonché di arginarne le conseguenze,

ove avesse luogo. In sostanza questo siste-ma avrebbe dovuto garantire un rischio tra-scurabile per l’uomo e per l’ambiente, se ilreattore fosse stato progettato e costruito se-condo le norme e operato secondo le restrit-tive regole di funzionamento, in condizioninormali e di emergenza. Poiché, nonostantela presenza dei vari automatismi, in definiti-va sono gli operatori che gestiscono il reat-tore nucleare, con vari livelli di responsabi-lità e mansioni, entra forzatamente in giocoil “fattore umano”. Non essendo stato tenu-to in debita considerazione dalla normativadell’epoca, questo fattore è stato in effettiall’origine dei due incidenti nucleari di ri-lievo: quello del reattore di Three MileIsland (USA, 1979), e quello del reattore diChernobyl (Ucraina, 26 aprile 1986). In en-

1: Barre dispegnimentod’emergenza. 2: barre dicontrollo. 3: elementi dicarburante. 4: protezionebiologica. 5: uscita delvapore. 6: entrataacqua. 7: protezionetermica.

Il PressurizedWater Reactor(PWR) russoWWER-1000con 1000megawatt dipotenza elettrica.1: barre dicontrollo.2: coperchi delreattore.3: strutturaesterna delreattore. 4:valvole dientratadell’acqua(freccia blu) eduscita del vapore(freccia rossa). 5: contenitoredel reattore. 6: zona attivadel reattore. 7: elementi dicombustibile.

Il reattore PWR

Il reattore BWR

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trambi i casi si arrivò rapidamente, per erro-ri di gestione, alla fusione del combustibilenucleare nel core. Le conseguenze esternedel primo incidente sono state praticamentenulle, data la presenza di una struttura dicontenimento esterno adeguato nel reattorestatunitense, diversamente le conseguenzecatastrofiche dell’incidente di Chernobyl,sono state originate dalla mancanza di con-tenimento esterno, non previsto per quel ti-po di reattore.Il sistema normativo attuale, modificato edaggiornato, anche a seguito dell’analisi de-gli incidenti citati, considera il fattore uma-no essenziale per la sicurezza e dà particola-re rilievo al rapporto uomo-macchina, in unsistema complesso quale quello di un reat-tore nucleare.Su tale base sono progettati i reattori cosid-detti di “terza generazione”: essi rappresen-tano una notevole evoluzione della secondagenerazione, in termini di sicurezza, purmantenendone la tecnologia di base. Questireattori presentano caratteristiche costrutti-ve e operative tali da garantire il più elevatolivello di sicurezza oggi concettualmentepossibile per un reattore nucleare, rendendopraticamente nullo il rischio per l’uomo el’ambiente esterno. Ciò anche grazie all’a-dozione di sistemi di sicurezza “passiva” edi sistemi di regolazione e controllo auto-matico che rendono minimo l’intervento at-tivo dell’uomo.

In futuro saranno installati soloreattori di questo tipo. Ne sonoesempi il reattore di costruzione fran-co-tedesca European PressurizedReactor (EPR) - il cui il primo esem-plare è in costruzione in Finlandia,seguito da una serie di reattori che

verrà costruita in Francia per sostituire ivecchi reattori ad acqua - e l’americanoAP 1000.Sono peraltro oggi allo studio i cosiddettireattori della “quarta generazione”, sostan-zialmente diversi dai reattori di precedentegenerazione. Di potenza minore, questiimpianti presentano “sicurezza intrinse-ca”: sono dotati di sistemi di sicurezzapassiva per lo smaltimento di calore in ca-so di incidente, sistemi e componenti piùsemplici, tecnologia integrata di separa-zione e riciclo del materiale fissile prodot-to, con conseguente gestione semplificatadella radioattività liberata (vedi di segui-to). Un apposito Forum internazionale, ilGeneration IV International Forum (GIF)ha selezionato un insieme di progetti con-cettuali, a partire dai quali dovrebbero es-sere sviluppati a livello industriale uno opiù tipi di reattori da rendere disponibilisul mercato verso il 2030, per coprire, datale data, le richieste di energia elettricanucleare da fissione, in attesa dell’avventodei reattori a fusione previsto attorno al2050.Per finire questa breve carrellata sulle ti-pologie di reattore accenniamo ai cosid-detti sistemi ADS (Accelerator Driven Sy-stems) attualmente allo studio, che, a dif-ferenza dei reattori nucleari, produconoenergia tramite la reazione di fissione solocon l’intervento di neutroni ad alta energiaprodotti esternamente al sistema, con mac-chine acceleratici. Queste macchine utiliz-zano il ciclo torio/uranio precedentementecitato, in alternativa al ciclo uranio/pluto-nio adottato dai reattori fin qui citati.

DOSSIER

Gli effetti biologici delle radiazioni: radiotossicità e radioprotezione

In termini molto generali glieffetti biologici delle radiazionisi possono distinguere in effettiimmediati ed effetti a lungo ter-mine.Gli effetti immediati sono quelliche, al di sopra di un certo valoredi dose ricevuta, si manifestanoindistintamente in tutti coloroche sono stati irradiati, entro untempo di solito assai breve (qual-che giorno o qualche settimana).

La gravità del danno può arrivarealla distruzione degli organiinterni e alla morte e aumentacon la dose ricevuta.Gli effetti a lungo termine avven-gono per esposizioni a dosi piùlimitate; si manifestano statistica-mente anche dopo un tempomolto lungo, in quanto simili adaltri fattori di mutazione cellula-re.La Commissione Internazionale

per la Protezione delle Radiazio-ni opera sotto l’egida dell’ONU edefinisce i livelli massimi di dosecui possono essere espostiannualmente i lavoratori inimpianti nucleari e la popolazio-ne nel suo insieme. Questi livellisono quelli che, allo stato attualedella scienza, garantiscono l’as-senza di effetti a lungo termine.

L’uomo può essere esposto allaradiazione in due modi:• Per esposizione esterna. – Lapersona si trova sulla traiettoriadelle radiazioni emesse da unasorgente radioattiva situata all’e-sterno del proprio organismo. Si parla in questo caso di irra-

diazione. Questo avviene essen-zialmente ad opera dei raggigamma e, in misura minore, beta.• Per esposizione interna. La sorgente radioattiva si trovaall’interno dell’organismo, acausa di inalazione per respira-zione e/o ingestione, ovvero perintroduzione attraverso una feri-ta. Si parla in questo caso di con-taminazione interna. Questoavviene essenzialmente conemettitori alfa (polonio, Pu-239)e beta.Occorre infine tener presente chel’uomo è continuamente sottopo-sto a radiazioni di origine natura-le, presenti in dosi estremamentebasse ma non nulle.

Parallelamente allo sviluppo dell’energia nucleare è stato intensamentestudiato l’effetto delle radiazioni sull’uomo (radiotossicità), sono statisviluppati principi e strumenti per un’efficace protezione dalle radia-zione stesse: questo complesso di conoscenze, tecniche e norme pren-de il nome di radioprotezione.

Nucleare

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Le diverse fasi del ciclo di lavora-zione dei materiali nucleari, amonte e a valle del loro utilizzonel reattore nucleare, sono rea-lizzate in impianti dedicati. La pri-ma fase, che avviene nelle miniere, èquella di estrazione e raffinazione del-

l’uranio dai minerali uraniferi. Seguono poi itrattamenti industriali con la conversione inesafluoruro di uranio, arricchimento e con-versione ad ossido. A partire da questo ven-gono fabbricati gli elementi di combustibile.Una volta utilizzati nel reattore, gli elementidi combustibile esausti vengono stoccati inappositi contenitori (cask) oppure sottopostiall’operazione di reprocessing di seguito de-scritta.Gli impianti industriali che trattano il com-bustibile nucleare sono sostanzialmente im-pianti chimico-fisico-meccanici caratterizza-ti da aspetti tecnici e sistemi di sicurezza, pe-culiari e differenti rispetto a quelli di un reat-tore nucleare. La ricerca tecnico-scientificache riguarda questi impianti non ha ancoraraggiunto il livello di conoscenza oggi dispo-nibile per i reattori. Ciò ovviamente si riflet-te su una minor efficacia delle normative e,in via generale, si può affermare che la sicu-rezza complessiva degli impianti di tratta-mento del combustibile, nonostante le relati-ve tecnologie siano ormai d’uso consolidato,non ha ancora raggiunto quello dei reattori.

Il core del reattore nucleare (sopra) Crocus del progetto Carousel operante all’École PolytechniqueFédérale de Lausanne (EPFL; Svizzera). Si vedono i cavi ed i motori delle barre di controllo (che si trovano inserite nel core in questa foto). Quattro vasi di espansione possono espellere l’acquadal cilindro del core (qui vuoto) in meno di mezzo secondo, arrestando così la reazione.

Core (sopra) di un reattore nucleare, lacosiddetta “radiazione di Cherenkov” è benvisibile come un alone blu attorno alle barre di combustibile (in basso al centro).

Il ciclo produttivo del “combustibile” nucleare

Alle ore07.28.27 del12 Agosto 2000,una misteriosaesplosionedanneggiagravemente ilsottomarinonuclearesovietico Kursk:esplosione delreattore o di unsiluro a bordo?

Estrazione delminerale diuranio dallaminiera,arricchimento etrasformazionein elementi dicombustibile.

Stoccaggio delle scorie

Fase di riciclodel mineraleradioattivo

Impianto direprocessing

Centralenucleare.

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Controllo e produzione di

plutonio Un elemento di combustibilepronto all’uso in un modernoreattore PWR contiene 500 kg diuranio, arricchito al 3% (97% di U-238e 3% di U-235). Quando l’elemento dicombustibile viene utilizzato per pro-durre energia, in termine tecnico “ir-

raggiato”, negli atomi dell’ossido di uraniosi producono le seguenti “reazioni nucleari”che ne modificano la natura chimico-fisica:

che il parco mondiale di reattori nucleari siaggira intorno alle 450 unità, si può avereun’idea delle dimensioni del problema dellosmaltimento delle scorie.Gli elementi di combustibile scaricati dalreattore sono trasferiti in una speciale pisci-na annessa al reattore stesso, dove vengonoconservati per almeno tre anni, per permet-tere un primo calo della radioattività e, quin-di, del calore iniziale. L’acqua svolge la du-plice funzione di mezzo di raffreddamento edi schermatura.Il combustibile irraggiato scaricato dal reat-tore, dopo il primo raffreddamento nella pi-scina del reattore stesso, deve essere adegua-tamente gestito. Sono possibili, sotto un pro-filo tecnico e di sicurezza, due schemi alter-nativi di gestione: il “ritrattamento” (dall’in-glese reprocessing) o lo stoccaggio tempo-raneo a secco.

Il reprocessing consiste in un’o-perazione di separazione e purifi-cazione chimica del plutonio pro-dotto e dell’uranio residuo daiprodotti di fissione. Le barrette del-l’elemento di combustibile vengonotranciate e le pastiglie di ossido di ura-

nio irraggiato in esse contenute vengonosciolte in acido nitrico. Dalla soluzione cosìottenuta vengono separati e purificati, utiliz-zando la tecnologia dell’estrazione con sol-venti, il plutonio e l’uranio, trasformati inopportuni composti chimici.Il reprocessing è in sostanza un’operazionechimica relativamente complessa che deveessere condotta in speciali impianti coman-dati a distanza, date le caratteristiche dei ma-teriali trattati. I prodotti finali sono il pluto-nio puro (sotto forma di ossido), l’uranio pu-ro (sotto forma di soluzione di nitrato di ura-nile, poi trasformato in ossido in appositiimpianti) e una soluzione acquosa altamenteradioattiva, contenente il 99% dei prodotti difissione originariamente contenuti nell’ossi-do di uranio disciolto.Questa procedura chimica, messa a puntooriginariamente nell’ambito del ManhattanProject per produrre il plutonio puro neces-sario per la bomba atomica di Nagasaki, è ri-masta concettualmente la stessa: separazio-ne del plutonio puro da una parte e dell’ura-nio puro dall’altra. Il processo è ancora oggiapplicato nei due soli moderni impianti in-dustriali oggi in funzione nel mondo, capacidi offrire il servizio di reprocessing a livellocommerciale internazionale: La Hague, inFrancia, e Sellafield, nel Regno Unito (que-st’ultimo peraltro attualmente fermo per ungrave incidente tecnico). In Russia esiste ilvecchio impianto di Mayak, tuttora in fun-zione. Questo stesso schema di processoverrà applicato nell’impianto industriale direprocessing in costruzione in Giappone.Diverse nazioni, peraltro, hanno utilizzatoquesta tecnologia per la produzione di pluto-

• la reazione di “fissione” di una frazione dell’ U-235,produce energia e dà luogo a diversi “prodotti di fissione”,altamente radioattivi: tra i più pericolosi troviamo lo stronzio-90 e il cesio-137;

• un’altra frazione dell’U-238 si trasforma in plutonio.

Una volta “irraggiato” l’elemento di combu-stibile contiene in media: uranio totale resi-duo (come U-235 e U-238), 475-480 kg (94-96%); plutonio, 5 kg (1%); prodotti di fissio-ne, 15-20 kg (3-5%). Dopo l’irraggiamentola percentuale di U-235 si riduce dal 3% delcombustibile “fresco” arricchito, a circa 1%.Se si usano elementi di combustibile ad ossi-do di uranio naturale, a seguito dell’irraggia-mento, la percentuale di U-235 scende dallo0,7% allo 0,2-0,3%.All’elemento di combustibile “irraggiato” èassociata una elevata radioattività, che si ma-nifesta all’esterno anche come calore, origi-nata soprattutto dai prodotti di fissione, e unaelevata radiotossicità, data da alcuni prodottidi fissione e, soprattutto, dal plutonio.Quest’ultimo, peraltro, essendo “fissile”,rappresenta una potenziale fonte energeticache può essere valorizzata.

Gli elementi di combustibile irrag-giati devono, in ogni caso, per ragionichimico-fisiche, tra cui la diminuzionedell’U-235 e l’assorbimento dei neu-troni da parte di alcuni prodotti di fis-sione, essere periodicamente scaricatidal reattore e sostituiti con elementi

freschi, con largo anticipo rispetto all’esau-rimento del contenuto di U-235. Una moder-na centrale elettrica nucleare da 1000 MWraffreddata ad acqua contiene nel core 90-100 tonnellate di uranio (180-200 elementidi combustibile) e produce annualmente unaquantità di combustibile “esausto” pari circaa un terzo del contenuto del core, circa 30tonnellate all’anno di uranio. Tenuto conto

Reprocessing,produzionedi plutonio

Nucleare

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prima energetica in elementi di combustibilead ossidi misti uranio/plutonio, anziché adossido di uranio, utilizzabili, nei modernireattori nucleari, insieme ai combustibili adossido di uranio. In Francia, la tecnologia difabbricazione di elementi ad ossidi misti èormai applicata a livello industriale (adesempio l’impianto Melox di Marcoule), cir-ca venti reattori nucleari francesi utilizzanocombustibile ad ossidi misti U/Pu.

Sono oggi in fase di studio nuoveprocedure di reprocessing chepermettono di ottenere “combustibile”nucleare utilizzabile solo ed esclusiva-mente per la produzione di energia.Una sperimentazione avanzata in talsenso viene condotta in un impianto pi-

lota francese dove viene utilizzato un nuovoprocesso chimico basato sulla separazionecongiunta di plutonio e uranio. Questi sonoraccolti in una soluzione che è direttamenteutilizzabile per la preparazione di ossidi mi-sti, necessari per realizzare gli elementi dicombustibile. Proprio per evitare la produ-zione di plutonio puro utilizzabile a scopibellici, fin dal 1977 – a seguito anche dell’e-splosione della bomba atomica dell’India nel1974 – gli Stati Uniti hanno bandito il repro-cessing del combustibile irraggiato. Tuttaviarecentemente hanno ripensato a questa poli-tica e, ferma restando per ora la decisione distoccare il combustibile irraggiato, stannosviluppando uno schema chimico di repro-cessing di nuova concezione, che evita la se-parazione del plutonio puro. La Germania,in attesa di definire una nuova politica nu-cleare dopo l’attuale moratoria, ha da tempodeciso di sospendere il reprocessing delcombustibile irraggiato, scaricato dai proprireattori, in precedenza ritrattato nel succitatoimpianto di La Hague. In Italia questa tecno-logia è stata sviluppata con una intensa atti-vità di laboratorio fin dall’inizio degli anni‘60 e realizzata a livello di impianto pilota.

La strategia generalmente adot-tata prevede, dopo un congruoperiodo di raffreddamento nellapiscina del reattore, lo stoccaggiodell’elemento di combustibile tal qualein appositi contenitori schermati (detticask), sullo stesso sito di produzione.

Dopo un periodo che si aggira attorno ai 50anni, questi contenitori, progettati sia per lostoccaggio che per il trasporto, sono trasferi-ti in un’apposita struttura di stoccaggio tem-poraneo.La strategia dello stoccaggio a secco consen-te di preservare il potenziale energetico co-stituito dal plutonio contenuto nel combusti-bile irraggiato, in vista di soluzione avanzatedi reprocessing, sia in termini di utilizzoesclusivamente civile, sia per quanto riguar-da la gestione delle scorie radioattive gene-rate durante la reazione di fissione.

Stoccaggiotemporaneoa secco

nio a scopi militari in piccoli impianti dedi-cati, tra cui India, Pakistan e Israele.Francia e Giappone utilizzano la tecnologiadi reprocessing nel quadro di una strategiaenergetica che prevede il recupero del pluto-nio prodotto e il suo riciclo come materia

Il reattorenuclearesperimentalePulstar dellaNorthCarolina StateUniversity.

Sala dicontrollo delreattorenuclearesperimentalePulstar dellaNorthCarolina StateUniversity.

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Controllo e

produzionedi

uranioarricchito

L’arricchimento dell’uranio natu-rale che contiene circa lo 0,7% diuranio-235 (235U) è una tecnologiamolto complessa, mediante la quale,partendo dall’esafluoruro di uranio (na-turale), che – in determinate condizionidi pressione e temperatura – è un com-

posto gassoso, a seguito di opportuni proces-si fisici che sfruttano la lieve differenza dimassa tra le molecole 238UF6 (più pesanti) e235UF6 (più leggeri), producono esafluoruroarricchito in 235U.L’esafluoruro arricchito al 3% circa viene poitrasformato per via chimica in pastiglie dibiossido di uranio arricchito, usate per la fab-bricazione degli elementi di combustibile.È ovvio che, una volta in possesso della tec-nologia dell’arricchimento, la si possa usare,almeno in linea di principio, anche per pro-durre uranio metallico con contenuto in 235Usuperiore al 95%, utilizzabile a fini bellici.

Il sistema di controllo della produzione e uti-lizzo del plutonio e dell’uranio arricchito, alfine di impedire un loro utilizzo con finalitàbelliche, è basato su rigidi protocolli di verifi-ca delle quantità in entrata e in uscita degliimpianti di trattamento e produzione di ener-gia, specifici per ogni installazione nucleare.Essi vengono definiti ed applicati con propriispettori dall’Agenzia internazionale dell’E-nergia atomica di Vienna. Nei paesi dell’U-nione Europea a questo si sovrappone il Con-trollo di sicurezza della Comunità Europeadell’Energia Atomica (CEEA, nota anche co-me Euratom), un’organizzazione internazio-nale istituita, contemporaneamente alla Co-munità economica europea, con i Trattati diRoma del 25 marzo 1957, di cui quest’annoricorre il cinquantenario, allo scopo di coordi-nare i programmi di ricerca degli stati membrirelativi all’energia nucleare ed assicurare unuso pacifico della stessa. Da citare, infine, icontrolli effettuati dalle autorità nazionali de-putate alla sorveglianza sulle attività nucleari,in Italia assolve a questo compito l’Agenziaper la Protezione dell’Ambiente e per i serviziTecnici (APAT). Inoltre viene controllato e li-mitato, tramite apposito accordo tra i Paesidetentori delle tecnologie nucleari, il trasferi-mento ad altri Paesi delle tecnologie “sensibi-li”, cioè suscettibili di applicazioni militari.

Il sistema di controllo

L’atomo per i trasporti marittimi

La grande impresa del “Nautilus”che arrivò al polo sotto i ghiacci

La propulsione nucleare èparticolarmente vantaggiosase applicata a navi esommergibili che possonopercorrere lunghe distanzecon un ridottissimo caricodi carburante. La marinaamericana sviluppò neicantieri della GeneralDynamics Electric diGroton, nel Connecticut, i sottomarini a propulsionenucleare della classe“Thesher”. Il primo deibattelli fu varato nel ‘54, evenne denominato Nautilusin ricordo del famoso erivoluzionario sottomarinodel capitano Nemo,protagonista del romanzo diGiulio Verne 20.000 leghesotto i mari. Nel 1955, inuna crociera di collaudo,navigò sempre inimmersione da NewLondon, nel Connecticut, aSan Juan in Porto Rico,coprendo in 84 ore unadistanza di 2170 km.

Nell'agosto del 1958effettuò la primatraversata sottomarinadel Polo Nord, navigandosotto la banchisa polareda Punta Barrow, inAlaska, a un puntocompreso fra le isoleSpitzbergen e laGroenlandia. (r.g.)

Nucleare

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Il Trattato di Non Proliferazione (TNP) dellearmi nucleari – lanciato nel 1970 sotto l’egidadell’Agenzia di Vienna – viene ratificato subase volontaria dagli Stati membri dell’ONU.Esso rappresenta lo strumento politico-diplo-matico che la comunità internazionale si è da-ta per impedire, appunto, l’utilizzo a fini belli-ci del plutonio e dell’uranio altamente arric-chito. Il Trattato prevede la rinuncia all’armanucleare da parte degli Stati firmatari che nonne siano ancora in possesso al momento dellaratifica, fermo restando il diritto allo sviluppoautonomo del nucleare per uso civile. Contestualmente il TNP ufficializza l’impe-gno delle potenze nucleari - al tempo dellastesura del trattato rappresentate da Stati Uni-ti, Unione Sovietica, Gran Bretagna, Franciae Cina – ad una progressiva riduzione del pro-prio arsenale di armi nucleari. Il TNP non impedì che l’India, non firmatariadel Trattato, facesse esplodere ufficialmente,nel 1974, la sua bomba atomica e che altriStati non firmatari la sviluppassero segreta-mente (Israele, Corea del Nord, Pakistan).

Si può oggi affermare che i det-tami del TNP sopra descritti ga-rantiscono con sufficiente sicu-rezza che non si producano, o siutilizzino a fini bellici, materialinucleari nelle installazioni “di-chiarate”, aperte alle ispezioni. Il

sistema di controllo del TNP viene adottatonon solo dai Paesi firmatari, ma anche da queiPaesi che, pur non essendo firmatari, accetta-no mediante apposito accordo con l’Agenziadi Vienna, di essere sottoposti allo stesso regi-me di verifica. Resta tuttavia aperta la possi-bilità che un Paese si doti, in parallelo, di in-stallazioni “segrete”, e quindi non soggette alcontrollo internazionale.Il sistema adottato dal TNP risulta certamentemigliorabile. In quest’ottica gli Stati Unitihanno recentemente proposto l’iniziativa Glo-bal Nuclear Energy Partnership (GENP), mi-rata ad assicurare la fornitura di combustibilenucleare ad uranio arricchito e il servizio direprocessing ai nuovi Paesi che vorranno pro-durre energia elettrica col nucleare, a pattoche gli stessi si impegnino a non svilupparetali tecnologie in proprio.Resta comunque aperto il problema politicoplanetario della riduzione dell’arsenale nu-cleare da parte delle potenze nucleari, per al-tro previsto dal TNP, quale passo concreto perfavorire una politica di rinuncia effettiva al-l’arma nucleare, specie da parte dei Paesiemergenti e/o di nuova industrializzazione.Vale la pena di ricordare infine che lo stoc-caggio, la manipolazione e la movimenta-zione dell’ossido di plutonio, materiale “fis-sile” con elevata radiotossicità, richiede inogni caso speciali infrastrutture dotate di ac-corgimenti organizzativi, tecnici e di sicu-rezza, che tengano in conto anche possibiliazioni terroristiche.

L’atomo per i trasporti marittimi

La potenza dei rompighiaccioper aprirsi la rotta sopra il pack

Con una chiglia d’acciaiospessa oltre 35 centimetri euna potenza notevole deimotori il rompighiaccio“sale” letteralmente sul packe riesce ad aprirsi la stradatra i ghiacci. La propulsionenucleare è quindi la piùadatta per questo tipo dinavi, tanto che il primobattello di questo tipo fu ilrompighiaccio “Lenin” dellamarina dell’Artico dell’exUnione Sovietica (sopra e a destra).

Oggi i rompighiaccio apropulsione nucleare sonoimpiegati anche percrociere turistiche ai poli eper spedizioni scientifiche.(r.g.)

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La gestione dei

rifiuti radioattivi

Si definisce “rifiuto radioattivo”qualsiasi materiale radioattivo,prodotto o utilizzato nell’impiegodell’energia nucleare, per il qua-le non è previsto alcun riciclo oriutilizzazione.I rifiuti radioattivi derivano in maggior

parte dall’utilizzo della fissione nucleare perla produzione di energia: sono essenzialmen-te costituiti dai prodotti di fissione ad altissi-ma radioattività generati nel reattore nuclea-re a seguito dell’irraggiamento del combu-stibile, ma anche dai rifiuti liquidi e solidi amedia e bassa attività provenienti dall’eser-cizio dei reattori nucleari e degli impianti delciclo del combustibile.Devono altresì essere considerati i rifiuti ra-dioattivi prodotti, in quantità significative,dalle attività medico-diagnostiche , di ricer-ca e industriali, in cui si utilizzano isotopi ra-dioattivi (vedi “Green” n. 5).I rifiuti radioattivi (R.R.) rappresentano unarealtà molto eterogenea e complessa; la lorogestione deve essere pianificata accurata-mente, in quanto implica aspetti non solotecnologici, operativi, normativi e ammini-strativi, ma anche politico-istituzionali e diaccettazione sociale.Lo smaltimento dei rifiuti radioattivi, nelpieno rispetto dell’uomo e dell’ambiente,viene oggi considerato da molti come il pun-to debole dell’energia nucleare, nella con-vinzione che esso costituisca un problemainsolubile o di soluzione ancora lontana neltempo.È quindi necessario su questo tema, ancorpiù che sul tema della sicurezza del reattoree del controllo dei materiali fissili, diffonde-re una corretta ed adeguata informazione alfine di coinvolgere anche l’opinione pubbli-ca e gli attori istituzionali, specie a livello lo-cale negli aspetti decisionali. Infatti una con-vinzione diffusa e condivisa che sia possibileuna corretta gestione dei rifiuti radioattivi èun prerequisito indispensabile per l’accetta-zione della fonte energetica nucleare.In ogni caso, anche nel caso in cui non fac-cia ricorso alla fonte energetica nucleare, unpaese industrializzato si deve dotare di un si-stema di gestione dei rifiuti radioattivi, senon altro per lo smaltimento di quelli deriva-ti dalle sopraccitate fonti diverse dai reattori.

L’atomo tra guerra e pace

Una raffica di esplosioni nuclearifanno di Bikini l’atollo delle prove

Tra il 1946 e il 1958 suBikini vennero sperimentatele bombe nucleariall'idrogeno. Nel giro didodici anni l'atollo diBikini e il vicino atollo diEniwetok furono sottoposti asessantasette esperimentinucleari, inclusa la Bombaall'idrogeno fatta esplodere aBikini. Prima di condurrequesti esperimenti lapopolazione venne spostatasull' atollo di Rongerik.

Per testare gli effettidell’esplosione nelle lagunedell’atollo furono ormeggiatealcune navi della Marinastatunitense“sopravvissute”alla guerra: ecco nella fotogli effetti sulla portaereiIndependence.(r.g.)

Per testare gli effetti delleesplosioni numerose navisopravvissute alla guerrafurono ormeggiate nellalaguna per testare glieffetti distruttivi dellebombe nucleari

Nucleare

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Ciascun paese ha quindi il dovere imprescin-dibile di non lasciare alle generazioni futureil fardello di una non corretta gestione deiR.R. prodotti dalle generazioni attuali.La radioattività associata ad un rifiuto ra-dioattivo non può essere annullata da nessunintervento chimico o fisico. Si può solo farericorso alla sua proprietà di diminuire natu-ralmente con il tempo (decadimento), conuna velocità che dipende dai radioisotopipresenti. Poiché l’obiettivo primario dellagestione dei R.R. è quello di ridurre al mini-mo tecnicamente possibile il rischio radiolo-gico ad essi associato per le generazioni at-tuali e future, ne consegue che la gestionedei rifiuti è basata sul loro confinamento,cioè sul loro isolamento dall’ambiente natu-rale e dall’uomo finché la loro radioattivitànon sia diminuita a valori equiparabili aquelli del fondo naturale. Il tempo necessa-rio per raggiungere tale livello dipende daitempi di dimezzamento dei radioisotopi inessi contenuti . Pertanto, la prassi ormai consolidata a livellointernazionale vede una classificazione deiR.R. in base ai tempi di dimezzamento degliisotopi radioattivi in essi contenuti, al livellodi attività (alta, media e bassa attività) e allaforma fisica (liquidi, solidi).Esistono diversi sistemi di classificazionedei R.R., a livello nazionale e internazionale,che, in buona sostanza, possono essere rias-sunti come riportato di seguito.

Rifiuti a media e bassa attività, lacui radioattività decade a livellonaturale in un tempo pari ad alcu-ne centinaia di anni (tipicamente300 anni). Questi rifiuti, che costituiscono, in ter-mini di volume, la parte più importante

dei R.R., provengono dall’esercizio dellecentrali nucleari e degli impianti del ciclo delcombustibile e da particolari attività medico-diagnostiche e di ricerca. Una classe importante di questa categoria èrappresentata dai R.R. provenienti dallosmantellamento delle centrali nucleari e de-gli impianti del ciclo del combustibile, il co-siddetto decommissioning, che non viene quitrattato, ma costituisce un’attività comples-sa, in pieno sviluppo, che presenta specifi-che tecnologie e criteri di sicurezza.I rifiuti di media e bassa attività sono “tratta-ti”, cioè sottoposti a processi di riduzione divolume (evaporazione, se sono liquidi; com-pattazione, se sono solidi) e quindi “condi-zionati”, cioè inglobati in una matrice inerte,generalmente cemento con caratteristichespeciali certificate.Il deposito definitivo di questi manufatti ce-mentizi, che decadono in un tempo dell’or-dine di alcuni secoli, è realizzato in depositisuperficiali o sub-superficiali, nei quali l’i-solamento è assicurato dal manufatto stesso

L’atomo tra guerra e pace

Propulsione ed energia nello spazio:i generatori nucleari della “Cassinis”La sonda Cassini è unasonda spazialeinterplanetaria, lanciatanel 1997, con il compitodi studiare il sistema diSaturno, comprese le suelune e i suoi anelli. Essaprende il nomedall'astronomo italianoGian Domenico Cassiniche, verso la fine del‘600, ebbe un ruolo diprimaria importanzanello studio di Saturno e dei suoi anelli.Arrivata “adestinazione” nel 2004svolse brillantemente il suo compito anche per il sistema di produzionedell’elettricità necessaria.

Al lancio, i generatoriatomici della Cassiniprovocarono numerosepolemiche da parte diambientalisti chesottolineavano il rischio dicontaminazione ambientalein caso di incidente.I generatori atomici della

Cassini sono unità RTGpassive: non hanno reattoriatomici, ma sfruttanosemplicemente il caloreprodotto dal decadimentoradioattivo di una piccolaquantità di plutonio perprodurre la correnteelettrica a bordo. (r.g.)

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Questi manufatti, ad altissima radioattività,emettono una rilevante quantità di calore, chediminuisce con il tempo. Essi sono pertantostoccati in apposite strutture, dei pozzi venti-lati e schermati annessi all’impianto di vetri-ficazione, e successivamente in contenitorischermati (cask) dello stesso tipo di quelliusati per gli elementi di combustibile irrag-giato. Il deposito definitivo dei manufatti ci-lindrici contenenti il vetro radioattivo, conte-nente, oltre ai prodotti di fissione, anche il re-siduo di plutonio e i “transuranici minori”,deve essere costituito da una formazione geo-logica profonda e stabile, che assicuri essastessa l’isolamento necessario per centinaiadi migliaia di anni. Non esistono oggi nelmondo depositi di questo tipo, ma solo labo-ratori sotterranei pilota aventi lo scopo di ve-rificare, con misure sperimentali in situ basa-te su studi teorici di modellistica, la fattibilitàe affidabilità a lungo temine di questa solu-zione, sulla quale esiste, almeno in via diprincipio, un generale consenso degli esperti.

È in corso uno studio di fattibi-lità per la realizzazione di un sitounico di stoccaggio geologicoper questo tipo di rifiuti che pos-sa essere utilizzato da tutti i pae-si europei. In attesa della validazionedella tecnologia di stoccaggio definiti-

vo, questi rifiuti sono oggi generalmente in fa-se di immagazzinamento temporaneo (tempoprevisto: 50-100 anni), per permettere unasensibile riduzione del calore da essi emesso.Sono in corso attività di ricerca, a livello teori-co e sperimentale (impianto pilota), al fine dimigliorare la gestione dei rifiuti liquidi ad altaattività provenienti dal reprocessing, basatasui seguenti principi: minimizzazione dellaconcentrazione di plutonio nella “soluzioneHLW” e separazione dei “transuranici mino-ri” in essa contenuti. In tal modo si ottiene unvetro radioattivo praticamente esente da emet-titori alfa a lunga vita, e costituito sostanzial-mente dai prodotti di fissione, che decadonomolto più rapidamente.

Ne consegue che la fase di depo-sito a lungo termine in formazio-ni geologiche, pur sempre neces-saria, dovrà essere prevista suun arco di tempo più breve, del-l’ordine delle migliaia di anni.Inoltre, il nettunio e l’americio, così se-

parati, possono essere “bruciati” a loro volta,in un reattore nucleare, originando prodottidi fissione, a decadimento più rapido. Il rife-rimento normativo generale, valido per tutti iPaesi membri dell’Agenzia internazionaledell’Energia Atomica di Vienna, è la “Con-venzione Internazionale Congiunta sulla Si-curezza della Gestione del Combustibile Ir-raggiato e sulla Sicurezza della Gestione deiRifiuti Radioattivi”, promossa dall’Agenziastessa e ratificata dall’Italia nel 2006.

e dalle misure ingegneristiche di conteni-mento del deposito. La tecnologia di tratta-mento e condizionamento di questo tipo dirifiuti è ormai definita e consolidata. Esisto-no in Europa due importanti esempi di talidepositi: l’Aube, in Francia ed El Cabril inSpagna, punto di riferimento per le realizza-zioni future di depositi definitivi di questo ti-po. Non sono certo “discariche” ma impiantitecnologici di alta qualità, dotati dei necessa-ri supporti e servizi scientifici, scelti con ilcoinvolgimento delle popolazioni e ammini-strazioni locali, forieri di sviluppo economi-co e sociale.

Rifiuti ad alta attività contenentiemettitori-alfa a lunga vitaLa loro radioattività decade a livellonaturale in un tempo dell’ordine mi-gliaia o di centinaia di migliaia di anni.Un esempio tipico di questi rifiuti,

strettamente legati all’utilizzo della fonte nu-cleare a scopi energetici, è costituito dallagià citata soluzione acquosa (altamente ra-dioattiva, chiamata di seguito “soluzioneHLW”) prodotta negli impianti di reproces-sing, che contiene il 99% dei prodotti di fis-sione originariamente presenti nel combusti-bile nucleare irraggiato. La tecnologia mo-derna di reprocessing, ancora imperfetta, la-scia nella soluzione piccole quantità di plu-tonio residuo e tracce significative di radioi-sotopi di elementi transuranici, emittenti alfaa lunga vita, quali nettunio, americio e curio(detti composti “transuranici minori”). Anche questi tipi di rifiuti devono essere“trattati” per ridurne il volume, ma il loro“condizionamento” viene effettuato in unamatrice vetrosa, la cui composizione e carat-teristiche sono state lungamente studiate; ta-le matrice è dotata di stabilità e capacità diritenzione/contenimento degli isotopi ra-dioattivi certificate.La tecnologia della vetrificazione dei rifiutiliquidi ad alta attività è ormai applicata a li-vello industriale. Questo processo è tipica-mente applicato alla “soluzione HLW”: do-po opportuna concentrazione, l’acqua vieneevaporata e i prodotti di fissione, allo stato diossidi, vengono incorporati, ad alta tempera-tura, in un vetro fuso che viene colato in con-tenitori cilindrici stagni in acciaio. Per ognitonnellata di ossido di uranio irraggiato ri-trattato si producono mediamente 150 litri divetro (pari a circa 400 kg).

DOSSIER

In un camponei dintornidi Cernobyl

Nucleare

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Conclusioni, per un Paese

che decida di ricorrere all’ energia

nucleareTenuto conto dei rischi associatiall’utilizzo dell’energia nucleareda fissione per la produzione dienergia elettrica, dello stato del-l’arte e delle prospettive di svi-luppo della tecnologia in tale set-tore, un Paese che decida di ri-

correre a questa fonte energetica de-ve necessariamente disporre dei re-quisiti di seguito riportati.• Un’architettura istituzionale, centrale e peri-ferica e un impianto legislativo che definisca icriteri generali di sicurezza nucleare e radio-protezione, anche in riferimento alle normati-ve internazionali e garantisca una chiara di-stinzione di compiti e responsabilità tra il ge-store delle installazioni nucleari (centrali nu-cleari e impianti del ciclo del combustibile),primo responsabile del loro esercizio in con-dizioni di massima sicurezza, e un’autorità in-dipendente per la sicurezza nucleare e la ra-dioprotezione, dotata delle competenze, risor-se e poteri necessari per una efficace funzionedi sorveglianza e controllo delle installazioni.

• Un sistema istituzionale di raccordo e con-certazione continua tra l’amministrazionecentrale e le autonomie locali, quale condi-zione preliminare indispensabile per ognidecisione che deve essere assunta nell’inte-resse nazionale, nel rispetto delle istanze lo-cali. Si pensi, ad esempio, alla scelta di unsito nazionale di deposito dei R.R. di mediae bassa attività, esigenza imprescindibile an-che in assenza di un programma energeticonucleare.• La formazione di esperti ed operatori a tut-ti i livelli del settore a cura dell’Università edi Enti di ricerca, che assicuri almeno il con-tinuo aggiornamento sulla tecnologia: reattoridi “IV Generazione”, strategie avanzate di ge-stione dei rifiuti radioattivi a lunga vita, ecc.• Un sistema che assicuri, con l’aiuto di unnetwork di scienziati, la comunicazionecontinua con l’opinione pubblica, i media,ecc..., con una paziente opera di informa-zione corretta e trasparente. Ciò risulta ne-cessario affinché la sicurezza del “nuclea-re”, pur con i suoi limiti, non sia apodittica-mente proclamata dagli “esperti”, soventeguardati con sospetto, ma diventi realmentepercepita dal cittadino correttamente infor-mato. Si pensi, in particolare, al problemadella gestione dei rifiuti radioattivi: l’accet-tazione da parte dell’opinione pubblica è,in questo caso, prerequisito indispensabileper l’avvio di un qualunque programmaenergetico nucleare.

Giuseppe RolandiChimico, ex Direttore dell’Unità Rifiuti

Radioattivi e Disattivazione Impianti dell’ENEA

Le centrali nucleari in funzione in Europa