Le centrali nucleari sfruttano l'energia rilasciata dalla fissione e la usano per guidare i generatori che producono elettricità. Sebbene l'energia nucleare contribuisca solo al 20% circa dell'elettricità generata negli Stati Uniti, la capacità nucleare della nazione è la più alta di qualsiasi altro paese: 101 gigawatt nel 2010.
Componenti comuni di energia nucleare
I reattori nucleari hanno questi componenti in comune:
Carburante - L'uranio, un minerale di metalli pesanti radioattivo, è il combustibile più comune per i reattori nucleari. Seguendo il processo di arricchimento, l'uranio diventa un carburante molto concentrato.
Un reattore nucleare commerciale richiede migliaia di libbre di carburante arricchito di uranio per poter funzionare. Le centrali nucleari civili negli Stati Uniti acquistano annualmente circa 50 milioni di sterline di uranio (equivalente U3O8), la maggior parte delle quali proviene dall'estero.
L'uranio viene estratto in luoghi di tutto il mondo, principalmente in Kazakistan, Canada, Australia e Africa. Gli Stati Uniti sono tra i primi 10 produttori di uranio.
Barre di controllo - Realizzate con un materiale che assorbe i neutroni come cadmio, afnio o boro, le barre di controllo sono inserite o estratte dal nucleo per controllare la velocità di reazione o per arrestarla se necessario.
Moderatore - Materiale nel nucleo del reattore che rallenta i neutroni rilasciati dalla fissione in modo da causare più fissione.
Il moderatore è solitamente acqua (leggera) ordinaria, ma può essere acqua pesante (D20) o grafite.
Liquido refrigerante - Liquido o gas che circola attraverso il nucleo per trasferire il calore da esso. Nei reattori ad acqua leggera, il moderatore dell'acqua funziona anche come refrigerante primario.
Contenimento - I reattori nucleari sono racchiusi in strutture di cemento pesantemente rinforzate per impedire alla radioattività di fuoriuscire nell'atmosfera.
Processo di base di energia nucleare
La fisica nucleare è molto tecnica, ma il processo di base per produrre elettricità con l'energia nucleare è il seguente:
Il nucleo del reattore produce calore e radioattività in un processo chiamato fissione, comunemente noto come scissione dell'atomo. All'interno del nucleo del reattore si trova il combustibile nucleare di uranio. Mentre i nuclei dell'uranio si dividono, rilasciano i neutroni. Quando i neutroni colpiscono altri atomi di uranio, anche quei nuclei si dividono, rilasciando i loro neutroni per colpire altri atomi, causando più fissione. Questa spaccatura atomica continua è una reazione a catena.
Il calore proveniente dalle reazioni di fissione controllate viene utilizzato per produrre vapore dall'acqua, direttamente come nel reattore ad acqua bollente (BWR), o indirettamente come nel reattore ad acqua pressurizzata (PWR), che contiene un generatore di vapore.
Il vapore guida una turbina che alimenta un generatore.
Il generatore produce elettricità che viene distribuita alla rete elettrica.
Tipi di reattori nucleari
In tutto il mondo vengono utilizzati vari tipi di reattori nucleari. Tuttavia, i tipi più comuni sono reattori ad acqua pressurizzata (PWR) e reattori ad acqua bollente (BWR), che sono classificati come reattori ad acqua leggera. Negli Stati Uniti, PWR e BWR sono gli unici due tipi di centrali nucleari commerciali in funzione.
- Reattore ad acqua bollente (BWR) - In questo tipo di reattore, la fissione produce calore che fa bollire l'acqua nel nocciolo del reattore. Il vapore dell'acqua bollente alimenta una turbina che aziona un generatore per produrre elettricità. I reattori dell'impianto Fukushima Naiishi, nel nord-est del Giappone, danneggiati nel terremoto e nello tsunami del marzo 2011 sono BWR.
- Reattore ad acqua pressurizzata (PWR) - Questo tipo di reattore è il più comune per la produzione di energia. Usa l'acqua come refrigerante e moderatore, un agente che aiuta a controllare la velocità della fissione. Nel sistema di raffreddamento primario chiuso l'acqua, riscaldata dall'energia termica proveniente dalla fissione mentre passa attraverso l'anima, viene mantenuta ad alta pressione e quindi non bolle. Il vapore viene prodotto in un circuito di raffreddamento secondario e viene utilizzato per alimentare una turbina che aziona un generatore elettrico.
- Reattori moderati CANDU e acqua pesante - Questi progetti utilizzano l'acqua pesante come moderatore. L'acqua pesante - con il deuterio che sostituisce i due atomi di idrogeno - mentre il moderatore rallenta i neutroni nel processo di fissione e consente l'uso di uranio naturale, piuttosto che l'uranio arricchito come combustibile.
- Reattore modulare a ghiaia - Un reattore ad alta temperatura che utilizza refrigerante ad elio e carburante racchiuso in sfere di grafite e carburo di silicio per garantire il contenimento del prodotto di fissione e la resistenza alla fusione.