Come l’energia nucleare arriva dalla centrale al consumatore

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L’energia nucleare è una delle tecnologie più discusse e affascinanti del panorama energetico: nei reattori, minuscole variazioni di massa si trasformano in calore capace di alimentare intere città. Ma come si passa dal cuore del reattore alla lampadina di casa? In questa guida completa lo raccontiamo passo dopo passo, con uno sguardo a vantaggi, rischi, sicurezza, ciclo del combustibile e situazione in Brasile e nel mondo.

Prima di addentrarci nei dettagli del viaggio dell’elettricità, facciamo un quadro generale: le centrali nucleari non bruciano combustibili fossili, ma usano reazioni nel nucleo atomico per generare calore. Tra i processi possibili, oggi la produzione elettrica si basa soprattutto sulla fissione controllata dell’uranio, mentre la fusione è ancora in fase sperimentale. E sì, ci sono vantaggi e svantaggi: niente emissioni di gas serra in esercizio, ma servono gestione rigorosa dei rifiuti radioattivi e sistemi di sicurezza ridondanti.

Cos’è l’energia nucleare

L’energia nucleare, detta anche energia atomica, nasce da trasformazioni dei nuclei di alcuni elementi, come uranio e, in contesti di ricerca, deuterio e trizio. In pratica, una parte di massa si converte in energia secondo il principio di equivalenza massa–energia. Queste reazioni possono avvenire spontaneamente o essere indotte e controllate dentro specifici impianti chiamati reattori.

Per la generazione elettrica civile, la via maestra è la fissione: i nuclei di elementi pesanti (soprattutto uranio-235) si spezzano in frammenti più leggeri liberando calore e neutroni. Il calore prodotto viene poi convertito in elettricità: non c’è combustione tradizionale, quindi in esercizio la centrale non emette CO2 o NOx; ciò non toglie che l’intero ciclo del combustibile, dalla miniera allo smantellamento, comporti emissioni indirette e impatti ambientali da minimizzare.

Come funziona una centrale nucleare (PWR) dal reattore alla turbina

Il cuore dell’impianto è il reattore. Nelle centrali ad acqua pressurizzata (PWR), tra le più diffuse al mondo, le pastiglie ceramiche di UO2 sono impilate in barrette metalliche che formano gli elementi di combustibile; nei canali del nocciolo, una reazione a catena controllata libera calore che riscalda l’acqua del circuito primario.

Nel circuito primario, l’acqua raggiunge circa 320 °C ed è mantenuta a una pressione molto alta, circa 157 volte la pressione atmosferica, così da non bollire. Questa acqua, pur caldissima, non produce vapore direttamente: scambia calore nel generatore di vapore con l’acqua del circuito secondario, che invece si trasforma in vapore.

Il vapore del circuito secondario mette in rotazione la turbina a circa 1.800 giri/min; l’albero della turbina aziona il generatore elettrico che produce corrente alternata. Dopo aver ceduto energia, il vapore passa nel condensatore e torna acqua. Qui entra in gioco un terzo circuito indipendente (ad esempio acqua di mare) che raffredda il condensatore: i tre circuiti restano separati, evitando il contatto dell’acqua del reattore con gli altri fluidi.

Dal reattore alla presa di casa: come l’elettricità arriva al consumatore

Una volta prodotta, l’energia elettrica deve essere trasportata in modo efficiente. All’uscita del generatore, trasformatori elevatori alzano la tensione a valori dell’alta/altissima tensione per ridurre le perdite lungo le linee di trasmissione. Le reti di trasmissione portano l’energia alle aree di consumo, dove sottostazioni e trasformatori di zona abbassano progressivamente la tensione a livelli di media e bassa tensione.

Da qui entra in gioco la distribuzione locale: le cabine secondarie alimentano i quartieri e, attraverso le linee di bassa tensione, l’energia raggiunge abitazioni, negozi e industrie. Ogni utente è servito da un contatore che misura i kWh consumati. In sostanza, il calore generato nel nocciolo diventa vapore, poi energia meccanica in turbina e infine energia elettrica che viaggia su lunghe distanze fino alla presa di casa.

Fissione e fusione: due strade dell’energia nucleare

Vantaggi e svantaggi delle centrali nucleari

Vantaggi: in esercizio, le centrali nucleari non emettono gas serra e occupano superfici relativamente contenute rispetto ad altre fonti. Possono funzionare in modo continuo (base-load), con alta densità energetica e minor dipendenza da variabili climatiche. In più, il costo di combustibile per kWh è generalmente basso e la quantità di rifiuti in volume è ridotta, pur se radioattiva.

Svantaggi: la fonte è non rinnovabile (l’uranio è finito), i costi di capitale e di installazione sono elevati e la gestione del combustibile irraggiato richiede soluzioni sicure a lunghissimo termine. Va considerato anche il rischio di incidenti e l’impatto termico potenziale sui corpi idrici dovuto al raffreddamento.

Rischi, incidenti e sistemi di sicurezza

La storia ha conosciuto incidenti rilevanti: Three Mile Island (1979), con rilascio limitato e situazione sotto controllo; Chernobyl (1986), con contaminazione estesa e impatti sanitari e ambientali severi; Fukushima Daiichi (2011), innescato da terremoto e tsunami, con problemi di raffreddamento e esplosioni di idrogeno. Questi eventi hanno spinto a rafforzare le barriere di sicurezza e gli standard internazionali.

Il principio cardine è la Difesa in Profondità: più livelli indipendenti riducono la probabilità che un singolo guasto porti a conseguenze gravi. Nelle PWR, ad esempio, si adottano sistemi ridondanti e indipendenti per raffreddamento e arresto del reattore, con ridondanze anche quando un solo sistema sarebbe sufficiente a garantire la funzione.

Barriere fisiche tipiche della difesa in profondità (schema a sei livelli):

• Pastiglie di UO2 che trattengono gran parte dei prodotti di fissione.
• Guaina delle barrette di combustibile in lega speciale, sigillata.
• Vaso del reattore come contenimento primario.
• Schermature radiologiche che permettono l’accesso in sicurezza.
• Involucro d’acciaio ad alta resistenza.
• Contenimento in calcestruzzo spesso decine di centimetri come ultima barriera.

Il combustibile esausto resta caldo e radioattivo per tempi lunghi; per questo viene raffreddato in piscine e poi gestito in depositi asciutti o in impianti di stoccaggio geologico di lungo periodo. Il problema non è il volume, ma la longevità della radioattività: alcuni radionuclidi richiedono migliaia o milioni di anni per decadere a livelli innocui.

L’energia nucleare nel mondo

A livello globale, l’energia nucleare copre all’incirca il 10% della produzione elettrica e vicino al 5% dell’energia primaria. Gli Stati Uniti sono i maggiori produttori complessivi, mentre la Francia spicca per quota nel mix elettrico nazionale (molto elevata). In vari Paesi europei e asiatici la tecnologia è parte importante del sistema elettrico.

Negli ultimi anni si vedono tendenze diverse: estensioni di vita operativa dove la flotta è matura, nuove costruzioni in Cina, India e Turchia, riavvii e aggiornamenti tecnologici in Europa e Giappone, e politiche a sostegno (ad esempio incentivi fiscali negli USA). La Finlandia ha avviato un nuovo grande reattore, la Francia ha piani per nuovi impianti, mentre il Regno Unito punta a una capacità nucleare intorno a 24 GW entro metà secolo, includendo reattori di grande taglia e SMR.

L’energia nucleare in Brasile

Il Brasile dispone di due unità in esercizio, Angra 1 e Angra 2, nella Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto (Angra dos Reis, RJ). Angra 1 ha una potenza di circa 640 MW, mentre Angra 2 si attesta su 1.350 MW. Angra 3, in costruzione a fasi alterne, punta a circa 1.405 MW e una produzione annua superiore a 12 milioni di MWh a regime.

Nel mix elettrico nazionale, il contributo nucleare è relativamente contenuto: si parla di circa l’1% della capacità installata e intorno al 2–3% della generazione, con variazioni temporali. Nonostante ciò, il Paese è tra i pochi a disporre congiuntamente di risorse di uranio, tecnologia di arricchimento e centrali in esercizio. Le riserve di uranio note sono tra le più consistenti al mondo.

Ciclo del combustibile: dall’estrazione al reattore

Estrazione e concentrato: l’uranio si trova in minerali a basso tenore; grandi quantità di materiale vengono trattate per ottenere il yellowcake (diuranato d’ammonio), un concentrato di colore giallo che rappresenta la materia prima per i passaggi successivi, un tema della chimica nucleare.

Conversione: il concentrato viene purificato e trasformato in UF6 (esafluoruro di uranio), un composto gassoso adatto ai processi di arricchimento isotopico. Questa fase richiede una gestione attenta di sostanze corrosive e tossiche, come il fluoro.

Arricchimento: per le PWR serve portare la frazione di U-235 dal valore naturale (~0,7%) a circa il 3–5%. In Brasile si usa l’ultracentrifugazione: centrifughe che ruotano fino a circa 150.000 rpm separano isotopi più leggeri da quelli più pesanti; tecnologie avanzate riducono l’attrito (ad esempio sistemi magnetici), limitando usura ed energia dispersa.

Riconversione e fabbricazione: l’UF6 arricchito torna solido come UO2 e viene sinterizzato in pastiglie ceramiche. Le pastiglie sono inserite in barrette in lega di zirconio e assemblate in elementi combustibili. Un unico elemento può coprire il consumo elettrico mensile di decine di migliaia di abitazioni, a seconda della taglia del reattore.

Altre applicazioni dell’energia nucleare

Oltre alla generazione elettrica, la tecnologia nucleare è impiegata in propulsione navale (soprattutto sottomarini), medicina nucleare (diagnostica e terapie, come PET e radioterapia), irradiazione degli alimenti per sicurezza microbiologica, ricerca scientifica e spazio con i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) per sonde lontane dal Sole.

Nei programmi di lungo periodo figurano i reattori di III+ generazione con funzioni di sicurezza passiva e i concetti di IV generazione (ad esempio reattori a sali fusi), pensati per efficienza, resilienza e rifiuti ridotti. Si studiano anche SMR (Small Modular Reactors) per semplificare costruzione ed esercizio.

Impatto ambientale, rifiuti e considerazioni di filiera

In esercizio, una centrale nucleare non rilascia gas climalteranti e non richiede grandi bacini come un impianto idroelettrico. Tuttavia, l’intera catena del combustibile (miniera, processo, logistica, costruzione e decommissioning) comporta emissioni indirette e consumi energetici, in genere inferiori alle fonti fossili ma non nulli. C’è poi il tema del riscaldamento dei corpi idrici dovuto al raffreddamento, da gestire con rigorosi limiti ambientali.

La gestione dei rifiuti radioattivi è cruciale: il volume è basso ma la radioattività persiste a lungo. Si usano piscine per il raffreddamento iniziale, poi depositi asciutti e, in prospettiva, depositi geologici profondi. Una parte del combustibile può essere riprocessata (l’uranio esaurito è in gran misura riutilizzabile; cicli con plutonio richiedono cautele speciali). Tutto avviene in conformità a norme severe di sicurezza radiologica e controllo internazionale.

Nucleare e solare: cosa cambia davvero

La differenza principale è la natura della fonte: il solare è rinnovabile e diffuso, ma variabile; il nucleare è non rinnovabile e concentrato, ma fornisce potenza continua indipendente dal meteo. In un mix ben progettato, le due tecnologie possono essere complementari: il solare eccelle nel picco diurno, il nucleare assicura base-load stabile e una riduzione delle emissioni quando le rinnovabili non sono disponibili.

In termini di suolo, gli impianti nucleari hanno un’impronta contenuta per unità di energia prodotta; il solare distribuito, al contrario, sfrutta superfici già edificate (tetti), con ottimi risultati economici per famiglie e imprese. La scelta non è “o l’uno o l’altro”: dipende dagli obiettivi di sicurezza energetica, costi, disponibilità di rete e consenso sociale.

Paesi leader e concentrazione della produzione

A livello globale, una quota molto alta della produzione nucleare è concentrata in pochi Paesi. Gli Stati Uniti detengono il primato per volumi complessivi; seguono Cina, Francia, Russia, Corea del Sud, Canada, Ucraina, Germania, Spagna, Svizzera, Regno Unito, Giappone, India, Belgio e Repubblica Ceca tra i principali attori storici o attuali. La tendenza recente vede la Cina in testa per nuove capacità, l’Europa impegnata tra rinnovi e nuove strategie e il Nord America focalizzato su estensioni, SMR e incentivi alla generazione a basse emissioni.

In varie sedi internazionali si discute di triplicare la capacità nucleare mondiale entro metà secolo per contribuire alla decarbonizzazione. Alcuni Paesi hanno annunciato piani di espansione, altri mantengono posizioni più caute; il quadro resta dinamico e influenzato da costi, tempi, autorizzazioni e accettabilità sociale.

Note operative su reattori e generazioni

I reattori più diffusi sono i LWR (Light Water Reactor), che includono PWR (acqua pressurizzata) e BWR (acqua bollente). Esistono anche reattori moderati ad acqua pesante e reattori veloci, alcuni concepiti per generare più combustibile fissionabile di quanto consumino (concetto breeder). Le generazioni III e III+ privilegiano la sicurezza passiva, mentre la IV generazione esplora concetti come sali fusi e raffreddamento a gas ad alta temperatura, con l’obiettivo di ridurre i rifiuti e aumentare efficienza e resilienza.

Senza mitizzare né demonizzare, il punto è che la tecnologia è in evoluzione e incorpora lezioni apprese da decenni di esercizio e dagli incidenti storici, con standard di sicurezza e supervisione internazionale sempre più stringenti.

L’energia nucleare porta elettricità dalle pastiglie di UO2 fino al contatore di casa attraverso tre circuiti termici separati, turbine, generatori e una rete di trasformatori e linee ad alta tensione. Garantisce potenza continua, ha impatti specifici da governare (soprattutto rifiuti e sicurezza), e nel mondo convive con rinnovabili e altre fonti in mix molto diversi tra loro. Capire come funziona, quali siano le barriere di protezione e come si gestisce il combustibile dalla miniera allo smantellamento, aiuta a valutare con realismo opportunità, limiti e prospettive di una fonte che resta centrale nel dibattito energetico globale.