2. Concetti base di una centrale nucleare

Prima di proseguire e capire bene cosa è successo alla centrale, bisogna spendere due parole sul funzionamento di una centrale nucleare del tipo di quelle in esercizio a Fukushima Dai-ichi. Questa descrizione non è assolutamente esaustiva, naturalmente, e rimandiamo per alcuni approfondimenti ai vari link segnalati nel corso dell'articolo.
Come le centrali a carbone, a gas e geotermiche, una centrale nucleare produce energia elettrica trasformando una riserva di acqua in vapore, che viene fatto passare attraverso delle turbine che permettono di produrre elettricità. Nelle centrali nucleari, il calore necessario a riscaldare l'acqua proviene dalla fissione nucleare: quando un nucleo di uranio viene colpito da un neutrone, questo si scinde in due nuclei più leggeri liberando una certa quantità di energia sotto forma di energia cinetica dei prodotti di fissione, più una media di 2.5 neutroni per reazione. Questi neutroni, colpendo altri nuclei di uranio, permettono alla reazione di sostenersi. La reazione viene controllata inserendo delle barre di controllo, fatte di un materiale che assorbe i neutroni e che quindi tendono a spegnere la reazione (ma non è certo questo l'unico modo di controllo!).

Il combustible nucleare è fatto da piccole pastiglie (pellet) composte generalmente da diossido di uranio e prodotte in una sorta di materiale ceramico. Questi pellet sono inseriti in lunghe barre di zircaloy, a sua volte assemblate in moduli (gli elementi di combustibile).

Lo zircaloy è una lega speciale che fra l'altro resiste agli stress termici, è trasparente ai neutroni e permette una buona conduzione del calore. Questa rappresenta la seconda barriera di separazione del combustibile dall'ambiente esterno (la prima è la struttura ceramica del pellet stesso), e fra i suoi scopi c'è quello di mantenere confinati i prodotti di fissione all'interno delle barre di combustibile, in particolare quelli gassosi. L'insieme dei vari elementi di combustibile formano il cosiddetto nucleo, chiamato anche nocciolo o core.
Il nocciolo è inserito in un contenitore di acciaio ermetico, nel quale viene iniettata l'acqua destinata a trasformarsi in vapore e che ha di fatto la funzione di raffreddare il nucleo stesso. In altri termini, raffreddando il nucleo questa massa di acqua porta via abbastanza calore da farla passare allo stato di vapore, ed è questo vapore che aziona le turbine. Questa parte del circuito idraulico prende il nome di circuito primario. Il contenitore di acciaio prende il nome di RPV (Reactor Pressure Vessel) ed è il terzo livello di contenimento rispetto al mondo esterno.
Il RPV e le sue strutture ausiliarie sono racchiuse a loro volta in un contenimento di calcestruzzo rinforzato da acciaio chiamato PCV (Pressure Containement Vessel) che ha lo scopo, fra le altre cose, di contenere la diffusione della contaminazione in caso di emergenza. Il PCV è suddiviso in due zone: una parte "asciutta", chiamata drywell e che contiene il RPV, e una parte "bagnata", chiamata wetwell. Il wetwell è chiamato così perché contiene una grande quantità di acqua (la suppression pool o piscina di soppressione) che permette di scaricare l'eventuale pressione in eccesso nel PCV. 

 

La configurazione adottata nei reattori BWR di Fukushima Dai-ichi è chiamata MARK-I, e prevede una caratteristica forma toroidale per la suppression pool (le parti indicate con un numero sono spiegate qui).

All'esterno di tutto questo, un ulteriore e ultimo livello di protezione è costituito dall'edificio stesso del reattore. Si tratta di una costruzione industriale che serve per proteggere dagli agenti esterni tutti i servizi del reattore esterni al PCV, le tubature, le valvole e le piscine del combustibile esausto o di stoccaggio. Queste ultime sono delle apposite piscine di circa 15 m x 15 m x 15 m in cui vengono conservati gli elementi di combustibile estratti dal nocciolo, che sono fortemente radioattivi a causa del loro contenuto di prodotti di fissione, per farli raffreddare prima di essere trasportati in un deposito di stoccaggio centralizzato.
Occorre infatti precisare che gli elementi di combustibile irraggiati, come sono anche quelli in un reattore fermo, continuano a emettere calore (calore residuo) a causa del decadimento dei nuclidi radioattivi prodotti dalla fissione. Al momento dello spegnimento di un reattore come quelli di Fukushima questo calore corrisponde a circa 100 MW e dopo un anno nel reattore c'è ancora ancora una potenza termica residua di qualche megawatt (un approfondimento su questo tema qui). Questo implica una cosa fondamentale: anche a reattore spento bisogna continuare a raffreddare il nocciolo per un certo periodo di tempo. Siccome in cold shutdown (come si chiama lo stato di reattore spento) non c'è il raffreddamento dovuto al circuito primario, esiste un sistema ausiliario che si occupa di questo chiamato RHR (Residual Heat Remover). Se questo raffreddamento viene meno, l'acqua nel nocciolo si riscalda fino a entrare in ebollizione, e una volta evaporata le barre di combustibile cominciano a fondere. Si tratta del cosiddetto meltdown. La stessa sorte attende le barre di combustibile depositate nelle piscine di stoccaggio se il raffreddamento garantito da un sistema analogo all'RHR viene meno. Il problema delle piscine è in realtà molto delicato, se si pensa che gli elementi di combustibile non sono all'interno del RPV come avviene per il nocciolo. Potete trovare un approfondimento sui sistemi di raffreddamento di un reattore BWR qui.
E' appena il caso di notare che tutti questi sistemi hanno bisogno di elettricità per funzionare. In caso di interruzione dell'alimentazione elettrica, i reattori non sono però certo abbandonati a sé stessi: esiste infatti un generatore elettrico di emergenza costituito da diverse grosse unità diesel, capaci di produrre la corrente necessaria a mantenere i sistemi di emergenza in funzione e permettere così il normale spegnimento dei reattori. Nel caso anche i generatori diesel fallissero, esiste un ulteriore sistema di backup a batterie in corrente continua. Questo sistema è l'ultima barriera prima dell'interruzione completa di elettricità ai sistemi ed è concepito per resistere una decina di ore circa, normalmente abbastanza da permettere agli operatori di ripristinare il funzionamento almeno dei diesel. Questo è un punto essenziale da ritenere per comprendere quanto accaduto a Fukushima Dai-ichi.
Due domande potrebbero ora sorgere spontanee:

• Perché le barre di combustibile usato altamente radioattive e calde sono tenute così vicine al reattore? La risposta è perché le barre estratte dal nucleo, ad esempio dopo una ricarica di combustibile, sono talmente calde e radioattive che non possono essere esposte all'aria. Esse devono essere maneggiate sempre restando sotto l'acqua, che raffredda e scherma le radiazioni. Esiste infatti un sistema di gru e di compartimenti che permette di passare il combustibile esausto direttamente dal nocciolo alla piscina restando sommerso.
• Perché le centrali erano lungo la costa? Perché le centrali hanno bisogno di grossi quantitativi di acqua per smaltire il calore in eccesso a valle delle turbine. Questo vapore deve essere condensato e rinviato nel circolo di raffreddamento primario verso il nocciolo (questo vale per reattori BWR come quelli di Fukushima. Altri tipi di reattori hanno una diversa configurazione, gli interessati troveranno qui una breve descrizione delle varie filiere). Il circuito che raffredda quest'acqua, fisicamente separato dal circuito primario, è quello che necessita di grandi bacini di acqua esterni per mantenere basse la temperatura in questa parte del circuito. Gli scarichi all'esterno di questo raffreddamento non possono infatti superare i circa 30°C per ragioni ambientali. Per questa ragione, le centrali nucleari devono essere costruite vicino grandi bacini, mare o laghi.
  

Per semplificare la discussione, qui troverete un link agli acronimi più comuni utilizzati nel campo.