Possiamo generare energia elettrica attraverso l'energia nucleare. In una centrale nucleare, l'energia elettrica viene generata tramite reazione nucleare. Qui, elementi radioattivi pesanti come l'uranio (U235) o il torio (Th232) sono sottoposti a fissione nucleare. Questa fissione avviene in un apparecchio speciale chiamato reattore.
Nel processo di fissione, i nuclei degli atomi radioattivi pesanti vengono spezzati in due parti quasi uguali. Durante questa rottura dei nuclei, viene rilasciata una grande quantità di energia. Questo rilascio di energia è dovuto a un difetto di massa. Ciò significa che la massa totale del prodotto iniziale si riduce durante la fissione. Questa perdita di massa durante la fissione viene convertita in energia termica secondo la famosa equazione stabilita da Albert Einstein.
Il principio fondamentale di una centrale nucleare è lo stesso di una centrale termoelettrica convenzionale. L'unica differenza è che, invece di utilizzare il calore generato dalla combustione del carbone, in una centrale nucleare, il calore generato dalla fissione nucleare viene utilizzato per produrre vapore dall'acqua nella caldaia. Questo vapore viene utilizzato per azionare una turbina a vapore.
Questa turbina è il motore principale dell'alternatore. L'alternatore genera energia elettrica. Anche se la disponibilità di combustibile nucleare non è molto elevata, una piccola quantità di combustibile nucleare può generare una grande quantità di energia elettrica.
Questa è la caratteristica unica di una centrale nucleare. Un chilogrammo di uranio equivale a 4500 tonnellate metriche di carbone di alta qualità. Ciò significa che la completa fissione di 1 kg di uranio può produrre tanta energia quanto quella prodotta dalla completa combustione di 4500 tonnellate metriche di carbone di alta qualità.
Per questo motivo, anche se il combustibile nucleare è molto più costoso, il costo del combustibile nucleare per unità di energia elettrica è ancora inferiore al costo dell'energia generata con altri combustibili come il carbone e il gasolio. Per far fronte alla crisi dei combustibili convenzionali nell'era attuale, le centrali nucleari possono essere le alternative più adatte.
Come abbiamo detto, il consumo di combustibile in questa centrale è piuttosto basso e, pertanto, il costo per generare un'unità di energia è notevolmente inferiore rispetto ad altri metodi convenzionali di generazione di energia. La quantità di combustibile nucleare richiesta è anche minore.
Una centrale nucleare occupa uno spazio molto più piccolo rispetto ad altre centrali convenzionali della stessa capacità.
Questa centrale non richiede molta acqua, quindi non è necessario costruire la pianta vicino a fonti naturali di acqua. Inoltre, non richiede una grande quantità di combustibile, quindi non è necessario costruire la pianta vicino a una miniera di carbone o in un luogo dove siano disponibili buone strutture di trasporto. A causa di ciò, la centrale nucleare può essere stabilita molto vicino al centro di carico.
Ci sono grandi depositi di combustibile nucleare in tutto il mondo, quindi tali impianti possono garantire un approvvigionamento continuo di energia elettrica per migliaia di anni a venire.
Il combustibile non è facilmente disponibile ed è molto costoso.
Il costo iniziale di costruzione di una centrale nucleare è piuttosto elevato.
L'erezione e la messa in servizio di questa pianta sono molto più complesse e sofisticate rispetto ad altre centrali convenzionali.
I sottoprodotti della fissione sono di natura radioattiva e possono causare una forte inquinamento radioattivo.
Il costo di manutenzione è più alto e la forza lavoro richiesta per gestire una centrale nucleare è notevolmente superiore, poiché sono necessarie persone specializzate e formate.
Le fluttuazioni improvvise del carico non possono essere gestite efficacemente dalle centrali nucleari.
Poiché i sottoprodotti delle reazioni nucleari sono altamente radioattivi, la loro disposizione è un problema molto grande. Possono essere disposti solo in profondità nel terreno o in mare, lontano dalla costa.
Una centrale nucleare ha principalmente quattro componenti.
Reattore nucleare
Scambiatore di calore
Turbina a vapore
Alternatore
Discutiamo questi componenti uno per uno:
In un reattore nucleare, l'uranio 235 è sottoposto a fissione nucleare. Esso controlla la reazione a catena che inizia quando la fissione viene eseguita. La reazione a catena deve essere controllata, altrimenti il tasso di rilascio di energia sarà rapido, con una alta probabilità di esplosione. Nella fissione nucleare, i nuclei del combustibile nucleare, come U235, vengono bombardati da un flusso lento di neutroni. A causa di questo bombardamento, i nuclei dell'uranio si rompono, causando il rilascio di una grande quantità di energia termica e, durante la rottura dei nuclei, vengono emessi anche molti neutroni.
Questi neutroni emessi sono chiamati neutroni di fissione. Questi neutroni di fissione causano ulteriori fissioni. Ulteriori fissioni creano più neutroni di fissione, che accelerano ulteriormente la velocità di fissione. Questo è un processo cumulativo.
Se il processo non viene controllato, in un tempo molto breve, il tasso di fissione diventa così alto che rilascia una quantità enorme di energia, con una possibile esplosione pericolosa. Questa reazione cumulativa è chiamata reazione a catena. Questa reazione a catena può essere controllata solo rimuovendo i neutroni di fissione dal reattore nucleare. La velocità della fissione può essere controllata cambiando il tasso di rimozione dei neutroni di fissione dai reattori.
Un reattore nucleare è un serbatoio a pressione cilindrico. Le barre di combustibile sono fatte di combustibile nucleare, ovvero uranio, e sono generalmente ricoperte di moderatori, solitamente realizzati in grafite. I moderatori rallentano i neutroni prima della collisione con i nuclei di uranio. Le barre di controllo sono fatte di cadmio, in quanto il cadmio è un forte assorbitore di neutroni.
Le barre di controllo sono inserite nella camera di fissione. Queste barre di cadmio possono essere spinte giù e tirate su a seconda delle esigenze. Quando queste barre sono spinte abbastanza giù, la maggior parte dei neutroni di fissione viene assorbita da queste barre, interrompendo la reazione a catena. Di nuovo, mentre le barre di controllo vengono tirate su, la disponibilità di neutroni di fissione aumenta, aumentando il tasso di reazione a catena.
Quindi, è chiaro che regolando la posizione delle barre di controllo, il tasso di reazione nucleare può essere controllato e, conseguentemente, la generazione di energia elettrica può essere controllata in base alle esigenze del carico. In pratica, il movimento delle barre di controllo è controllato da un sistema di retroazione automatico in base alle esigenze del carico. Non è controllato manualmente. Il calore rilasciato durante la reazione nucleare viene portato allo scambiatore di calore tramite un fluido refrigerante composto da sodio metallico.
Nello scambiatore di calore, il calore trasportato dal sodio metallico viene dissipato nell'acqua e l'acqua viene convertita in vapore ad alta pressione. Dopo aver rilasciato calore nell'acqua, il fluido refrigerante di sodio torna al reattore tramite una pompa circolante.
In una centrale nucleare, la turbina a vapore svolge lo stesso ruolo di una centrale a carbone. Il vapore aziona la turbina nello stesso modo. Dopo aver svolto il suo lavoro, il vapore di scarico entra in un condensatore di vapore dove viene condensato per fornire spazio al vapore dietro di esso.
