Perché le centrali nucleari hanno bisogno di acqua?

Fondamentalmente, le centrali nucleari hanno bisogno di acqua perché sono grandi motori termici. Da questo punto di vista, le centrali nucleari funzionano come quelle a carbone e a gas. Funzionano tutte producendo enormi quantità di calore, che viene poi utilizzato per generare elettricità.

È un principio fondamentale dell'universo che il calore non può essere convertito direttamente in nessun'altra forma di energia. Questo non perché non sappiamo come farlo, ma perché la natura stessa del calore lo rende impossibile. Quello che possiamo fare è fare in modo che il calore fluisca da un luogo più caldo a un luogo più freddo, ed estrarre energia da questo flusso.

Il processo più efficiente che siamo stati in grado di progettare per generare elettricità dal flusso di calore è quello di utilizzare il calore per far bollire l'acqua in vapore, e poi far passare il vapore attraverso una serie di turbine che sono collegate a generatori elettrici. Questo è un processo ben compreso che è stato perfezionato da più di un secolo di ingegneria. Ma c'è un problema: alla fine del processo, il vapore deve essere condensato di nuovo in acqua prima di essere fatto passare di nuovo attraverso la fonte di calore. Se ti stai chiedendo perché questo accade, puoi pensarci in due modi:

1. In termini teorici, la massima efficienza di un motore termico è limitata dalla differenza di temperatura tra il serbatoio caldo e quello freddo. Maggiore è la differenza, più efficiente può essere un motore termico. Nel caso di un reattore nucleare, il serbatoio caldo è il recipiente del reattore e il serbatoio freddo è l'ambiente circostante. Per ottenere la massima quantità di elettricità, dobbiamo lasciare che la sostanza che trasporta il calore (l'acqua, in questo caso) si riscaldi fino alla temperatura del recipiente del reattore (che la trasforma in vapore surriscaldato) in un punto del suo ciclo e si raffreddi fino alla temperatura dell'ambiente circostante (che la trasforma nuovamente in liquido) in un altro punto.
2. In termini pratici, dobbiamo condensare di nuovo il vapore in acqua dopo che ha speso tutta la sua energia disponibile nelle turbine. Se non lo facessimo, il vapore si accumulerebbe nei tubi che si allontanano dalle turbine e aumenterebbe di pressione fino ad eguagliare la pressione nei tubi che alimentano le turbine. Allora le turbine si fermerebbero. L'unico modo per evitare che questo accada è quello di condensare continuamente il "vapore esausto" di nuovo in acqua liquida.

In entrambi i casi (come principio teorico o come questione pratica di ingegneria) il vapore esausto deve essere condensato. Questo implica scaricare un'enorme quantità di calore nell'ambiente circostante. Quindi come facciamo?

Un modo per gestire questo problema sarebbe quello di far passare il vapore esausto attraverso un enorme radiatore che irradierebbe continuamente calore nell'ambiente. In termini pratici, questo non funziona molto bene a causa dell'enorme quantità di calore che deve essere scaricata. Una centrale nucleare genera diverse centinaia di megawatt di calore quando funziona a piena potenza, e un radiatore abbastanza grande per fare il lavoro aggiungerebbe sensibilmente al costo della centrale (e l'energia nucleare è già molto costosa da costruire). Questa strategia riduce anche l'efficienza della centrale, perché non può raffreddare il vapore esausto ad una temperatura così bassa come altri metodi. Di conseguenza, questo tipo di sistema di raffreddamento a secco non è usato nelle centrali nucleari, ma solo nelle piccole centrali a gas.

Invece, le centrali nucleari gestiscono questo problema circondando i tubi del vapore esausto con un'altra serie di tubi che trasportano una fornitura separata di acqua fredda. Quest'acqua fredda assorbe il calore dal vapore, condensandolo di nuovo in acqua che può poi essere fatta passare di nuovo attraverso il reattore. Naturalmente, questo riscalda l'acqua fredda. Quindi come ci assicuriamo una fornitura continua di acqua fredda per la condensazione del vapore? Ci sono due modi per farlo.

Un sistema a passaggio unico prende continuamente acqua fredda da un fiume o da un altro corpo idrico vicino, la usa per condensare il vapore, e scarica l'acqua ora calda di nuovo nel fiume. Questo è facile ed economico, ma ha lo svantaggio di inquinare il fiume con il calore di scarto della centrale nucleare, il che è un male per l'ecosistema del fiume.

Un sistema a ricircolo umido fa passare l'acqua calda attraverso un'enorme torre di evaporazione, dove parte dell'acqua evapora e nel processo raffredda il resto. L'acqua rimanente, ora di nuovo fredda, viene rimandata indietro per condensare altro vapore. Viene prelevata dell'acqua supplementare da un fiume vicino o da un'altra fonte d'acqua per sostituire quella che evapora, ma ne serve molta meno che in un sistema a passaggio unico. L'acqua non viene restituita al fiume, quindi non viene inquinata dal calore. Invece, il calore di scarto viene scaricato nell'atmosfera, che può assorbirlo senza troppi problemi.

Così abbiamo capito. Abbiamo due modi diversi di raffreddare il vapore in una centrale nucleare, ed entrambi richiedono il prelievo di acqua da un fiume, da un lago o da un'altra fonte vicina.