Il mondo ha bisogno di molta energia. Lo sviluppo tecnologico odierno richiede molta più energia di quanta ne sia stata prodotta finora. I dati mostrano che maggiore è il PNL, maggiore è la produzione e il consumo di energia pro capite e maggiore è la produzione di energia, più alta è la longevità delle persone. La produzione di energia più comune si basa sulla combustione di fossili (legno, carbone, petrolio, gas naturale), ma queste risorse naturali si esauriranno presto o diventeranno proibitivamente costose. Le stime attuali variano da circa 50 a 150 anni. Prima o poi avremo bisogno di altre forme di energia. L'energia nucleare potrebbe essere la risposta?

Tutte le risorse naturali come l'energia geotermica, l'energia eolica, l'energia solare ecc. comportano costi elevati e, a causa del carattere intermittente dell'energia eolica o solare, richiedono un potente supporto sotto forma di sistemi energetici di base affidabili. L'energia idroelettrica è una fonte di energia importante ed economica e può operare in modo stabile come sistema di carico di base, ma le sue risorse sono limitate e in molti paesi queste risorse sono già state sfruttate fino all'esaurimento.

Abbiamo già una grande fonte di energia, altamente efficiente (più di qualsiasi altra!), a nostra disposizione – ovvero l'energia nucleare. Attualmente, circa il 16% dell'energia elettrica prodotta in tutto il mondo è nucleare. Questa energia può coprire la domanda energetica dell'umanità per migliaia di anni – e anche meglio, si stima che i reattori autofertilizzanti possano fornire energia per fino a qualche miliardo di anni! Il costo complessivo di produzione dell'energia elettrica dagli impianti nucleari, inclusi i costi dei sistemi di sicurezza, la protezione contro la proliferazione di materiali fissili, il futuro smantellamento del reattore e i costi del trattamento e della protezione dei rifiuti nucleari, si è dimostrato essere uno dei più bassi tra le varie fonti energetiche.

La produzione di energia nucleare non crea inquinamento ambientale e non contribuisce al riscaldamento globale. Sarebbe quindi uno spreco terribile di risorse se l'umanità non facesse un uso esteso dell'energia nucleare. Il problema tecnico è usarla nel modo più sicuro possibile. Per esempio, ogni 22 tonnellate di uranio usato per l'elettricità risparmia l'emissione di circa un milione di tonnellate di anidride carbonica che risulterebbero dall'uso equivalente del carbone.

Ci sono rischi legati alla possibilità di un grave guasto del reattore, alle radiazioni ionizzanti rilasciate, alla gestione dei rifiuti nucleari e alla proliferazione del materiale fissile. La valutazione di questi rischi, tuttavia, è un compito difficile, in quanto non rientrano nella classe generale dei rischi "volontari". Tuttavia, per un'idea approssimativa possiamo guardare alle "morti per energia elettrica prodotta". L'estrazione convenzionale di carbone e gli incidenti ai pozzi petroliferi, insieme all'inquinamento atmosferico causato dalla combustione di combustibili fossili, portano a un fattore di rischio circa 40 volte superiore rispetto all'intera industria nucleare, dall'estrazione dell'uranio ai potenziali guasti delle centrali nucleari, combinati. Un singolo cedimento di una diga o semplice incidente in uno stabilimento chimico può uccidere fino a migliaia di persone, mentre in quella che fu probabilmente la peggiore (e molto unica) catastrofe nell'intera storia dell'energia nucleare, Chernobyl, furono uccise solo 31 persone, 28 di loro da una grande dose di radiazioni assorbite. L'intero programma nucleare USA porta un rischio simile ad aumentare il limite di velocità in autostrada da 80 km/h a 81 km/h!

Il grafico a sinistra illustra i rischi relativi (misurati come morti per TWh prodotto) di varie fonti energetiche: (Fonte immagine: www.adamsmith.org)

Durante il recente guasto della centrale nucleare di Fukushima, ci fu un massiccio rilascio di materiale radioattivo nell'ambiente e gli esperti prevedono che ci sarà un aumento significativo nei casi di cancro tra la popolazione locale nei prossimi 50 anni. Tuttavia, il numero immediato di morti a causa delle radiazioni è stato zero.

Sappiamo ormai che durante la fissione si producono nuclei radioattivi. Il numero di neutroni nell'uranio (143 o 146) supera di gran lunga il numero di protoni (92), rendendolo relativamente stabile (la vita media di ²³⁸U è 4,5 miliardi di anni, e la vita media di ²³⁵U è 1,3 miliardi di anni). Nei nuclei più piccoli il rapporto neutrone-protone necessario per un isotopo stabile è inferiore. Quindi, quando il nucleo si divide in quelli più piccoli, il numero di neutroni in ogni frammento è maggiore di quanto necessario per renderlo stabile. Ciò significa che i frammenti di fissione sono instabili, cioè radioattivi – e molti di essi hanno lunghe vite medie.

Oltre ai frammenti di fissione, gli elementi transuranici vengono prodotti anche mediante cattura neutronica all'interno del combustibile nucleare. Diciamo che un neutrone veloce viene catturato da ²³⁸U. Poi, dopo due decadimenti beta, si forma ²³⁹Pu – un elemento fissile che nei reattori autofertilizzanti serve come combustibile (e allora si parla di ciclo uranio-plutonio). Tuttavia, lo stesso isotopo in un reattore di tipo PWR diventa rifiuto nucleare. Si deve anche ricordare che durante il funzionamento del reattore i materiali strutturali del reattore si attivano (un tipico prodotto di tale attivazione è il ⁶⁰Co) e devono essere gestiti adeguatamente.

Classificazione dei rifiuti nucleari:

Tipo	Per Volume	Per Contenuto Radioattivo
Rifiuti ad Alta Attività	3%	95%
Rifiuti a Media Attività	7%	4%
Rifiuti a Bassa Attività	90%	1%

I rifiuti ad alta attività costituiscono solo il 3% del volume totale di rifiuti risultanti dalla generazione nucleare, ma contengono il 95% della radioattività. I rifiuti a bassa attività rappresentano il 90% del volume totale di rifiuti radioattivi, ma contengono solo circa l'1% della radioattività.

I rifiuti nucleari pongono seri problemi tecnologici che devono essere risolti per rendere l'energia nucleare sicura per il pubblico. A differenza del carbone, del petrolio o del gas, il combustibile nucleare non brucia mai completamente. Ciò è dovuto al fatto che durante il processo di "combustione", vengono creati diversi nuclei che assorbono fortemente i neutroni. Con il tempo, i neutroni prodotti durante la fissione saranno prevalentemente assorbiti dai prodotti di reazioni precedenti. La moltiplicazione del loro numero in un singolo atto di fissione non sarà sufficiente a mantenere la reazione a catena. Allora l'elemento combustibile non può più servire come combustibile e diventa rifiuto nucleare altamente radioattivo.

Inoltre, le vite medie degli elementi prodotti nella reazione di fissione sono spesso lunghe quanto decine o anche centinaia di migliaia di anni, quindi bisogna prendere speciali precauzioni quando si conservano tali rifiuti, e si devono conservare in modo sicuro per un tempo molto, molto lungo. Questo crea seri problemi sociali, politici e normativi per lo smaltimento di questi rifiuti.

Nei reattori di ricerca che non producono molto combustibile esaurito, il modo più semplice è usare un serbatoio d'acqua, di solito posto accanto alla piscina del reattore. Il combustibile esaurito può essere tenuto finché la corrosione nelle custodie del combustibile lo consente, solitamente circa 30-40 anni. Nel frattempo la temperatura delle barre di combustibile esaurito diminuisce e i processi di decadimento naturale rendono la loro attività inferiore. Devono trascorrere altri 40 o 50 anni di deposito prima che l'attività del combustibile esaurito diventi sufficientemente bassa per inviarlo al deposito finale di rifiuti nucleari.

Nel caso delle centrali nucleari possono essere impiegati metodi simili. Tuttavia, dopo alcuni anni di conservazione del combustibile esaurito nel serbatoio d'acqua, il combustibile viene trasferito in impianti di ritrattamento dove può subire un processo chimico in cui gli elementi fissili (uranio e plutonio e altri elementi transuranici) vengono recuperati e utilizzati eventualmente nella produzione di nuovo combustibile per reattori. Il materiale rimanente, per lo più in forma liquida, viene vetrificato, racchiuso in enormi contenitori metallici (casks) e inviato al deposito. Questa tecnologia non è molto diffusa, in quanto richiede un ambiente ad alta tecnologia. Se il combustibile esaurito non viene ritrattato, deve essere depositato direttamente, in appropriati casks metallici, in speciali depositi profondi sottoterra: per esempio in vecchie miniere di sale, argille o granito.

La conservazione dei rifiuti nucleari a livelli di 500-1000 m sotto terra fornisce una maggiore sicurezza rispetto alla conservazione in superficie. La radiazione emessa dopo, diciamo, un periodo di 1000 anni, sarà al livello della radiazione naturale nei primi 1000 m della crosta terrestre. Naturalmente, se impareremo a trasmutare e bruciare i rifiuti nucleari il problema diventerà ancora più facile da risolvere. La conservazione profonda non presenta alcun reale pericolo per le persone che vivono vicino ai siti di conservazione, a meno che qualcuno non tenti accidentalmente di usare il terreno per un altro scopo e inizi a trivellare. Anche in tal caso, tuttavia, il pericolo rimarrebbe locale e certamente non raggiungerebbe proporzioni globali.

Quando si discutono i rischi connessi ai rifiuti nucleari industriali, si dimentica spesso che la stessa crosta terrestre contiene molti elementi radioattivi che diffondono continuamente verso la superficie e formano parte del fondo radioattivo naturale.

Come illustra la figura precedente, i rifiuti nucleari contribuiscono solo in piccola proporzione alla radiazione di fondo. Per esempio, tutti i rifiuti radioattivi accumulati fino all'anno 2000, lasciati raffreddare per 500 anni, mostreranno un'attività equivalente alla radioattività naturale di una fetta di suolo 30x30x2 km (2 chilometri è la tipica profondità di un deposito sotterraneo di rifiuti).

Si inizia con l'estrazione del minerale di uranio. Il minerale viene poi frantumato e macinato in polvere fine. Infine subisce un processo chimico che consente di separare l'uranio dal minerale. Come risultato si ottiene l'ossido di uranio U₃O₈. Per far funzionare una centrale nucleare che genera, diciamo, 1000 MW di potenza elettrica, si necessita di circa 200 tonnellate di U₃O₈ all'anno.

Il passo successivo consiste nell'arricchimento dell'uranio in ²³⁵U. Il processo inizia con la conversione del triuranio ottossido in esafluoruro di uranio gassoso (UF₆). Centrifughe ad alta velocità sono usate per separare il gas in due parti: la rimozione di ²³⁸U rende un flusso arricchito in ²³⁵U, mentre un altro è impoverito in ²³⁵U. Il primo sarà usato per la fabbricazione di combustibile nucleare, mentre il secondo, "uranio impoverito", può essere usato per esempio in forma metallica come scudo molto efficace contro le radiazioni gamma.

Dopo aver bruciato il combustibile in un reattore nucleare, il combustibile esaurito viene conservato e poi o ritrattato per recuperare gli elementi fissili (²³⁵U e ²³⁹Pu) da esso o preparato per la conservazione a lungo termine senza ritrattamento.

Esiste un forte incentivo a ridurre, di un fattore 100 o più, il volume e la radiotossicità dei Rifiuti ad Alta Attività (HLW) destinati alla conservazione profonda sottoterra. Si scopre che circa il 97% del combustibile esaurito può essere riciclato, il resto rimane come rifiuti nucleari altamente radioattivi. L'uranio recuperato contiene solo circa l'1% di ²³⁵U (cosiddetto "uranio impoverito"). In aggiunta alla conservazione geologica, esiste anche interesse per le Tecnologie di Separazione e Trasmutazione (P&T) che consentirebbero una separazione di attinidi (Pu in particolare), i cosiddetti attinidi minori (Np, Am e Cm) e alcuni prodotti di fissione a lunga vita, trasmutandoli in prodotti a vita breve o addirittura stabili.

Trasporto su strada di combustibile nucleare esaurito in Giappone (Fonte immagine: The Energy Library):

Contrariamente alla credenza popolare, il trasporto di combustibile esaurito non è pericoloso. Notiamo che negli ultimi 40 anni sono stati registrati circa 3000 trasporti di combustibile esaurito solo negli USA. Questo combustibile è stato trasportato da camion e treni per un totale di circa 2,5 milioni di chilometri, senza che si verificasse un singolo incidente. Anche in Europa non sono avvenuti incidenti durante nessun trasporto di combustibile esaurito. La sicurezza è ampiamente garantita da pesanti (~120 tonnellate) casks d'acciaio usati durante il trasporto. Le pareti tipiche sono spesse circa 50 cm - circa 15 volte di più rispetto ai contenitori usati per il trasporto di benzina. Per ogni tonnellata di combustibile esaurito vi è tipicamente tre volte più materiale usato per il contenitore e lo schermo biologico. Tali contenitori sono costruiti per resistere a un incendio di 30 minuti e a una caduta di 9 m sul cemento. Sono costruiti per resistere persino a una collisione con un aereo a reazione! In ogni contenitore non ci sono mai più di 9-12 elementi di combustibile esaurito. Più recentemente, la costruzione dei casks è stata avviata ad essere modificata per renderli resistenti ai possibili attacchi terroristici.

Oltre ai rifiuti nucleari prodotti da reattori nucleari e attività militari, i rifiuti nucleari vengono prodotti ovunque vengano usate sorgenti di radiazioni nucleari. Provengono da ospedali (con reparti di medicina nucleare e radioterapia), da ricerca universitaria e industriale, dall'uso industriale di sorgenti (per esempio nell'industria cartiera, nelle miniere di uranio e carbone, nei rilevatori di fumo, ecc.). A differenza del combustibile esaurito, questi rifiuti sono interamente a bassa o media attività e per lo più con vite ragionevolmente brevi. Tali rifiuti vengono di solito compattati prima di essere infine conservati in contenitori speciali che impediscono la fuoriuscita di materiale radioattivo nell'ambiente.

Esistono alcune possibili alternative alla conservazione a lungo termine dei rifiuti nucleari. La trasmutazione è un processo di trasformazione, mediante cattura neutronica, di un isotopo radioattivo a lunga vita in un altro che ha una vita media più breve o è possibilmente anche stabile. Al contrario, l'incenerimento è un processo in cui la cattura neutronica porta alla formazione di un isotopo che decade a un elemento stabile attraverso la fissione. È in corso un lavoro esteso per rendere entrambi i tipi di reazioni commercialmente efficienti. I sistemi guidati da acceleratori e il concetto del cosiddetto amplificatore di energia ci danno speranza che i rifiuti nucleari accumulati finora, e quelli che saranno prodotti, potrebbero essere convertiti in rifiuti a vita breve più facili da conservare.