Gli impianti nucleari sono meno efficienti in estate?
Avvocato Atomico
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Nell'articolo di oggi e in quelli successivi cercheremo di capire quale sia l’influenza del variare delle stagioni sul rendimento degli impianti energetici, anche se l’argomento non è così semplice.
Partiamo dai reattori nucleari
Grazie al calore generato dalla fissione nucleare nel reattore, è possibile produrre (in maniera diretta o indiretta), del vapore da mandare in turbina per la generazione di energia elettrica. All’uscita dalla turbina, il vapore avrà ceduto buona parte della propria energia alla turbina stessa e quindi si troverà in uno stato termodinamico a bassa entalpia, vale a dire avrà temperatura e pressione basse. A questo punto il vapore dovrà essere fatto condensare prima che l'acqua possa essere mandata nuovamente nel nocciolo (nel caso di un reattore BWR) o nel generatore di vapore (nel caso di un reattore PWR) per il successivo passaggio in turbina.
La condensazione avviene nel condensatore - che è un componente fondamentale di tutti gli impianti energetici - dove il vapore si trasforma in acqua liquida cedendo calore ad un fluido più freddo, che quasi sempre è ancora acqua.
Quest’acqua fredda viene generalmente prelevata dal mare, da un fiume o da un lago a temperatura ambiente e poi viene reimmessa nell'ambiente ad una temperatura più alta dopo che ha fatto condensare il vapore.
Tuttavia l'acqua va reimmessa nell'ambiente ad una temperatura tale da non destabilizzare l'ecosistema: questo è sempre possibile quando si scarica in mare - l'acqua viene scaricata al largo tramite delle tubature all'interno delle quali si raffredda fino ad avere una temperatura superiore di solo 1°C a quella ambientale - ma non sempre quando si scarica in un fiume o in un lago.
In questo caso l'unica alternativa è quella di sfruttare l'aria: nel condensatore si utilizza ancora acqua fredda, ma quest'ultima lavora in un ciclo chiuso, facendo prima condensare il vapore (riscaldandosi) e poi andando a cedere il calore all’aria esterna (raffreddandosi); in questo modo, tutto il calore che viene generato da un reattore nucleare e che non è convertito in energia elettrica, viene ceduto all’atmosfera.
La struttura dedicata allo scambio di calore tra l’acqua e l’aria è la celeberrima torre evaporativa, che per molte persone è la prima immagine che viene in mente quando si pensa ad un impianto nucleare (vedi foto).
In una torre evaporativa l’acqua calda viene spruzzata dall’alto e, scendendo per gravità, entra in contatto con l’aria (spesso si inserisce una sorta di “impacchettamento” a metà altezza della torre per rallentare la discesa dell’acqua). Durante la caduta, l’acqua cede calore all’aria e allo stesso tempo inizia ad evaporare.
L’evaporazione avviene a causa di un fenomeno che è poco noto ai non addetti ai lavori ed è dovuto alla differenza tra la pressione di saturazione dell’acqua e la pressione parziale del vapore nell’aria. Senza entrare nel dettaglio di questo fenomeno, tutto quello che ci serve sapere è che più l’aria è umida, meno rilevante sarà l’evaporazione e viceversa.
Quindi, mentre l’acqua scende si raffredda perché cede calore all’aria, ma anche perché evapora (l’evaporazione richiede calore latente che viene preso dall’acqua stessa), e allo stesso tempo l’aria si riscalda, riscaldandosi diminuisce la propria densità (diventa più leggera) e quindi inizia a salire verso l’alto.
In più, la forma della torre evaporativa, stretta al centro e larga agli estremi, è fatta apposta per favorire questa circolazione naturale dell’aria. Il “fumo” bianco che si vede uscire dalle torri non è altro che il vapore acqueo che si è formato durante la caduta dell’acqua unito ad una piccola parte di acqua liquida che viene trasportata via dall’aria senza evaporare (goccioline in sospensione, come quelle all'interno delle nuvole).
È chiaro che una parte dell’acqua viene perduta in atmosfera, e quindi è necessario un reintegro anche in questi impianti in cui si utilizza l’aria per raffreddare il reattore (esiste in realtà un’altra tipologia di torre che è quella “a secco”, nella quale l’aria e l’acqua non entrano in contatto e quindi non è necessario fare il reintegro, ma presenta altri problemi che non tratteremo qui).
Da quanto scritto finora è evidente che le caratteristiche dell’aria esterna sono fondamentali per poter raffreddare l’acqua. Se la temperatura e l’umidità dell’aria sono alte, come capita d’estate, allora la capacità di raffreddamento della torre evaporativa diminuisce e la temperatura dell’acqua all’uscita dalla torre cresce.
Come influisce questo sul rendimento dell’impianto?
Se l’acqua che esce dalla torre evaporativa è più calda allora anche la temperatura a cui si può far condensare l’acqua che esce dalla turbina sarà maggiore, e ciò vuol dire che sarà possibile trasferire meno energia alla turbina e produrre meno energia elettrica, dunque si avrà un calo di rendimento dell'impianto.
C’è però un altro fattore da tenere in considerazione: negli impianti nucleari si recupera una parte del calore andando a “spillare” un po’ di vapore prima dell’ingresso in turbina e miscelandolo all’acqua in uscita dal condensatore per preriscaldarla e per rimuovere gli incondensabili. Se l’acqua che esce dal condensatore è ad una temperatura maggiore perché siamo d’estate, allora sarà necessario spillare una quantità minore di vapore e quindi si avrà una portata maggiore in turbina rispetto alla situazione invernale, il che fa aumentare leggermente il rendimento.
Sommando i due effetti, si ottiene ugualmente una diminuzione del rendimento totale, perché il rendimento della turbina è minore di quello dello scambiatore di calore, ma lo spillamento riduce l'entità di questo calo.
Ma in definitiva, di quanto cala il rendimento di un impianto nucleare tra l’estate e l’inverno?
È difficile dare un valore perché, come abbiamo visto, le variabili in gioco sono davvero tante, e non abbiamo nemmeno tirato in mezzo la geografia (le variazioni stagionali di temperatura in alcuni luoghi del mondo sono molto più accentuate che in altri), ma si parla, nei casi peggiori, di pochi punti percentuali.
Se siete interessati a sapere come cambia il rendimento al variare delle stagioni anche per i combustibili fossili e per le rinnovabili leggete questo articolo: https://telegra.ph/Stagioni-03-26.
-Fulvio