Lenergia nucleare o energia atomica è l'energia liberata dalle reazioni nucleari e dal decadimento radioattivo sotto forma di energia elettromagnetica e cinetica. Questa energia è sfruttata da numerose tecnologie nucleari e ha una particolare rilevanza nel settore energetico; infatti comunemente ci si riferisce all'energia nucleare come a quella liberata in modo controllato nelle centrali nucleari per la produzione di energia elettrica. In una centrale l'energia nucleare viene liberata dalla fissione del combustibile (isotopi di uranio e plutonio) nel reattore e qui convertita in energia termica sfruttabile per la produzione di energia elettrica. È in fase di ricerca la possibilità di sfruttare per scopi energetici anche le reazioni di fusione nucleare.
Al 2020 l'energia nucleare costituisce circa il 10% della produzione di energia elettrica globale, ed è stata la seconda fonte di energia a basse emissioni di carbonio dopo quella idroelettrica. È diffusa in 32 stati che ospitano 442 reattori nucleari a fissione per una capacità installata di . Ci sono inoltre 53 reattori in costruzione e 98 in programma, con una capacità rispettivamente di e e principalmente in Asia. Gli Stati Uniti d'America hanno la maggior quantità di reattori nucleari, che generano ogni anno più di di elettricità a basse emissioni con un fattore di capacità medio del 92%. Il fattore di capacità globale medio per l'energia nucleare è dell'89%.
L'energia nucleare è una delle fonti di energia più sicure in termini di morti per unità di energia prodotta. Il carbone, il petrolio, il gas naturale e l'energia idroelettrica hanno tutte causato più morti per unità di energia generata rispetto al nucleare, per via dell'inquinamento atmosferico e degli incidenti. L'incidente più grave avvenuto in un impianto nucleare è quello di Černobyl' in Ucraina (allora Unione Sovietica) nel 1986, seguito dall'incidente di Fukushima provocato da un maremoto nel 2011 e dal più contenuto incidente di Three Mile Island avvenuto negli Stati Uniti nel 1979.
C'è da tempo un dibattito sull'energia nucleare. I sostenitori, come la World Nuclear Association, affermano che l'energia nucleare è una fonte sicura e sostenibile che ridurrebbe le emissioni di anidride carbonica. Di contro, gli oppositori, come Greenpeace e NIRS, affermano che l'energia nucleare pone molte minacce alla popolazione e all'ambiente e, come anche sostenuto dall'IPCC nel Sixth Assessment Report, la costruzione di impianti è troppo cara e lenta rispetto alle fonti di energia sostenibili, se la consideriamo come fonte per raggiungere gli obiettivi 2030 ma conveniente e necessaria per raggiungere il Net-Zero fissato al 2050.
Il nucleare è regolamentato dall'Agenzia internazionale per l'energia atomica (AIEA o IAEA), che si occupa di promuovere l'utilizzo pacifico di questa forma di energia e di impedirne l'utilizzo per scopi militari, svolgendo funzioni di sorveglianza e controllo sulla sicurezza degli impianti esistenti e quelli in corso di realizzazione o progettazione.
Storia
Origini La storia dell'energia nucleare ha inizio con le scoperte sul decadimento radioattivo avvenute nel 1896 da Henri Becquerel e Marie Curie, mentre lavoravano con materiali fosforescenti. Questi materiali, che brillano al buio dopo l'esposizione alla luce, sono molto diversi dai materiali fluorescenti, i quali brillano al buio mentre sono esposti a fonti luminose invisibili ai nostri occhi. Becquerel sospettava che il bagliore prodotto dai tubi catodici una volta spenti, potesse essere associato alla fosforescenza indotta dalla presenza dei raggi X. Quindi prese vari sali fosforescenti e li avvolse nella carta, dopodiché avvolse il tutto con una lastra fotografica. Tutti i sali non lasciavano un'impronta nella lastra fotografica, eccezion fatta per i sali di uranio. Questi, che non brillavano al buio, provocavano un annerimento della lastra nonostante fossero avvolti nella carta, come se la lastra fosse stata esposta alla luce. Divenne presto chiaro che l'annerimento della lastra non aveva nulla a che fare con la fosforescenza, poiché l'annerimento era prodotto anche dai sali non fosforescenti dell'uranio.
Ulteriori ricerche di Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie e altri hanno mostrato che questa forma di radioattività era significativamente più complicata rispetto ai raggi X appena scoperti. Rutherford fu il primo a rendersi conto che tutti questi elementi decadono secondo la stessa formula matematica esponenziale e che molti processi di decadimento portavano alla trasmutazione di un elemento in un altro. Successivamente, la legge di spostamento radioattivo di Fajans e Soddy venne formulata per descrivere i prodotti del decadimento alfa e beta.
La scoperta della fissione nucleare avvenne nel 1938 a seguito degli studi di Ernest Rutherford basati sulla teoria della relatività di Albert Einstein. Infatti, fu quest'ultimo a intuire nel 1905, che l'energia e la massa sono due manifestazioni della materia e li equiparò con la famosa formula . Subito dopo la scoperta del processo di fissione, ci si rese presto conto che un nucleo atomico in fissione può indurre ulteriori fissioni di ulteriori nuclei, generando così una reazione a catena autosufficiente. Nel 1939 Lise Meitener fornisce la prima esatta definizione di fissione nucleare. Una volta che ciò fu confermato sperimentalmente nel 1939, gli scienziati di molti paesi chiesero ai loro governi di sostenere la ricerca sulla fissione nucleare, proprio all'inizio della seconda guerra mondiale, per lo sviluppo di un'arma nucleare. Questi sforzi di ricerca, complessivamente noti come Progetto Manhattan, hanno portato sia alla realizzazione del primo reattore sperimentale-dimostrativo funzionante da parte di Enrico Fermi, il Chicago Pile-1, sia alle successive vicende belliche della seconda guerra mondiale con lo sgancio delle bombe atomiche su Hiroshima e Nagasaki.
La guerra fredda
Nonostante la natura militare delle prime tecnologie nucleari, gli anni '40 e '50 furono caratterizzati da un forte ottimismo per il potenziale dell'energia nucleare di fornire energia a basso costo e senza fine. Infatti, l'elettricità è stata generata per la prima volta da un reattore nucleare il 20 dicembre 1951, presso la stazione sperimentale EBR-I nell'Idaho, che inizialmente produceva circa . Nel 1953, il presidente americano Dwight D. Eisenhower tenne il suo discorso "Atomi per la pace" alle Nazioni Unite, sottolineando la necessità di sviluppare rapidamente usi "pacifici" dell'energia nucleare. Seguì l'Atomic Energy Act del 1954 che consentì una rapida declassificazione della tecnologia dei reattori statunitensi e incoraggiò lo sviluppo da parte del settore privato.
Il 27 giugno 1954, la centrale nucleare di Obninsk in Unione Sovietica è diventata la prima centrale nucleare al mondo a generare elettricità per una rete elettrica, producendo circa 5 MW di energia elettrica. La prima centrale nucleare commerciale al mondo, Calder Hall a Windscale, in Inghilterra, è stata collegata alla rete elettrica nazionale il 27 agosto 1956. In comune con una serie di altri reattori di prima generazione, l'impianto aveva il duplice scopo di produrre elettricità e plutonio-239, quest'ultimo per il nascente programma di armi nucleari in Gran Bretagna. I primi gravi incidenti nucleari furono il disastro di Kyštym alla centrale nucleare Majak in Unione Sovietica e l'incendio di Windscale nel Regno Unito, entrambi nel 1957.
Un altro grave incidente avvenne nel 1968, quando uno dei due reattori raffreddati a metallo liquido a bordo del sottomarino sovietico K-27 subì un guasto all'elemento combustibile, con l'emissione di prodotti di fissione gassosi nell'aria circostante, provocando la morte di 9 membri dell'equipaggio e 83 feriti.
La crisi petrolifera del 1973 ha avuto un effetto significativo su paesi come Francia e Giappone, che avevano fatto più affidamento sul petrolio per la generazione di elettricità. Di conseguenza iniziarono ad investire nell'energia nucleare. Nel 2019 il 71% dell'elettricità francese è stata generata dall'energia nucleare, la percentuale più alta di qualsiasi nazione al mondo.
Verso la metà degli anni '70 l'attivismo anti-nucleare acquisì un fascino e un'influenza più ampi, e l'energia nucleare iniziò a diventare una questione di grande protesta pubblica. L'accresciuta ostilità pubblica nei confronti dell'energia nucleare ha portato a un processo di acquisizione delle licenze più lungo, regolamenti e maggiori requisiti per le attrezzature di sicurezza, che hanno reso le nuove costruzioni molto più costose.
Il disastro di Černobyl' in URSS del 1986, che coinvolse un reattore RBMK, modificò lo sviluppo dell'energia nucleare e portò a una maggiore attenzione al rispetto degli standard internazionali di sicurezza e di regolamentazione. È considerato il peggior disastro nucleare della storia sia in termini di vittime totali, con 56 morti dirette, sia finanziariamente, con la pulizia e il costo stimato in 18 miliardi di rubli sovietici (68 miliardi di dollari nel 2019, al netto dell'inflazione). L'organizzazione internazionale per promuovere la consapevolezza della sicurezza e lo sviluppo professionale degli operatori negli impianti nucleari, la World Association of Nuclear Operators (WANO), è stata creata come conseguenza diretta dell'incidente di Černobyl'. Il disastro ha svolto un ruolo importante nella riduzione del numero di nuove costruzioni di impianti negli anni successivi. Influenzata da questi eventi, l'Italia ha votato contro il nucleare in un referendum del 1987, diventando il primo paese a eliminare completamente l'energia nucleare nel 1990.
Età contemporanea All'inizio degli anni 2000, ci si aspettava una serie di investimenti sia pubblici che privati, a causa delle preoccupazioni sulle emissioni di anidride carbonica. Durante questo periodo, i reattori di nuova generazione, come l'EPR, hanno iniziato la costruzione, anche se hanno riscontrato problemi e ritardi e hanno superato notevolmente il budget.
I piani per un rinascimento nucleare fallirono nel 2011, a seguito del disastro nucleare di Fukushima Dai-ichi. Il disastro è stato causato da un grande tsunami innescato dal terremoto del Tōhoku, uno dei più grandi terremoti mai registrati. La centrale nucleare di Fukushima Dai-ichi ha subito tre crolli del nucleo a causa del guasto del sistema di raffreddamento di emergenza per mancanza di alimentazione elettrica. Ciò ha provocato l'incidente nucleare più grave dal disastro di Chernobyl. L'incidente ha indotto un riesame della sicurezza nucleare e della politica in materia di energia nucleare in molti paesi. La Germania ha approvato i piani per chiudere tutti i suoi reattori entro il 2022 e molti altri paesi hanno rivisto i loro programmi di energia nucleare. A seguito del disastro, il Giappone ha spento tutti i suoi reattori nucleari, alcuni dei quali in modo permanente, e nel 2015 ha iniziato un processo graduale per riavviare i restanti 40 reattori.
Entro il 2015, le prospettive dell'IAEA per l'energia nucleare erano diventate più promettenti, riconoscendo l'importanza della generazione di energia a basse emissioni di carbonio per mitigare il cambiamento climatico. A partire dal 2021, era prevista la costruzione di oltre 50 reattori nucleari in tutto il mondo, la Cina però ha costruito un numero significativamente inferiore di reattori rispetto a quanto originariamente previsto.
Progetti futuri
Il 24 ottobre 2007 è stato avviato un progetto internazionale di nome ITER che si prefigge la costruzione di un reattore nucleare a fusione per il 2025 e per il 2035 di sostenere la prima reazione di fusione nucleare controllata. Il progetto successore, DEMO, darà vita alla prima centrale nucleare a fusione del mondo dalla quale sarà possibile ricavare energia elettrica. La centrale nucleare a fusione sarà realisticamente pronta a partire dal 2050 in poi.