Quale energia

Quale energia per oggi e per l’immediato futuro?

La questione energetica europea e nazionale ha bisogno di una svolta innovativa per rispondere a quanto prevede la European New Green Deal con cui, attraverso lo sviluppo del programma europeo “Next Generation EU” (Recovery Plan), l’Europa potrebbe diventare il primo continente al mondo a Impatto Climatico Zero (ZCI) entro il 2050. Si tratta di un’opportunità unica per modernizzare l’economia e le società europee riorientandole verso un futuro equo e sostenibile. Fra le novità c’è l’adozione della strategia europea dell’idrogeno verde, ottenuto con fonti rinnovabili ed energetiche che non generano CO2, il quale può aiutare a ridurre le emissioni di carbonio dell’economia UE nella lotta contro il cambiamento climatico. L’energia nucleare è una di queste fonti e potrà dare un contributo sostanziale alla decarbonizzazione innescando cambiamenti nei sistemi produttivi e garantendo una transizione ecologica ed economica che porti l’Europa verso il raggiungimento della “neutralità climatica”. Con l’impiego di piccoli reattori modulari (Small Modular Reactor, SMR) che potrebbero essere collocati in impianti di piccole dimensioni (circa 1/10 degli attuali impianti esistenti) per generare le grandi quantità di elettricità necessaria ad assicurare l’idrogeno da utilizzare, anche in miscela, nei vari processi produttivi quali processi industriali termochimici, combustibili sintetici, energia elettrica e termica, mobilità elettrica (auto, bus, treni, navi, aerei). L’enorme quantità di energia elettrica prodotta dalle mini-centrali potrebbe alimentare la produzione di idrogeno da impiegare nei vari processi senza svuotare le reti elettriche mondiali.

I piccoli reattori nucleari modulari (SMR)

Questa nuova tecnologia promette una produzione di idrogeno competitiva in termini di costi.
Di seguito una panoramica sullo stato dell’arte a livello mondiale.

Idaho National Laboratory, USA.

La società NuScale Power Module™ (NPM), la startup USA specializzata nella progettazione di piccoli reattori nucleari modulari, ha affermato che, con mirati interventi ingegneristici e utilizzando strumenti avanzati di test e modellazione, l’unità adesso può generare 77 MWe (lordi) per modulo, circa 924 MWe per una centrale elettrica da 12 moduli. La maggiore potenza in uscita arriva senza grandi modifiche alla tecnologia NuScale Power (NPM) che, grazie all’aumento del 25% della potenza di un NPM, portano il totale da 62 a 77 MWe, o 250 MWt, ed ogni modulo NuScale è ora in grado di produrre 2.053 kg/h di idrogeno o quasi 50 t-H2/giorno. Il rivoluzionario design di questo reattore modulare di piccola taglia (Small Modular Reactor, SMR) esibisce un modulo di alimentazione NuScale Power Module™ interamente realizzato in fabbrica che è in grado di generare 77 MWe impiegando una versione più sicura, più piccola e scalabile della tecnologia per reattori ad acqua pressurizzata. Il design scalabile di NuScale, dove una centrale può ospitare fino a 4, 6 o 12 moduli di alimentazione individuali, offre i vantaggi dell’energia a zero emissioni di carbonio e riduce gli oneri finanziari associati alle centrali nucleari dei GigaWatt. Il NuScale Power Module ha sviluppato questa nuova centrale nucleare con reattore modulare ad acqua leggera per la produzione di energia elettrica, il riscaldamento distrettuale, la desalinizzazione e altre applicazioni per termo-processi. Il primo impianto, la cui installazione è prevista all’Idaho National Laboratory nel nord-ovest degli Stati Uniti e la sua messa in servizio per il 2030, sarà composto da 12 moduli e fornirà così 924 MWe di potenza.

Ontario Power Generation (OPG), Canada

L’Ontario Power Generation (OPG) ha annunciato che sta riprendendo le attività di pianificazione per la costruzione di nuove capacità di generazione nucleare nel suo sito di Darlington in Ontario, l’unico sito in Canada attualmente autorizzato per il nuovo nucleare. Stanno esaminando la costruzione di un piccolo Reattore modulare (SMR) piuttosto che di un grande reattore convenzionale, come precedentemente previsto. Nel 2012, a seguito dell’accettazione di un’approfondita valutazione ambientale che includeva un ampio coinvolgimento del pubblico, OPG ha ottenuto una licenza di preparazione del sito dalla Canadian Nuclear Safety Commission (CNSC) per consentire l’attività di preparazione del sito a sostegno della futura generazione nucleare. Tale licenza è valida 10 anni, quindi fino al 17 agosto 2022. Recentemente, il 13 Novembre 2020, OPG ha chiesto alla CNSC di rinnovare la licenza di preparazione del sito, in attesa di una serie di licenze e approvazioni normative necessarie prima della costruzione e del funzionamento di un nuovo reattore. La sua domanda sarà esaminata a Giugno 2021 dal CNSC nel corso di un’audizione pubblica. OPG sta aprendo la strada allo sviluppo e al dispiegamento della prossima generazione di energia nucleare in Canada. Un nuovo sviluppo SMR su questo sito già nel 2028 gioverebbe a tutti gli Ontarians, con la regione di Durham e l’Ontario come capitale mondiale dell’energia pulita. OPG ha annunciato il progresso del lavoro di ingegneria e progettazione con tre sviluppatori SMR su scala di rete, GE-Hitachi, Terrestrial Energy e X-Energy e continuano ad essere aperti a potenziali opportunità anche da parte di altri sviluppatori. Il governo sta sostenendo gli sforzi di OPG per sviluppare tecnologie SMR all’avanguardia a Durham, alla centrale nucleare di Darlington, entro la fine di questo decennio. L’Ontario e i partner provinciali nel Saskatchewan, nel New Brunswick e in Alberta stanno guidando la carica sul dispiegamento di SMR in Canada mostrando al mondo l’esperienza nucleare e la tecnologia made in Ontario. Ultra-Safe Nuclear Canada (USNC), Global First Power (GFP) e Ontario Power Generation (OPG) hanno siglato un’intesa dando vita ad una Partnership per la costruzione e la conduzione di un micro-reattore dimostrativo presso i laboratori di Chalk River. USNC potrebbe essere la compagnia più vicina alla costruzione di un micro-reattore, anche perché il Canada, attraverso il sostegno della CNSC, sta creando un ambiente molto favorevole al nuovo nucleare. Il micro-reattore targato USNC sarà un reattore a gas ad alta temperatura di 15 MW di potenza termica e 5 MW elettrici, a sicurezza totalmente passiva, con nocciolo sigillato e trasportabile e combustibile nucleare appositamente brevettato (FCM™, Fully Ceramic Micro-encapsulated), di tipo TRISO (tri-structural-isotropic), un tipo di microparticelle combustibili caratterizzato da un innovativo rivestimento in ceramica capace di resistere ad altissime temperature e di contenere tutti i prodotti di fissione.

Rolls-Royce, United Kingdom

Il Consorzio SMR guidato da Rolls-Royce potrà mettere in cantiere nei prossimi 20 anni, se il governo del Regno Unito si impegnerà a consentire la realizzazione di 16 centrali, i mini reattori modulari SMR (Small Modular Reactor) che hanno un ingombro pari a un 1/10 dei reattori tradizionali, possono essere trasportati via camion e assemblati direttamente in loco, con la conseguenza di centrali nucleari che saranno molto più piccole delle attuali. Queste centrali elettriche a energia nucleare aiuteranno a garantire l’impegno preso dal Regno Unito per raggiungere la soglia dello zero emissioni di CO2 in modo conveniente e rivitalizzeranno la base industriale del paese garantendo esportazioni di energia per almeno 250 miliardi di sterline. Il dispiegamento di una flotta di queste centrali elettriche in tutto il Regno Unito contribuirà in modo massiccio all’obiettivo del livellamento delle emissioni di carbone dell’agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile che fissa gli impegni da realizzare entro il 2030, individuando 17 obiettivi (SDGs – Sustainable Development Goals) e 169 target, creando posti di lavoro per produzioni ad alto valore sostenibile nelle aree più bisognose di attività economica. I mini reattori nucleari saranno più veloci da installare rispetto alla tecnologia attuale, riducendo tempi, costi e spazi. Questo nuovo approccio dovrebbe permettere di superare uno degli ostacoli che sta minando l’industria dell’energia atomica in Occidente. Gli impianti avranno un’area di circa 6.000 mq (1/16 della grandezza di Hinkley Point C) e una potenza di 440 MW. La tecnologia in sé non è una novità: i mini reattori nucleari sono da tempo impiegati a bordo di navi rompighiaccio e sottomarini e la Rolls-Royce lavora in questo campo fin dagli anni ’90. Per la prima volta però, è pronta a portarli fuori dall’acqua per connetterli alla rete elettrica. Rolls-Royce pensa anche a produrre carburante per jet a zero CO2; i carburanti sono ancora necessari per l’aviazione ma per produrre quelli sintetici serve una montagna di energia elettrica, quindi la soluzione è quella del nucleare. Per questo motivo la Rolls-Royce Holdings Plc, l’azienda aeronautica britannica, il secondo costruttore al mondo di motori aeronautici dopo la General Electric, pensa ai reattori nucleari come il modo più efficace per alimentare la produzione di combustibile per aviazione sintetica, a emissioni zero. Attingendo alla tecnologia sviluppata per i sottomarini a propulsione nucleare, i piccoli reattori modulari (SMR) potrebbero essere collocati in impianti di piccole dimensioni per generare le grandi quantità di elettricità necessarie per assicurare l’idrogeno utilizzato nel processo di sintesi. “Carburanti sintetici” e “Biocarburanti” diventeranno probabilmente il pilastro dell’aviazione nei prossimi decenni, fornendo propellenti liquidi per la prossima generazione di motori aeronautici prima dell’avvento di alternative completamente elettriche. Un SMR collegato a un impianto di combustibile sintetico fornirebbe una soluzione molto competitiva. I costi dell’elettricità sarebbero inferiori del 30% rispetto a quelli di una grande struttura nucleare e in linea con l’energia eolica. I cosiddetti “elettro-fuel” sono sintetizzati usando CO2 o CO catturati da combustioni molto energivore, come la produzione di cemento ed acciaio, insieme all’idrogeno derivato dall’acqua attraverso l’elettrolisi. In futuro, la cattura diretta del carbonio dall’atmosfera potrebbe interrompere qualsiasi collegamento con le fonti fossili. Il costo di ciascuno dei 16 impianti inizialmente previsti è stimato in 1,8 miliardi di sterline (2,2 miliardi di euro).

Cooperazione internazionale

I reattori nucleari di IV generazione sono in fase di sviluppo attraverso una cooperazione internazionale di 14 Nazioni, inclusi gli Stati Uniti, con l’Italia che partecipa al consorzio in quanto membro della Comunità Europea dell’energia atomica (Euratom). Il Dipartimento di Energia (DOE) degli USA ed i suoi laboratori nazionali stanno supportando la ricerca e lo sviluppo di un’ampia gamma di nuove tecnologie avanzate per i reattori che potrebbero rappresentare una svolta per l’industria nucleare. Questi sistemi innovativi saranno più puliti, più sicuri e più efficienti rispetto alle generazioni precedenti. Ecco tre dei progetti su cui stanno attualmente lavorando con partner del settore per aiutare a soddisfare le future esigenze energetiche in modo competitivo in termini di costi:

1. Reattore veloce raffreddato a sodio

Il reattore veloce raffreddato a sodio (Sodium-cooled Fast Reactor, SFR) usa metallo liquido (sodio) come refrigerante invece dell’acqua, normalmente utilizzata nelle centrali elettriche commerciali. Ciò consente al liquido di raffreddamento di funzionare a temperature più elevate ed a pressioni molto minori rispetto ai reattori attuali, migliorando l’efficienza e la sicurezza del sistema. L’SFR utilizza anche lo spettro di neutroni veloce, il che significa che i neutroni possono causare fissione senza essere prima rallentati come nei reattori attuali. Questo potrebbe consentire agli SFR di utilizzare sia materiale fissile che combustibile esaurito dagli attuali reattori per produrre elettricità. Gli SFR sono progettati per la gestione di rifiuti ad alto livello di radioattività e in particolare per la gestione del plutonio e di altri attinidi (Idaho National Laboratory).

2. Reattore ad altissima temperatura

Il reattore ad altissima temperatura (Very High Temperature Reactor, VHTR) viene raffreddato con l’afflusso di gas ed è progettato per funzionare a temperature elevate, producendo elettricità in modo estremamente efficiente. Il gas ad alta temperatura potrebbe anche essere utilizzato in processi ad alta intensità energetica che attualmente si basano su combustibili fossili, come produzione di idrogeno, dissalazione, teleriscaldamento, raffinazione del petrolio e produzione di ammoniaca. I reattori ad altissima temperatura offrono notevoli caratteristiche di sicurezza e possono essere facili da costruire e convenienti da mantenere. I VHTR offrono una vasta gamma di applicazioni per il calore di processo e una possibilità di produzione di elettricità ad alta efficienza (Idaho National Laboratory).

3. Reattore a sali fusi

I reattori a sali fusi (Molten Salt Reactor, MSR) usano fluoro fuso o sali di cloruro come refrigerante, quest’ultimo può fluire su combustibile solido come in altri reattori oppure i materiali fissili possono essere disciolti direttamente nel refrigerante primario in modo che la fissione riscaldi direttamente il sale. Gli MSR sono progettati per utilizzare meno combustibile e produrre rifiuti radioattivi di più breve durata rispetto ad altri tipi di reattori. Hanno il potenziale per cambiare in modo significativo la sicurezza e i costi della produzione di energia nucleare processando combustibile in tempo reale, rimuovendo prodotti di scarto e aggiungendo combustibile fresco senza lunghe interruzioni di rifornimento. Il loro funzionamento può essere adattato per ottenere un’efficace fissione del plutonio e attinidi minori, cosa che potrebbe consentire agli MSR di consumare rifiuti nucleari prodotti da altri reattori. Il sistema può essere utilizzato anche per la produzione di elettricità e idrogeno. I MSR hanno un ciclo del combustibile chiuso che può essere personalizzato per un’efficiente fissione di plutonio e attinidi minori (Idaho National Laboratory).

Preparato da Giovanni Pino
Marzo, 2021

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