Progressi nel recupero di uranio dal mare

La produzione di energia nucleare utilizza combustibili come l’uranio e presenta basse emissioni nel ciclo di vita. La sua storia comprende incidenti gravi. I moderni sistemi di sicurezza riducono i rischi, ma restano necessari vigilanza, gestione dei rifiuti e tutela ambientale.

«L’energia nucleare è una fonte energetica a basse emissioni di carbonio per sostituire i combustibili fossili e fornisce un’importante garanzia per lo sviluppo verde dell’economia e dell’ambiente.»

Nel 2023 i ricercatori hanno presentato un metodo elettrochimico per recuperare uranio dall’acqua marina. La possibilità di applicarlo in modo sostenibile su larga scala dipende ancora da costi, consumo energetico e impatti ambientali.

Il progresso nella ricerca

Lo studio su ACS Central Science aveva il titolo «Elettrodi autoportanti con struttura aromatica porosa per un’efficiente estrazione elettrochimica dell’uranio». Riguardava la cattura di ioni uranile disciolti, non la produzione diretta di combustibile nucleare pronto o di elettricità dall’acqua.

La quantità totale di uranio disciolto negli oceani è stimata in circa 4,5 miliardi di tonnellate. La pubblicazione la confrontava con oltre mille volte le riserve terrestri. La quantità disciolta complessiva non equivale però a riserve estraibili economicamente. La concentrazione nell’acqua marina è molto bassa.

I ricercatori hanno rivestito un tessuto di fibre di carbonio con un polimero poroso e gruppi amidossimici che legano gli ioni uranile. Il tessuto fungeva da catodo insieme a un anodo di grafite e corrente elettrica. Sulla superficie si accumulavano precipitati contenenti uranio. Nel test con acqua naturale del mare di Bohai sono stati recuperati 12,6 milligrammi di uranio per grammo di materiale rivestito attivo in 24 giorni, non per grammo d’acqua. Il processo elettrochimico era circa tre volte più rapido dell’accumulo passivo sul tessuto.

Secondo i ricercatori, il metodo offre un approccio efficace al recupero elettrochimico di uranio dall’acqua marina. Il risultato non dimostra ancora che l’estrazione commerciale sia meno costosa o ambientalmente migliore dell’attività mineraria.

Che cos’è l’uranio?

Fissione, reazione a catena e decadimento radioattivo

Quando un nucleo di uranio-235 assorbe un neutrone, può dividersi in nuclei più leggeri liberando energia e altri neutroni. Questa fissione indotta è diversa dalla catena naturale di decadimento radioattivo dell’uranio.

Fonte: https://pubs.usgs.gov/of/2004/1050/uranium.htm — una catena di decadimento radioattivo, non una reazione a catena di fissioni.

Nel reattore la reazione a catena viene controllata. I neutroni di una fissione possono provocarne altre. Il calore viene generalmente usato per produrre vapore, che aziona turbine collegate a generatori elettrici.

La produzione elettrica si basa quindi sulla fissione controllata. La sua energia non va attribuita soltanto alla catena naturale di decadimento illustrata nel diagramma.

Fusione nucleare: un approccio diverso

La fissione produce frammenti di fissione e altri materiali radioattivi che richiedono isolamento e gestione adeguati. I prodotti di fissione derivano dalla divisione dei nuclei, non semplicemente dal normale decadimento naturale dell’uranio.

La fusione unisce nuclei leggeri. Una delle principali reazioni studiate combina deuterio e trizio formando elio, un neutrone ed energia. Anche il Sole è alimentato dalla fusione, ma vi dominano catene di reazioni diverse dalla reazione deuterio-trizio studiata sulla Terra. Tra i possibili vantaggi vi sono:

Molta energia per chilogrammo di combustibile: La fusione può produrre circa quattro volte più energia per chilogrammo di combustibile della fissione e quasi quattro milioni di volte quella della combustione di petrolio o carbone. Il confronto riguarda la massa di combustibile, non una singola reazione o il rendimento netto dell’intera centrale.

Disponibilità di combustibile: Il deuterio può essere estratto dall’acqua. Il trizio non è abbondante in natura e andrebbe prodotto, per esempio dal litio usando neutroni di fusione. Produzione e recupero di trizio in quantità sufficienti restano sfide tecniche.

Potenziali benefici ambientali: Come nella fissione, la reazione di fusione non emette direttamente CO₂. La reazione deuterio-trizio produce elio e neutroni che possono rendere radioattivi i materiali del reattore. Restano quindi necessarie radioprotezione e gestione dei materiali. Il riutilizzo dopo circa cento anni dipende da materiali e progetto, non è una garanzia generale.

Sicurezza: La fusione richiede condizioni rigorose e non mantiene una reazione a catena di fissione. Se tali condizioni vengono meno, il plasma smette rapidamente di fondere i nuclei. Il rischio di fusione del nocciolo è diverso da quello dei reattori a fissione, ma trizio, neutroni, calore e sicurezza dell’impianto richiedono attenzione. Non usare uranio o plutonio come combustibile non elimina automaticamente ogni rischio di proliferazione.

Nel 2022 e nel 2023 il NIF ha ottenuto un guadagno energetico sul bersaglio. Nel dicembre 2022, per esempio, 2,05 MJ di energia laser sul bersaglio hanno prodotto 3,15 MJ di energia di fusione. Non era produzione elettrica netta né un bilancio energetico positivo dell’intero impianto, che consumava più energia.

Le previsioni del 2023 su una centrale dimostrativa entro dieci o vent’anni erano stime, non scadenze certe. I tempi dipendono da fisica del plasma, materiali, produzione del combustibile, costruzione e funzionamento economico.

La produzione continua e pratica di elettricità da fusione richiede ancora ricerca e sviluppo ingegneristico. Un esperimento di accensione riuscito non produce automaticamente una centrale operativa o un calendario garantito.

Imprese dell’energia e della tecnologia nucleare

Enti pubblici di ricerca e imprese private contribuiscono alle tecnologie energetiche e nucleari. Le aziende seguenti hanno ruoli differenti; non tutte sviluppano estrazione marina dell’uranio o fusione.

I dati delle tabelle sono un’istantanea storica dell’articolo del 2023, non valori di borsa aggiornati. Gli indicatori attuali vanno verificati separatamente.

1. Exelon Corporation

EXC Grafico dei prezzi

Exelon Corporation (EXC ), con sede a Chicago, ha separato la generazione elettrica in Constellation nel febbraio 2022. Exelon si è concentrata su trasmissione e distribuzione. La vecchia descrizione di 23 reattori e 14 centrali nucleari non riguarda quindi l’Exelon attuale. La tabella e il grafico EXC si riferiscono a Exelon, non a Constellation.

2. NextEra Energy, Inc.

NEE Grafico dei prezzi

Secondo il rapporto annuale 2023, NextEra Energy (NEE ) aveva in portafoglio unità nucleari in Florida, New Hampshire e Wisconsin. La fissione non emette direttamente CO₂, ma gli impianti hanno impatti lungo il ciclo di vita. I 24 milioni di tonnellate di emissioni evitate ogni anno citati in origine erano una stima comparativa, non la misurazione di emissioni complessive nulle.

3. BWX Technologies, Inc.

BWXT Grafico dei prezzi

BWX Technologies (BWXT ) fornisce componenti, tecnologie e combustibile nucleare. Le attività includono propulsione navale nucleare, medicina nucleare e reattori di ricerca. Nel 2023 ha annunciato un contratto di ingegneria da GE Hitachi per il recipiente in pressione del piccolo reattore modulare BWRX-300. I piani di sviluppo in Europa, anche in Polonia, non equivalgono a centrali già operative.

Conclusioni

Il recupero elettrochimico di uranio dall’acqua marina e la fusione nucleare sono ambiti di ricerca distinti. Il primo può ampliare le fonti di combustibile per la fissione se l’attività su larga scala risulterà sostenibile economicamente e ambientalmente. La seconda mira a un modo diverso di produrre energia, con sfide tecniche ancora importanti. I risultati del 2023 sono progressi scientifici, non la prova che sia già disponibile elettricità illimitata e senza impatti.