La quarta generazione di energia nucleare: più economica, più pulita, più sicura

Dalla fantascienza alla stagnazione

Dire che l’energia nucleare è controversa è un eufemismo. Molti la considerano un’idea estremamente pericolosa, citando lo spettro di Chernobyl e Fukushima come prova, e il problema dei rifiuti nucleari come qualcosa di irrisolvibile. Altri la vedono come una tecnologia potenzialmente salvavita per la civiltà, grazie alla sua capacità di generare energia di base con emissioni di carbonio estremamente basse e un ingombro territoriale ridotto.

Questa divisione esisteva già all’inizio, prima che il cambiamento climatico fosse persino un argomento.

Il mondo ha preso coscienza per la prima volta del potere straordinario del nucleare con il bombardamento atomico di Hiroshima e Nagasaki, subito seguito dall’invenzione della bomba H e dalla Guerra Fredda. Da queste origini, il potenziale distruttivo della nostra nuova padronanza dell’atomo era chiaro.

Presto, l’idea di sfruttarlo per scopi pacifici prese piede. Prima fu l’iniziativa “Atom For Peace”, poi un’enorme ondata di costruzione di centrali nucleari in tutto il mondo. Per un periodo, sembrava chiaro che il futuro fosse nucleare e che bruciare carbone, petrolio e gas sarebbe presto diventato obsoleto come i pittoreschi mulini a vento dei Paesi Bassi.

In pratica, la produzione di energia nucleare ha smesso di crescere alla fine degli anni ’90 post‑Chernobyl e da allora è stagnata a livello globale, con la crescente produzione della Cina che compensa il declino dell’industria nucleare europea.

Fonte: Nuclear Energy – Our World in Data

Per molti anni, sembravano disposte a sviluppare l’energia nucleare solo la Cina e la Russia.

Specialmente la Cina, che è, come ha scritto The Economist, “building nuclear reactors faster than any other country”.

Fonte: The Economist

Oggi, l’energia nucleare sta facendo un ritorno globale, su una scala inimmaginabile pochi anni fa, con molte notizie che indicano un cambiamento di politiche in gran parte del mondo:

• Il Giappone intensifica lo sforzo per riavviare la più grande centrale nucleare del mondo
• La Segretaria dell’Energia degli Stati Uniti Jennifer Granholm chiede di triplicare la flotta nucleare statunitense
• Nuovo nucleare incluso nella bozza del piano energetico coreano
• La Francia abbandona gli obiettivi per le energie rinnovabili, dando priorità al nucleare nel nuovo disegno di legge energetico
• Il Regno Unito pianifica di costruire un nuovo reattore nucleare in Scozia
• L’India costruirà 18 reattori nucleari con una capacità di 13,8 GW entro il 2032

Il collegamento mancante alla decarbonizzazione?

Le preoccupazioni sulla sicurezza sono ancora molto vive, e sono la giustificazione dietro la decisione della Germania di chiudere le sue centrali nucleari.

Tuttavia, le preoccupazioni sulle emissioni di carbonio e sul cambiamento climatico stanno diventando più pressanti, e l’energia nucleare è in realtà l’emittente più piccolo di tutte le fonti energetiche, persino migliore di vento e solare, che richiedono molto più terreno e materie prime.

Fonte: Our World In Data

Pur essendo spettacolare e con conseguenze durature, il nucleare è anche, nella pratica, sicuro quanto le rinnovabili quando si misura il numero di morti che ha causato, anche includendo i disastri maggiori.

Quindi, osservato oggettivamente, il nucleare dovrebbe probabilmente essere uno degli strumenti da utilizzare per decarbonizzare la rete elettrica e l’economia in generale. Questo è particolarmente vero poiché abbiamo bisogno di sempre più energia per l’elettrificazione dei trasporti (VE) e del riscaldamento (pompe di calore), oltre a nuove esigenze come i data center per l’IA.

La quantità di carbone, petrolio e gas che deve essere sostituita è sbalorditiva. Anche considerando i progressi delle rinnovabili e dell’adozione dei VE, essi costituiscono ancora la stragrande maggioranza del nostro consumo energetico oggi.

Fonte: Our World In Data

Che ne è dei rifiuti nucleari?

Il vero profilo di sicurezza del nucleare, tuttavia, lascia aperta la questione dei rifiuti nucleari.

L’idea di lasciare alle generazioni future rifiuti tossici che saranno pericolosi per un periodo molto più lungo di quanto sia rimasto in piedi il Grande Piramide è, per usare un eufemismo, angosciante.

Dovremmo avvelenare il futuro per salvare il clima? Fortunatamente, almeno due serie di soluzioni stanno emergendo dal progresso tecnologico per rispondere a questo dilemma.

La prima opzione è riciclare i rifiuti nucleari, la seconda è produrre quasi nessun rifiuto nucleare. Entrambe fanno parte della cosiddetta 4^th generazione di centrali nucleari.

Per maggiori dettagli, vedere di seguito i reattori veloci e i reattori al torio.

Naturalmente, in futuro potrebbero essere adottate altre soluzioni, come portare fuori dal mondo questi rifiuti grazie a razzi ultra‑affidabili. Ma per ora è improbabile che il rischio di spargere rifiuti nucleari su metà di un continente in caso di fallimento del lancio sia considerato accettabile.

Generazioni di centrali nucleari

La 1^st generazione di centrali nucleari era essenzialmente un prototipo senza utilizzo commerciale.

La 2^nd generazione di centrali nucleari rappresenta la maggior parte della flotta attuale. Sono state costruite nel periodo 1965‑1996.

La 3^rd generazione di centrali nucleari è stata costruita dopo le lezioni apprese dalla 2^nd generazione e ha cercato di rimediare ai difetti che hanno portato a rari ma catastrofici disastri nucleari. Sono state costruite nel periodo 1996‑2016. Talvolta, una generazione 3+ è descritta come i generatori costruiti nel periodo 2017‑2021, con un focus sulla maggiore sicurezza.

La 4ª generazione di nucleare è appena agli inizi e rappresenta una rottura rispetto alle precedenti, con l’obiettivo di un nuovo design, concetto e forse anche di cambiare il combustibile nucleare invece di miglioramenti incrementali.

È in discussione anche una centrale nucleare di 5^th generazione. Questi progetti sono teoricamente possibili ma non sono stati attivamente ricercati. Ciò è solitamente dovuto a problemi di fattibilità economica, tecnologie mancanti o preoccupazioni sulla sicurezza.

Centrali nucleari di quarta generazione

Ciò che rende una centrale nucleare parte della 4^th generazione è oggetto di acceso dibattito tra gli esperti del settore.

In questo articolo, discuteremo principalmente di design di impianti che si discostano radicalmente da quelli della 3^rd generazione.

E cercheremo di mantenere la spiegazione il più semplice possibile, tralasciando alcuni dettagli quando necessario.

Reattore a temperatura molto alta (VHTR)

Questo design è caratterizzato da temperature molto elevate, nell’intervallo di 1.000 °C. È l’unica centrale nucleare di 4^th generazione già operativa, con il lancio commerciale nel 2023 della Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Plant nell’est della Cina.

Il design si basa spesso su un “lettino di palline”, dove sfere ceramiche abbastanza piccole da poter essere tenute in mano proteggono un nocciolo di uranio, con decine di migliaia di queste sfere in un singolo reattore.

Fonte: CGTN

X-Energy (XE )  sta anche sviluppando una tecnologia simile negli USA.

Poiché la reazione richiede alte temperature ed è raffreddata passivamente, questo è un design intrinsecamente più sicuro rispetto alle centrali nucleari di 3^rd generazione.

Il vantaggio del design a palline è consentire la sostituzione senza interrompere la produzione del reattore, con la ceramica che evita anche il rischio di perdite di materiale radioattivo.

Reattore a sale fuso (MSR)

In questi reattori, il refrigerante è una miscela di sale fuso invece di acqua o gas. In alcuni casi, il combustibile è anch’esso contenuto nel sale fuso.

I reattori a sale fuso tendono ad avere una maggiore efficienza di output, bruciano il combustibile più efficientemente e creano meno rifiuti nucleari. Poiché operano a temperature più elevate, a volte vengono raggruppati insieme al VHTR nella categoria dei “reattori termici”.

Tuttavia, un problema dei sali fusi è la loro corrosività, problema aggravato dal potenziale indebolimento della struttura a causa della radioattività. Ciò implica la necessità di una manutenzione estremamente cauta e di controlli accurati delle tubazioni, delle pompe, ecc. del sistema.

Torio

Dal 1950, quasi tutti i reattori hanno utilizzato uranio come combustibile. Questo porta le persone a presumere che sia l’unica soluzione.

Ma in realtà è stata una scelta per lo più politica, poiché gli impianti a uranio creano plutonio. All’epoca era considerato positivo, poiché aiutava le potenze nucleari a produrre il materiale per le bombe nucleari.

Un’alternativa, con una risorsa tre volte più abbondante dell’uranio, è l’elemento torio. I sottoprodotti di un reattore al torio sono anche molto improbabili da trasformare in materiale per armi atomiche.

Fonte: ACS

Un altro vantaggio chiave del torio è la possibilità di produrre fino a 100 volte meno rifiuti, almeno quando si utilizza un design di reattore al torio a fluoruro liquido (un reattore a sale fuso al torio).

Qui, la Cina è anche leader con un reattore al torio che può funzionare senza acqua, rendendolo adatto alle regioni desertiche. E con navi container alimentate da un reattore al torio rivelato da China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Reattori veloci / breeder / burner

I reattori veloci si basano sui “neutroni veloci” che non vengono rallentati da moderatori come nei reattori nucleari classici. Questo permette di progettare il reattore in modo che possa utilizzare i neutroni veloci per consumare elementi della famiglia degli attinidi (che includono uranio e plutonio).

Fonte: Sciences Notes

Poiché il combustibile dei reattori classici si trasforma in una miscela complessa di attinidi a lunga vita, questa classe di elementi è il problema principale nei rifiuti nucleari.

I reattori burner trasmutano la maggior parte degli attinidi problematici nel combustibile nucleare esausto, rendendo i rifiuti trattati risultanti meno attivi, del 90‑98 % meno voluminosi, e problematici solo per decenni o secoli invece che per millenni.

Questa categoria di reattori è solitamente classificata in base al suo sistema di raffreddamento, che può utilizzare gas, sodio, o piombo.

Sebbene classificati come 4^th generazione, non si tratta realmente di una tecnologia nuova o non testata. Notoriamente, la Francia ha Phénix e Superphénix bruciato rifiuti nucleari dal 1970‑1990, per poi chiudere definitivamente per costi operativi e pressioni politiche del partito Verde.

Versioni moderne di reattori breeder veloci includono, ad esempio, il progettato ma non costruito PRISM di GE‑Hitachi.

Reattori modulari piccoli (SMR) & microreattori

La maggior parte dei reattori nucleari è concepita come le tipiche grandi centrali che immaginiamo come impianti nucleari.

Un nuovo tipo di design sta cercando di ridimensionare le centrali nucleari a una dimensione che possa essere trasportata su un camion (SMR) o anche in un contenitore standard (microreattori).

Fonte: Nuscale

In generale, gli SMR dovrebbero essere utilizzati per alimentare la rete o grandi processi industriali, mentre i microreattori saranno più probabilmente impiegati in aree remote, installazioni militari, e l’esplorazione spaziale.

Le dimensioni più piccole e il design standardizzato dovrebbero anche facilitare l’adozione degli SMR per paesi più piccoli.

Un altro vantaggio degli SMR è che possono essere prodotti in serie, come camion o navi, invece del design unico su misura solitamente favorito dall’industria. In teoria, ciò dovrebbe fornire economie di scala e riduzione dei costi.

In pratica, i costi potrebbero essere più alti del previsto, almeno per i prototipi. Questo ha portato a un calo di entusiasmo sugli SMR dopo che forse erano diventati un po’ sopravvalutati.

Tuttavia, gli SMR probabilmente si espanderanno rapidamente, con progetti in corso, ad esempio, in Finlandia, Norvegia, Polonia, USA, Canada, e Argentina.

Puoi leggere di più sullo stato della tecnologia SMR nel nostro articolo “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power”.

Stazione nucleare galleggiante

Pur non essendo tecnicamente di 4^th generazione, le stazioni di energia galleggianti sono un nuovo concetto che fornisce una rottura radicale dal consueto concetto di centrale nucleare.

Principalmente sostenuto da Rosatom della Russia, questo concetto è diverso dalle navi a propulsione nucleare, come, ad esempio, alcuni portaerei.

Qui, lo scopo intero della nave è essere una centrale elettrica, sebbene mobile e galleggiante. A causa dei vincoli di dimensione, potrebbe anche essere descritta come un SMR, sebbene molto grande.

Fonte: Power Technology

L’applicazione di questi concetti è stata nell’Artico russo, alimentando città costiere principalmente focalizzate su estrazione mineraria e di petrolio & gas. In questo ambiente, il “calore di scarto” della stazione non è sprecato e può essere utilizzato per il riscaldamento urbano.

Un’applicazione più ampia potrebbe essere portare l’energia nucleare a paesi in via di sviluppo senza esperienza nella gestione della tecnologia nucleare. La stazione può essere gestita dal suo produttore, e l’energia è venduta alla terraferma semplicemente “collegandola” alla rete elettrica.

Il concetto potrebbe anche fornire energia a isole e regioni remote, nonché un sistema di soccorso rapido in caso di catastrofi.

Ad esempio, la Guinea sta già valutando di collaborare con la Russia a un progetto del genere.

Westinghouse e Prodigy stanno anche indagando l’idea, così come KSOE & Kepco della Corea, o Seaborg della Danimarca che combina la tecnologia a sale fuso con centrali nucleari marittime.

Costi

Un’ultima critica rivolta al nucleare riguarda i costi.

Ciò è dovuto in gran parte al fatto che gli ultimi progetti nucleari negli USA e in Europa hanno subito enormi sforamenti di budget. Per esempio, la centrale di Vogtle in Georgia ha finito per costare 37 miliardi di dollari, di cui 20 miliardi di sforamenti. O l’impianto Olkiluoto‑3 in Finlandia da 11 miliardi di euro, invece dei 3 miliardi inizialmente previsti.

Il fatto che Vogtle abbia impiegato 14 anni per essere costruita e Olkiluoto sia entrata in servizio 12 anni dopo la stima iniziale è in gran parte responsabile dell’aumento dei costi.

Ma non è una fatalità. Nello stesso periodo, Bloomberg ha rivelato che la Cina ha costruito 6 reattori nucleari per soli 17 miliardi di dollari.

La crescita dei costi in Occidente è legata principalmente a tre fattori:

1. Crescente onere normativo.
   1. Mentre parte di questo è dovuta a una crescente attenzione alla sicurezza, alcuni lo descrivono come burocrazia e ostacoli politicamente motivati per l’industria.
2. Crescente costo del capitale.
   1. Poiché i costi delle centrali nucleari sono per lo più anticipati dalla costruzione, costi di capitale più bassi riducono drasticamente il prezzo finale. Tipicamente, i progetti nucleari cinesi hanno accesso a prestiti a basso interesse dallo Stato.
3. Pochi progetti.
   1. Se più centrali fossero costruite in successione, i produttori potrebbero standardizzare la produzione e realizzare le apparecchiature in serie, invece di un design unico su misura ogni volta.
   2. Un flusso più costante di progetti aiuta anche a formare e trattenere personale qualificato.

Ognuno di questi problemi può essere risolto.

L’onere normativo eccessivo può essere ridimensionato, il capitale può essere mobilitato dal governo. E più progetti e una politica energetica stabile ricostruiranno la catena di approvvigionamento.

Aziende del settore nucleare

1. Cameco Corporation

L’energia nucleare dipende dalla fornitura di uranio. L’uranio non è una risorsa molto rara, sebbene i depositi ad alta concentrazione non siano facilmente trovati.

Il mercato è dominato da Kazatomprom in Kazakistan e Cameco in Canada. Esistono altri produttori di uranio, ma questi due sono di gran lunga i più grandi e quelli con costi di produzione più bassi. Di conseguenza, Cameco sarà al centro della fornitura delle materie prime richieste dalle centrali nucleari esistenti e future.

Fonte: Cameco

Tuttavia, il lato estrattivo di Cameco è solo metà della storia. Questo perché, nel 2022, Cameco ha deciso di acquisire il controllo di maggioranza in Westinghouse, il principale costruttore di centrali nucleari negli USA, insieme a un gigante di investimento, Brookfield.

Ciò dà a Cameco accesso ai ricavi costanti di Westinghouse derivanti dalla manutenzione delle centrali esistenti e al controllo di una grande parte della catena di fornitura nucleare. A causa di normative rigide, tali parti e attrezzature saranno richieste per qualsiasi nuova centrale, tradizionale o SMR.

Una buona dimostrazione del potenziale innovativo di Westinghouse è il suo recente design AP300 SMR, che probabilmente sarà implementato in Slovacchia, Finlandia,  e Svezia.

Quindi Cameco è sia una scommessa sui prezzi dell’uranio sia Westinghouse che mantiene un solido controllo sul mercato della costruzione di centrali nucleari che una volta dominava. Va notato che la co‑proprietà con Brookfield potrebbe anche aiutare, poiché l’azienda possiede una divisione di generazione di energia rinnovabile/bassa emissione di carbonio del valore di 19 miliardi di dollari Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )  (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

Oltre ai reattori e alle tecnologie del combustibile, la generazione di energia nucleare dipende fortemente da molti captori, parti e altri “piccoli” equipaggiamenti che comunque devono funzionare perfettamente.

Una di queste categorie è la rilevazione delle radiazioni, il core business di Mirion (USA). La normativa nucleare richiede controlli molto rigidi sull’esposizione alle radiazioni del personale, dell’ambiente e sulla pronta individuazione di eventuali perdite o contaminazioni. Lo stesso vale per l’uso medico di composti radioattivi, come trattamenti oncologici e imaging.

Fonte: Mirion

L’azienda è anche attiva nelle misurazioni fisiche per analisi scientifiche e ricerca, nonché in dispositivi di smantellamento & decontaminazione per l’industria della difesa, la cybersicurezza e i servizi di formazione. L’azienda è stata quotata in borsa nel 2020.

I ricavi di Mirion sono cresciuti costantemente, sostenuti in egual misura dal segmento medico e dai clienti industriali.

Mirion è una parte meno “glamour” della catena di fornitura nucleare, monitorando e misurando le radiazioni invece di creare nuovi design di reattori, combustibili ad alta densità o applicazioni militari. Questo non la rende meno interessante dal punto di vista finanziario.

Quindi, Mirion è più un tipo di azione “pick and shovel” che beneficerà del rinnovato interesse e degli investimenti nel nucleare. Trarrà anche profitto da un ancora alto scetticismo pubblico sul nucleare, rafforzando i requisiti per sensori e monitor di radiazioni onnipresenti, efficienti e affidabili forniti da fornitori collaudati.