Aggiornamento sugli SMR (Reattori Modulare di Piccola Dimensione) – Ancora il Futuro dell’Energia Nucleare

Sogni e Paure Nucleari

L’energia nucleare è un argomento controverso.

In primo luogo, per ragioni razionali, a causa del suo aspetto di sicurezza, con la catastrofe di Chernobyl o Fukushima che ricorda cosa può accadere quando fallisce.

In secondo luogo, per l’associazione meno razionale con le armi nucleari, così come la paura di qualsiasi radiazione, spesso alimentata dalla cultura popolare e dalla fantascienza.

È stata anche vista come un concorrente alle energie “vere” rinnovabili come vento e sole, e una scarsa alternativa a esse.

È comunque una fonte di energia molto potente; infatti, è la più densa disponibile per la civiltà umana, con un piccolo pellet di uranio in grado di sostituire centinaia di litri di petrolio, una tonnellata di carbone o 17.000 piedi cubici di gas.

Fonte: Energy.gov

È anche una fonte di energia a bassissime emissioni di carbonio, facendo riconsiderare la propria posizione a molti attivisti climatici. Questo è particolarmente vero poiché il nucleare è in grado di fornire energia di base indipendentemente dalle condizioni meteorologiche o dall’ora del giorno, cosa che le rinnovabili possono fare solo con enormi parchi di batterie.

Il Nuovo Nucleare

Recentemente è emersa una nuova generazione di sostenitori e ingegneri nucleari, pronta a criticare il percorso intrapreso finora dall’industria. Le loro lamentele sul nucleare, così com’è oggi, sono due: dimensione e combustibile.

Il Piccolo è Bello?

Le centrali nucleari tendono a essere progetti massivi. La potenza è espressa in gigawatt, gli investimenti richiesti ammontano a decine di miliardi e i tempi di costruzione sono di anni, se non decenni. Questo causa diversi problemi:

• Difficoltà a trovare finanziamenti al di fuori dei fondi governativi, a causa del lungo intervallo temporale tra l’inizio del progetto e la data della prima produzione di energia.
• Non è una buona soluzione per piccoli paesi o aree remote, e richiede, in una certa misura, che l’intera rete elettrica sia adattata alla centrale nucleare.
• Quando qualcosa va storto, invece di un incidente localizzato, può diventare una catastrofe a livello continentale.
• Ogni progetto massiccio è un design sperimentale su misura, bloccando l’industria dallo sviluppo di qualsiasi forma di standardizzazione nel processo di produzione.

Questo ultimo punto è particolarmente evidente dopo il fallimento delle grandi centrali elettriche centralizzate negli ultimi decenni, che ha avuto l’effetto di congelare praticamente l’industria. Ha persino causato la sua totale (e probabilmente permanente) distruzione in paesi come la Germania.

Più grande è una centrale, più energia viene prodotta in un unico luogo. Questo rende il raffreddamento del reattore extra difficile e extra pericoloso se qualcosa va storto.

Quindi l’attenzione si sta ora spostando verso piccoli reattori chiamati SMR (Small Modular Reactors). Verrebbero prodotti in serie, come navi o macchinari, e trasportati in camion al sito della centrale. La parte modulare deriva dal fatto che una centrale nucleare basata su SMR incorporerebbe da 4 a 20 “generatori” modulari, ognuno identico all’altro.

Esiste persino una tendenza a sviluppare micro‑reattori per applicazioni di nicchia come calore industriale, basi militari, comunità remote o persino basi lunari.

Fonte: IAEA

I Progetti e il Combustibile Sbagliati?

Progetti

Un’altra discussione riguarda il design delle centrali stesse. Alcuni specialisti sostengono che i progetti raffreddati ad acqua siano intrinsecamente meno sicuri, poiché richiedono un flusso costante d’acqua, dipendente da un complesso sistema di pompe e tubazioni, esattamente ciò che è fallito nell’incidente di Fukushima.

Stanno venendo sviluppati diversi design di raffreddamento, con un obiettivo sulla sicurezza passiva, garantendo che un reattore si raffreddi senza alcuna intervento esterno se qualcosa va storto.

Scelta del Combustibile

Altri criticano la focalizzazione sull’uranio come combustibile. Per ragioni di fisica fondamentale, questo combustibile è stato preferito alle alternative perché l’energia prodotta con l’uranio genera plutonio. E il plutonio è un componente chiave delle armi nucleari.

Negli anni 1950‑1980, quando nacque la maggior parte dell’industria nucleare, questo era considerato una qualità. Questo avveniva dopo la Guerra Fredda, e la necessità di materiali per armi nucleari era ritenuta da molte nazioni un requisito per la propria sicurezza. Oggi questo è molto meno accettato dall’opinione pubblica, soprattutto con la minaccia della proliferazione nucleare e del terrorismo.

In aggiunta, l’uranio è fondamentalmente un combustibile più rischioso, con maggiori probabilità di reazioni a catena incontrollate. Perciò molti appassionati di nucleare e startup ora propongono di esplorare i reattori al torio.

Un Intoppo nell’Innovazione

Se avessi chiesto a degli specialisti anche solo 1‑2 anni fa, la maggior parte avrebbe detto che gli SMR sarebbero stati il futuro dell’industria nucleare.

“Con gli SMR, abbiamo aperto un intero spettro di clienti.”

CEO di Rolls Royce

Ma con la recente cancellazione del Carbon Free Power Project di NuScale, è sorta la domanda se gli SMR possano essere competitivi in termini di costi rispetto alle rinnovabili e al nucleare convenzionale. O al nucleare in generale, considerando le decine di miliardi di dollari di sforamenti di costo delle più recenti centrali nucleari “tradizionali” aperte in Finlandia e USA.

Questo aumento dei costi potrebbe essere preoccupante se non fosse una situazione identica per l’intera industria energetica, comprese le rinnovabili.

È qualcosa che abbiamo approfondito nel nostro articolo “Il Crollo dell’Energia Rinnovabile del 2023“. Per riassumere brevemente, i produttori di turbine eoliche e pannelli solari, così come i costruttori di centrali nucleari, hanno subito una congiuntura di problemi:

• Aumento dei costi delle materie prime come metalli, cemento ed energia, tutti necessari per progetti industriali.
• Inflazione generale, che aumenta il costo della manodopera qualificata.
• Interruzioni della catena di approvvigionamento, dovute alla pandemia, problemi nelle rotte commerciali internazionali, e guerre commerciali e sanzioni dell’Occidente contro Russia e Cina.
• Aumento dei tassi di interesse, che incrementa notevolmente i costi dei progetti ad alta intensità di capitale come la generazione di energia.

Tutti questi fenomeni hanno danneggiato la capacità dei produttori di energia, TUTTI i produttori di energia, di fornire impianti a un costo così basso come precedentemente previsto. Ma, a meno che non decidiamo di non usare più energia, questo è qualcosa che dovrà essere ricalcolato.

Carburanti fossili, rinnovabili o nucleare, tutti costeranno di più in un contesto economico di alta inflazione e tassi elevati. Quindi la reazione dei mercati a “scegliere” rinnovabili e SMR a causa dell’aumento dei costi in questo contesto non è davvero razionale.

Solo All’inizio

Le preoccupazioni sulla cancellazione dei progetti pilota probabilmente non colgono il punto. Il Carbon Free Power Project era, per definizione, un progetto pilota.

Le riduzioni di costo degli SMR rispetto ad altri progetti nucleari dovrebbero derivare da 2 fonti:

1. Ammortamento dei costi di R&D su decine e centinaia di centrali identiche.
2. Flusso di lavoro costante della catena di montaggio, consentendo ottimizzazioni ed economie di scala.

Quindi è probabile che qualsiasi SMR sia piuttosto costoso per le prime 5 o anche 10 centrali. Solo quando raggiungerà la piena velocità i benefici economici del design si manifesteranno. È lo stesso modo in cui un prototipo di auto costa più per unità rispetto a un modello ben consolidato e prodotto in massa.

Questo è anche un fenomeno ben noto nelle industrie innovative, chiamato i “Valli della Morte”. Tra ogni fase c’è un picco di entusiasmo, seguito da un picco di pessimismo. Investitori a lungo termine e investimenti pubblici portano le industrie innovative attraverso questi periodi negativi e favoriscono il progresso a lungo termine.

Fonte: ThirdDerivative.org

E anche se il design specifico di NuScale dovesse risultare troppo costoso, questo dice qualcosa sui reattori a sale fuso, sul torio, sui combustibili HALEU o sui bargi nucleari (vedi più sotto).

Nel complesso, sembra che l’industria abbia ricominciato a innovare, probabilmente spinta dalla crisi energetica scatenata dalla guerra in Ucraina. Con le tensioni in aumento in Medio Oriente, una ripetizione della crisi energetica degli anni ’70 non è improbabile e replicerebbe il suo effetto sull’industria nucleare, facendo sì che paesi come la Francia generino il 70 % della loro elettricità con energia nucleare.

Una Selezione di Innovatori SMR

Questo articolo esamina alcuni dei design innovativi SMR, un elenco completo è disponibile sul sito della World Nuclear Association.

NuScale Power Corporation (SMR)

(SMR )

NuScale è leader in un nuovo tipo di design di reattore nucleare chiamato Small Modular Reactors (SMRs).

Il design principale di NuScale può essere trasportato su camion e produrrà 77 MWe per modulo, con fino a 12 moduli per impianto finito, per quasi 1 GW di potenza nominale.

Fonte: NuScale

Questo design è sufficientemente piccolo da poter essere implementato sul sito di una centrale a carbone dismessa, consentendo di riutilizzare tutta la sicurezza e l’infrastruttura di rete già costruita. NuScale è stata anche il primo SMR certificato dalla US Nuclear Regulatory Commission (NRC).

L’azienda ha già assicurato contratti in Romania. Sta inoltre valutando più di 15 altri potenziali clienti impegnati a distribuire SMR e oltre 120 potenziali clienti. Inoltre, clienti industriali come acciaierie stanno cercando di decarbonizzare le loro operazioni e assicurarsi fonti di energia economiche e affidabili.

È però al centro di interrogativi sulla viabilità economica degli SMR, dopo che il suo Carbon Free Power Project con l’Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) è stato cancellato a causa dell’aumento dei costi. Il prezzo delle azioni dell’azienda è crollato drasticamente sulla notizia, anche se è parzialmente rimbalzato da allora.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

(GE )

GE, in collaborazione con Hitachi, sta sviluppando il reattore modulare di piccola dimensione BWRX-300. Capitalizza sull’esperienza dei due gruppi nel settore nucleare per creare questo reattore da 300 MW.

Fonte: GE

GE è stata selezionata per progetti pilota SMR in Canada da Ontario Power Generation e da SaskPower in Saskatchewan.

Negli Stati Uniti, ha un accordo con la Tennessee Valley Authority ed è in trattativa con diverse altre compagnie di servizi pubblici.

A livello globale, è stata scelta per una flotta di 79 SMR in Polonia, da distribuire tramite la compagnia Orlen entro il 2038. È stata inoltre selezionata in Estonia, Repubblica Ceca e Svezia, ed è in trattativa nel Regno Unito e nel resto del mondo per ulteriori vendite.

Il successo di GE/Hitachi nella promozione del BWRX-300 è impressionante e potrebbe rappresentare il più grande successo internazionale nell’industria SMR. È probabile che la popolarità del design non sia basata solo sull’ingegneria, ma anche sulla reputazione delle società madri, sulla loro rete di influenza e sulla certezza di un supporto finanziario disponibile, rispetto a piccole startup.

Rolls‑Royce Holdings plc (RYCEY)

Rolls‑Royce non è solo un produttore di auto di lusso, ma anche leader nell’aeronautica (in particolare motori a reazione) e nella tecnologia di ingegneria avanzata.

L’azienda mira a diventare il leader britannico nella tecnologia SMR. Il suo design fornisce 470 MW per modulo.

Fonte: Rolls Royce

Rolls‑Royce sta discutendo l’installazione dei suoi SMR nei Paesi Bassi. È anche in trattative in Svezia e Finlandia, così come nella Repubblica Ceca (inclusa una collaborazione con il produttore di auto Skoda), e in Polonia.

Rolls‑Royce sembra concentrarsi soprattutto sui mercati europei e sulle applicazioni industriali, probabilmente una scelta intelligente considerando la crisi energetica in corso nel continente. Una crisi che potrebbe peggiorare con la potenziale chiusura del Canale di Suez per le importazioni di energia, come discusso nel nostro articolo “Fossil Fuel Supplies Troubles – Looming Shipping And Energy Crisis”.

Westinghouse: Cameco (CCJ) e Brookfield Renewable Partners L.P. (BEP)

(BEP )

Westinghouse Nuclear è stato un pioniere nell’energia nucleare statunitense sin dall’inizio dell’industria. È stato recentemente acquisito congiuntamente dal minerario di uranio Cameco (49 %) e dalla massiccia utility a basse emissioni BEP (51 %), parte della più grande corporation di investimento Brookfield (BN), con 850 miliardi di dollari sotto gestione.

Il design AP300 SMR di Westinghouse è una versione ridotta dei suoi reattori convenzionali AP1000. Attualmente, 4 AP1000 operano in Cina, con 6 altri in costruzione in Cina e 2 in Georgia, USA (il progetto Vogtle della Georgia è anche famoso per ritardi e sforamenti di costo), oltre a un progetto per 3‑6 reattori in Polonia e 6 in India.

Con una capacità di potenza di 990 MW, questo design SMR si colloca a metà strada tra i reattori convenzionali e quelli “piccoli”.

Fonte: Westinghouse

Poiché non è quotata direttamente, per ottenere una quota di Westinghouse gli investitori dovranno decidere se sono più interessati all’esposizione all’attività di energia rinnovabile di BEP, o all’attività di estrazione di uranio di Cameco.

Tuttavia, Westinghouse è un gigante nell’energia nucleare, con una lunga storia di definizione degli standard per l’industria, in particolare il design ad acqua pressurizzata che ha dominato il settore nucleare per decenni.

TerraPower

L’azienda privata è notoriamente sostenuta da Bill Gates. Mentre le grandi corporation e NuScale cercano principalmente di migliorare il design convenzionale delle centrali nucleari tramite una variazione di dimensione e metodo di produzione, TerraPower punta a cambiarlo radicalmente.

La sua innovazione chiave è un reattore a sale fuso, che l’azienda sta sfruttando in una partnership con GE‑Hitachi per sviluppare il reattore Natrium, un reattore da 345 MWe. La tecnologia dovrebbe essere installata in una centrale a carbone in pensione nel Wyoming. Sta anche lavorando al design del Molten Chloride Fast Reactor (MCFR).

I sali fusi fungono sia da combustibile, contenendo gli elementi radioattivi, sia da refrigerante. Questo potrebbe renderlo intrinsecamente più sicuro, poiché temperature troppo elevate fanno espandere i sali, riducendo spontaneamente la reazione nucleare e abbassando le temperature.

Permetterebbe anche il rifornimento continuo invece di dover spegnere il reattore ogni 18‑24 mesi. Potrebbe inoltre accettare combustibile di uranio a vari gradi di arricchimento, rendendolo più flessibile.

Poiché i neutroni non sono rallentati come nei reattori nucleari convenzionali, la reazione dovrebbe essere molto più efficiente.

Fonte: TerraPower

Perfino queste innovazioni radicali in un settore molto conservatore e cauto non sono sufficienti per TerraPower. Sta sviluppando il suo “obiettivo a lungo termine” del design Traveling Wave Reactor (TWR®), che potrebbe operare con uranio non arricchito per secoli, e essere 30 volte più efficiente dei design convenzionali.

L’industria nucleare, cauta nel non ripetere gli errori dei precedenti incidenti di fusione, è attualmente estremamente scettica verso qualsiasi nuovo design radicale. Questo potrebbe giocare sia a favore sia contro TerraPower.

Da un lato, il loro approccio radicale e innovativo potrebbe creare un design unico e molto più sicuro. Dall’altro, potrebbero affrontare una dura battaglia per convincere le autorità regolatorie nucleari preoccupate ad accettare persino il lancio sperimentale dei loro reattori nucleari.

Terrestrial Energy

Un’altra azienda di sale fuso è Terrestrial Energy, con il suo Integral Molten Salt Reactor.

L’azienda afferma di risolvere una questione chiave dei design a sale fuso legata alla durata del moderatore di grafite. Rendendo il nocciolo del reattore un’unità completamente integrata, lo rende facilmente sostituibile, con una durata di 7 anni.

Questo design beneficia degli stessi vantaggi dei altri reattori a sale fuso, come una maggiore sicurezza e una più alta efficienza grazie a temperature più elevate.

Moltex Energy

Moltex è un’azienda britannica che sviluppa un reattore che brucia rifiuti nucleari, un tipo di reattore anche noto come Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR‑W) a Point Lepreau in Canada.

Il design può modificare rapidamente la sua produzione di energia, rendendolo un abbinamento perfetto per integrare le rinnovabili intermittenti.

“Questa tecnologia nucleare avanzata ha la flessibilità delle centrali a gas, ma genera elettricità a costi inferiori e senza emissioni di carbonio,”

MoltexFLEX

Il reattore non ha parti in movimento e si raffredda passivamente, richiedendo molto meno supervisione rispetto a un reattore convenzionale.

Poiché Moltex si basa sui rifiuti nucleari, non potrà mai sostituire completamente i design standard o SMR. Tuttavia può occupare una nicchia unica gestendo la produzione di energia a basso costo riducendo al contempo i rifiuti nucleari e fornendo una fonte di energia a bassa emissione di carbonio, reattiva e flessibile su richiesta.

Rosatom

La società statale nucleare russa è leader nel settore da decenni. È stata una delle prime a sviluppare qualcosa di simile a un piccolo reattore. Attualmente, non sembra concentrarsi molto sullo sviluppo di SMR, eccetto per il nucleare marittimo.

L’idea già implementata è installare su una nave un piccolo impianto nucleare simile a quello che alimenta i sottomarini nucleari o le portaerei. Questa centrale galleggiante può poi essere dispiegata in aree che ne hanno bisogno, nel caso della Russia principalmente città e siti industriali nell’Oceano Artico.

Questo design può anche essere prodotto in serie in cantieri navali dedicati, già esperti nella costruzione di navi da guerra a propulsione nucleare.

Fonte: Power Technology.com

Con l’80 % della popolazione mondiale che vive in regioni costiere, questo design potrebbe diventare popolare. Per ora, il modello di business previsto sarebbe che Rosatom possieda e gestisca la chiatta elettrica, vendendo l’elettricità, anche in paesi esteri.

Offre anche un certo livello di flessibilità, con la possibilità di spostare una centrale in aree colpite da disastri come uragani, o in regioni remote con poca infrastruttura energetica.

Seaborg

Il concetto di chiatta nucleare / centrale galleggiante di Rosatom non è unico per la Russia, e considerando la situazione geopolitica, è improbabile che il design russo diventi popolare nei paesi occidentali e nei loro alleati nel prossimo futuro.

Qui entra in gioco l’azienda danese Seaborg. L’azienda sta sviluppando un reattore a sale fuso compatto che è anche una centrale galleggiante da fino a 800 MW.

Fonte: Seaborg

Il design marino dei reattori Seaborg lo rende adatto per le nazioni costiere, con discussioni in corso con Indonesia e Norvegia.

Seaborg collabora anche con il leader globale nella costruzione navale Samsung Heavy Industries per sviluppare centrali nucleari galleggianti combinate con impianti di idrogeno e ammoniaca.

Quindi Seaborg potrebbe diventare una parte integrante di un’economia di idrogeno e ammoniaca guidata dal nucleare, come descritto nel nostro articolo “L’Altro Combustibile a Idrogeno – Top 5 Azioni di Ammoniaca Verde”.

X‑Energy

L’innovazione di X‑Energy nell’energia nucleare è l’uso di un tipo di combustibile diverso dall’uranio arricchito convenzionale, il combustibile TRISO‑X.

Il combustibile TRISO‑X utilizza “Uranio a Basso Arricchimento e Alta Assay” (HALEU), consentendo periodi di funzionamento più lunghi, il che dovrebbe ridurre i costi. Il suo design dovrebbe inoltre incorporare nel combustibile stesso il sistema di contenimento, aumentando drasticamente il profilo di sicurezza.

Il suo reattore Xe‑100 è un High‑Temperature Gas‑cooled Reactor (HTGR), un design da 80 MWe considerato parte della ^4ª generazione di centrali nucleari. Tali reattori affermano un perimetro di sicurezza di 400 m (contro 10 mila miglia per i design convenzionali).

I design di X‑Energy potrebbero avere vantaggi tecnici, ma potrebbero anche essere vulnerabili a questioni geopolitiche. Il combustibile HALEU è fornito principalmente agli USA da Rosatom, e questo potrebbe essere a rischio a causa della guerra in Ucraina. Forniture alternative da Centrus negli USA o da Orano in Francia potrebbero richiedere 5‑10 anni per svilupparsi, mettendo a rischio la fornitura di combustibile nucleare dell’azienda.

L’azienda ha annunciato nell’ottobre 2023 di aver terminato l’accordo con SPAC Ares Acquisition Corporation per consentire a X‑Energy di quotarsi in borsa.

Cina

Per molto tempo importatore di tecnologia nucleare da Russia e Occidente, la Cina sta rapidamente diventando un innovatore di primo piano nel settore.

Il paese ospita 55 centrali nucleari attive, ne ha 22 in costruzione e ne prevede altre 70. In totale, ha annunciato nel 2021 la sua ambizione di costruire 150 nuove centrali. Ha anche realizzato la prima produzione commerciale al mondo di una centrale nucleare di ^4ª generazione nel dicembre 2023.

Oltre ai grandi impianti convenzionali, le aziende cinesi stanno sviluppando un reattore a torio raffreddato ad aria che sarebbe ideale per aree aride senza sufficiente acqua per i tradizionali design ad acqua pressurizzata.

Si sta anche sviluppando un design compatto a sale fuso al torio per alimentare navi portacontainer senza emissioni di carbonio o necessità di rifornimento. Questo potrebbe realizzare il sogno di navi commerciali nucleari, prima immaginato nel programma “atom for Peace” degli anni ’60, la US Savannah. Forse simbolicamente, la US Savannah è stata annunciata per la dismissione nel gennaio 2023

US Savannah – Fonte: ANS

Copenhagen Atomics

L’azienda danese sta cercando di costruire un reattore a sale fuso alimentato a torio, inseribile in container standard da 40 piedi.

L’azienda afferma la possibilità che il suo reattore sia commercialmente disponibile per 100.000 $ o in leasing, fornendo 100 MW di potenza termica, con una temperatura di 560 °C. Il primo prodotto demo è previsto per il 2025.

Fonte: Copenhagen Atomics

Entro il 2028, l’azienda prevede anche di aver costruito il suo primo bruciatore di rifiuti.  Sarà in grado di prendere rifiuti radioattivi che durerebbero 100.000 anni e trasformare il periodo pericoloso dei rifiuti in soli 300 anni, producendo al contempo energia.

Con un focus su tutte le più avanzate innovazioni nucleari contemporaneamente (torio, sali fusi, bruciatore di rifiuti, reattore di dimensioni container), Copenhagen Atomics è probabilmente una delle startup più ambiziose nell’industria nucleare. Quindi gran parte del suo futuro successo o fallimento dipenderà da quanto rapidamente il quadro normativo potrà cambiare per accogliere design nucleari radicalmente nuovi, più che dai soli risultati tecnici dell’azienda.