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TematicheAmbiente, Infrastrutture ed EnergiaIl punto sulle nuove tecnologie nucleari: SMR e IV...

Il punto sulle nuove tecnologie nucleari: SMR e IV generazione

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Una panoramica delle nuove tecnologie: reattori di IV generazione e SMR. Il cosiddetto “rinascimento” dell’industria nucleare, dovuto a pressanti problematiche di sicurezza energetica e diminuzione delle emissioni, si basa su due principali sviluppi tecnologici, i reattori di IV generazione e i Small Modular Reactor (SMR).

Per quanto riguarda i reattori, sono stati sviluppati decine di progetti sperimentali, ma i sei più promettenti sono stati individuati dal forum internazionale per la IV generazione già nel 2013, con un’ulteriore aggiunta nel 2020.  Questi reattori sono progettati per superare le limitazioni dei modelli precedenti e hanno una serie di caratteristiche peculiari tra cui dei sistemi di sicurezza più efficaci, la riduzione dei rifiuti radioattivi, l’utilizzo di combustibili avanzati come il torio, la riduzione del rischio di proliferazione nucleare, una maggiore efficienza energetica, flessibilità di applicazione e sostenibilità ambientale. In sintesi, rispetto ai loro predecessori dovrebbero offrire un approccio più sicuro, efficiente e sostenibile alla produzione di energia nucleare. Le sei tecnologie su cui si basano la maggior parte dei progetti esistenti si differenziano per le diverse caratteristiche di spettro neutronico, refrigerante utilizzato, temperatura prodotta, ciclo del combustibile e taglia.


Per quanto riguarda la seconda categoria, ovvero gli SMR, secondo la definizione dell’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA), essa è fondamentalmente, una “riduzione” di scala delle tecnologie nucleari già in uso o in sviluppo, con una capacità di produzione massima di 300 Mw. Questa operazione consentirebbe di ridurre tempi e costi di installazione e costruzione delle nuove centrali per la possibilità di creare linee di produzione dei reattori e per la minor necessità di imponenti spazi ed infrastrutture. Inoltre la modularità data da questa tecnologia permetterebbe un’agile dislocazione dei reattori, consentendo un uso più esteso e più diffuso geograficamente dell’industria nucleare. Un ulteriore elemento a favore riguarda la possibilità di installare più facilmente sistemi di sicurezza passiva, che aumenta dunque la sicurezza degli stessi in caso di incidente.

Date dunque le definizioni, come e dove si sta procedendo per lo sviluppo di queste tecnologie? I giganti asiatici sono i nuovi leader del nucleare?

Il dragone atomico: gli investimenti di Pechino 

Nonostante gli importanti programmi di sviluppo per cui la flotta nucleare cinese vedrà una forte espansione nei prossimi anni, con almeno 20 reattori in costruzione e altre decine in pianificazione, la vera forza del programma nucleare di Pechino sta nell’innovazione. In questo senso, verso la fine del 2023 è arrivata la notizia dell’attivazione per la produzione di energia elettrica e calore del reattore a Shidao Bay. Questo reattore è una pietra miliare dell’industria nucleare, rappresentando la fusione delle innovazioni del settore, combinando la taglia degli SMR ad un reattore di IV generazione, che prevede l’utilizzo dell’Elio come elemento refrigerante. Queste caratteristiche danno la possibilità di diminuire i costi e tempi di installazione e di eliminare la necessità di localizzare gli impianti vicino a fonti d’acqua. Un altro passo avanti è rappresentato dal reattore SMR LingLong One, prototipo per dimostrare l’effettiva commercializzazione di reattori modulari basati su tecnologie cinesi, di cui è prevista l’accensione per il 2026. In costruzione presso la città di Changjiang, disporrà di un potenza di 125 Mwe e sarà con molta probabilità il primo SMR terrestre ad entrare in attività, data la capacità della RPC di ottimizzare i tempi di costruzione. Inoltre a giugno 2023 è stata rilasciata la licenza per le operazioni per un reattore sperimentale di IV generazione con caratteristiche intriganti: il raffreddamento sarà garantito da sali liquefatti (fluoridi di Litio o Berillio-Litio), mentre i principali combustibili sono il Torio e il Plutonio, il primo un elemento ad ora non utilizzato ma molto abbondante in natura mentre il secondo è un sottoprodotto delle tecnologie di fissione classiche. Se questo reattore dimostrativo avrà effettivamente successo, è prevista la costruzione entro il 2030 di un reattore commerciale da 375 Mwe di potenza. Questa tipologia di reattore è la stessa che secondo i piani di Pechino, dovrebbe essere usata per alimentare i superportacontainer da 500000 tonnellate di carico utile. La RPC, grazie alla collaborazione con la Russia, sta inoltre sviluppando FNPP (Floating Nuclear Power Plants) e già nel 2016 aveva espresso l’intenzione di dispiegarne potenzialmente fino a 20 nel Mar Cinese Meridionale. Attualmente, la RPC sta costruendo due prototipi, l’ACP100S (125 MWe) e l’ACPR50S (50 MWe), entrambi reattori montati su chiatte non autopropulse con un ciclo di rifornimento di due e tre anni. Gli utilizzi preposti per queste centrali galleggianti includono l’alimentazione di basi militari, dissalazione, riscaldamento e supporto alle attività di trivellazione petrolifera in mare aperto. Globalmente, per quanto molte di queste tecnologie siano in sviluppo anche in altri Paesi, è chiaro che gli importanti e costanti investimenti della Cina del settore stanno iniziando a dare i loro frutti, con una progressiva scalata verso la leadership della filiera nucleare. 

La sicurezza energetica indiana passa anche dal nucleare

Il programma nucleare indiano, avviato nel 1969, si propone di realizzare un ciclo del combustibile chiuso in tre fasi successive. Questo approccio prevede il riutilizzo del combustibile esausto prodotto nella prima fase del ciclo per alimentare la fase successiva, con l’obiettivo di minimizzare la produzione di rifiuti nucleari. L’obiettivo finale del programma nucleare indiano è sfruttare le ampie riserve di torio-232 del Paese, tra le più grandi al mondo, combinando i sottoprodotti di fissione della seconda fase con il Torio, chiudendo in questo modo il ciclo del combustibile. Attualmente la flotta nucleare indiana è composta da 23 reattori operativi; ve ne sono poi altri 8 in costruzione e ulteriori 10 in fase di progettazione. Un passo avanti nello sviluppo del programma indiano è stato compiuto recentemente, con l’inizio del caricamento del combustibile per il Prototype Fast Breeder Reactor nel sito di Kalpakkam, rappresentando dunque il primo passo verso l’inizio della cosiddetta seconda fase, che punta all’auto sostentamento nel fabbisogno di combustibile. Recentemente, vi è stata una svolta verso gli investimenti tecnologici e finanziari esteri nel settore, con l’accordo con la francese EDF per lo sviluppo di reattori SMR e la futura costruzione di 6 grandi reattori basati su tecnologia francese. Oltre ai progetti in sviluppo è da sottolineare l’esistenza di un progetto di SMR basato sulla tecnologia locale, che segnala la capacità dell’industria indiana di restare competitiva nonostante le grandi sfide poste dal settore. 

Punto di contatto: i nuovi sviluppi del nucleare russo

La Federazione Russa, con i suoi 37 reattori in attività e altri 4 in costruzione, è storicamente uno dei grandi player nella produzione di energia atomica e da tempo ha in sviluppo diversi prototipi di nuova generazione. In questo senso è il primo Paese al mondo ad aver costruito un SMR flottante, derivato dall’esperienza nella costruzione di reattori navali per i rompighiaccio. Meglio conosciuto come FNPP (Floating Nuclear Power Plant) Akademic Lomonosov, con due reattori con una potenza di 35 Mwe ciascuno, è uscito dai cantieri navali nel 2020 e attualmente operativo in prossimità della città di Pevek, in Siberia. Dato il successo operativo di questo sistema è previsto che ulteriori quattro unità simili alla Lomonosov ma con una potenza di 106 Mw siano costruite nei cantieri navali cinesi, grazie ad un accordo di collaborazione sulle tecnologie nucleari stretto tra Mosca e Pechino. Rosatom, la principale industria russa del settore, ha inoltre ottenuto la licenza per la costruzione di un primo gruppo di SMR basato sulla medesima tecnologia delle FNPP nella regione della Yakuzia. Per quanto riguarda le nuove tecnologie, nel 2021 è iniziata la costruzione del primo reattore sperimentale di IV generazione russo, il BREST – 300, basato sulla tecnologia di raffreddamento al Piombo. Se questo primo prototipo avrà successo nelle diverse fasi di sviluppo è prevista la costruzione di una prima centrale basata su questa tecnologia di più grossa taglia, denominata BREST – 1200. La panoramica sui progetti russi indica come il nucleare è stato e sarà una componente importante del sistema russo, in particolar modo per quanto riguarda le relazioni internazionali, con ben 73 progetti in 29 Paesi differenti e una grossa fetta della capacità globale di arricchimento dell’Uranio e del trattamento del combustibile esausto.

Gli attori occidentali: primi passi verso un rinnovamento

Nord America: il rinnovamento si apre ai privati

  1. Canada

Con 19 reattori operativi, il Canada è da considerare come uno dei principali attori nella sfera occidentale dietro solo a USA e Francia. Il Paese Nordamericano, oltre a riproporre le tecnologie classiche, sta dimostrando un interesse concreto verso gli SMR e i micro SMR, ritenuti ideali per la capacità di fornire energia pulita anche senza una connessione alla rete elettrica nazionale. L’Ontario Power Generation, azienda leader nella regione omonima, sta valutando la possibilità di sviluppare SMR in aree remote e presso il suo impianto di Darlington. Il sito ha ottenuto la licenza nell’ottobre 2022 per i lavori di preparazione del terreno e OPG prevede di prendere una decisione sulla costruzione entro la fine del 2024, fissando una data preliminare per l’operatività nel 2028. Un progetto basato sulla medesima tecnologia sembra si stia avviando nella regione del Saskatchewan, con un contributo governativo di 74 milioni di dollari canadesi, anche se tale progetto è ancora da confermare, dato che l’approvazione è attesa per il 2029-2030. Nella regione del New Brunswick esiste un progetto in fase di certificazione ambientale di un SMR di IV generazione basato sulla tecnologia fornita da Nb power, per il quale non vi sono però ancora delle tempistiche chiare. Con la partecipazione attiva dei privati nella progettazione e costruzione, la fattibilità di costruire flotte di SMR importanti diventa più realistica e certa per Ottawa.

  1. Stati Uniti

Con la flotta di reattori più grande al mondo, gli USA sono i leader storici dell’industria nucleare, ma gli ultimi decenni hanno mostrato un importante rallentamento nel settore, con 2 reattori costruiti e attivati nel 2023-24 dopo circa 20 anni di inerzia. In questo senso l’adesione alla recente dichiarazione congiunta alla COP 28 di triplicare la produzione di energia nucleare, sembrerebbe invertire la rotta intrapresa, investendo pesantemente nelle nuove tecnologie di settore. Ad oggi ci sono quattro design promettenti in fase di sviluppo, più un’altra decina ancora in fase di approvazione. Tra di essi Il VOYGR di NuScale e l’XE-100 di X-Energy sono entrambi progetti avanzati di SMR destinati a svolgere ruoli significativi nel panorama mondiale dell’energia nucleare. Il VOYGR è attualmente l’unico progetto di SMR americano completamente autorizzato. Tra le caratteristiche del sistema di NuScale, reattore ad acqua pressurizzata (PWR), vi è un sistema di bypass della turbina per migliorare le capacità di adeguamento al carico che ne permette lo sfruttamento per i processi industriali che richiedono grandi quantità di calore. Tale elemento favorisce anche la sua espansione nell’Europa orientale e centrale, grazie alla familiarità con la tecnologia dei reattori PWR ex sovietici in queste regioni. D’altra parte, l’XE-100 rappresenta un progetto di reattore a gas ad alta temperatura (HTGR) con applicazioni nell’industria, nella cogenerazione avanzata di idrogeno, calore ed elettricità. Attualmente è in via di valutazione una proposta per un XE-100 in Texas e un accordo con Energy Northwest per la distribuzione nello Stato di Washington ed è previsto che il primo di questi reattori sia effettivamente costruito per il 2030.

Ulteriori design innovativi sono il Natrium di Terrapower, azienda di proprietà di Bill Gates e l’Hermes di Kairos Power, entrambi rappresentanti della combinazione delle tecnologie di IV generazione con il concetto di SMR. Il primo è un reattore veloce refrigerato al sodio per il quale Terrapower vorrebbe iniziare i lavori di costruzione nel sito prescelto in Wyoming già nell’anno in corso, in modo da avere un prototipo dimostrativo operante entro il 2030. Il secondo utilizza un diverso design, con il combustibile a sfera TRISO e un refrigerante a base di sale fluorurato fuso con una potenza termica di 35 Mw. Quest’ultimo ha recentemente ottenuto dal Nuclear Regulatory Commission la luce verde per l’avvio dei lavori di costruzione, la cui fine è stimata per il 2026. Questo elenco rappresenta solo i progetti più avanzati e promettenti ma è indicativo come le sfide rispetto alle controparti cinesi e russe siano legate alle tempistiche di costruzione e i conseguenti costi, dato che entrambi i concorrenti possono vantare reattori SMR e/o di IV generazione già in fase operativa con ulteriori piani di sviluppo.

L’Unione europea: tra espansione e dubbi

    L’energia nucleare è una delle tematiche più controverse in ambito europeo. Lo dimostra la spaccatura interna tra il gruppo di Paesi a guida tedesca che ne vorrebbe l’abbandono definitivo e quello a guida francese che invece la sostiene. Negli ultimi anni, nonostante le resistenze del primo gruppo, qualcosa sembra stia cambiando in positivo per questo settore. Con l’inserimento nel luglio del 2022 dell’energia atomica nella Tassonomia green, una classificazione delle attività considerate sostenibili per il raggiungimento delle emissioni zero per il 2050, è stato fatto un primo step verso una rivalutazione del settore. La partecipazione di diversi Paesi membri alla dichiarazione congiunta della COP 28 e la successiva creazione di un’Alleanza industriale per lo sviluppo e il dispiegamento degli SMR rappresentano una svolta decisa che abbraccia l’intero settore. Infine, il 21 marzo 2024 si è tenuto a Bruxelles il primo Nuclear Energy Summit, con l’intento di pianificare una strategia preliminare per gli investimenti nel settore da parte dell’Unione. Come nel caso degli USA, il relativo abbandono dell’industria negli ultimi decenni, anche nei Paesi utilizzatori, ha creato una situazione per cui bisogna ricostruire una filiera ed espanderla per i nuovi bisogni. Infatti anche nell’UE è chiaro che i primi prototipi non saranno pronti prima del 2030, ma le necessità contingenti di sicurezza energetica e abbassamento delle emissioni, spingono la Commissione ad abbracciare le soluzioni proposte dall’industria atomica. Per quanto riguarda i progetti in sviluppo bisogna distinguere fra quelli “indigeni”, proposti in particolar modo da Francia e Regno Unito, ma che coinvolgono anche realtà private come la Start-Up Newcleo e la Rolls-Royce, e quelli di importazione come quelli statunitensi e sudcoreani in Europa orientale.

    Tra i progetti approvati più rilevanti a livello locale ce ne sono tre, il primo nel Regno Unito, dove il consorzio Rolls-Royce SMR prevede di implementare 16 unità con una capacità di 470 MWe ciascuna, puntando a una capacità totale di 7,5 GWe. Il progetto ha ricevuto significativi investimenti dal governo britannico e da Rolls-Royce, con la prima unità prevista per essere completata poco dopo il 2030. Il secondo invece è in Francia e corrisponde al programma NUWARD, ancora nella fase di progettazione, con l’obiettivo di costruire due reattori per centrale con una capacità totale di 340 MW. Il progetto è supportato dal governo francese, con la costruzione dell’unità inaugurale prevista entro il 2030. Entrambi i programmi stanno affrontando potenziali ritardi, ma grazie al supporto governativo, ci si aspetta che contribuiscano in modo significativo alla flotta globale di SMR. Infine, vi è il progetto svedese di un SMR refrigerato al piombo, per il quale c’è uno studio preliminare per la costruzione di una prima coppia presso il sito della centrale di Ringhauls e uno studio di fattibilità per l’individuazione dei siti ideali nel Paese. Anche in questo caso l’eventuale data di partenza della costruzione è stimata per il 2030.

    In termini generali, vi sono poi in diversi progetti in varie fasi di sviluppo in Est Europa, in particolare in Romania, dove nel novembre 2021 è stato firmato un accordo per la costruzione di un impianto NuScale, per il quale è stato individuata la località di Doicești, e in Polonia. Per quest’ultima, diverse aziende industriali ad alta intensità energetica, tra cui Synthos, Ciech, KGHM e Orlen, stanno esplorando l’integrazione di SMR nelle loro strutture. KGHM ha presentato una domanda per una centrale nucleare modulare NuScale VOYGR con sei moduli da 77 MWe, approvata nel luglio 2023. Respect Energy ha firmato un accordo con EDF per la tecnologia Nuward SMR, prevedendo la costruzione dimostrativa entro il 2030. Orlen mira a costruire 76 SMR in 26 località entro il 2038, con il primo da realizzare nel 2028. La joint venture Orlen Synthos Green Energy ha individuato sette siti potenziali per le unità GE Hitachi BWRX-300. Sono state ottenute approvazioni regolamentari per questi progetti, compresa una decisione in principio per un massimo di 24 reattori BWRX-300. Lo slancio polacco sembra fare da traino ad altri Paesi dell’area, complice anche la storica dipendenza dall’industria nucleare russa e la necessità di diversificare le fonti di approvvigionamento, ma dati i tempi di sviluppo è ancora presto per capire che dimensioni prenderà questa svolta verso l’atomo.

    Conclusioni

    Come osservato per gli USA, i Paesi europei si devono scontrare con un importante ritardo nello sviluppo e costruzione di queste tecnologie rispetto a Russia e Cina, già attivamente impegnate nella costruzione e nei test commerciali dei primi prototipi. Questo ritardo difficilmente sarà recuperabile stante l’attuale panorama burocratico e legislativo occidentale, uno degli elementi più impattanti a livello di tempistiche e costi. Le recenti svolte arrivate dopo decenni di declino del settore, necessiteranno dunque di corposi investimenti su più livelli per sostenere le nuove ambizioni dell’industria nucleare, che d’altro canto promette di garantire efficienza, sicurezza e sostenibilità, un ulteriore fattore è la capacità di esportazione, con russi e americani storicamente leader globali, ma con la Cina che vuole recuperare terreno anche su questo versante e i soli francesi a cercare di espandere il mercato delle loro tecnologie. La corsa per la leadership del rinascimento nucleare è dunque iniziata, ma è ancora difficile prevederne gli sviluppi, date le caratteristiche intrinseche del settore e la presenza di timori legati alla possibilità di incidenti.

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