Dopo i disastri di Three Mile Island, Čhernobyl e Fukushima Daijichi numerosi Paesi hanno deciso un sostanziale blocco nello sviluppo di nuove centrali nucleari. I timori sollevati in tema di sicurezza hanno convinto le opinioni pubbliche a dare la priorità ad altre fonti energetiche. Attualmente – a livello mondiale – sono in funzione circa 450 centrali nucleari che producono circa il 10% dell’energia elettrica utilizzata a livello mondiale. Oltre la metà di questi impianti ha almeno 30 anni di vita ed è quindi destinato ad andare fuori servizio nell’arco dei prossimi 20 anni.

Potremmo dire che – a livello mondiale – l’industria nucleare di trova in una situazione di stallo o di lenta crescita, anche se non mancano nuove iniziative specialmente in taluni Paesi come – ad esempio – Russia, Cina ed India. Attualmente si stima che esistano poco più di 100 progetti per la costruzione di nuove centrali nucleari, ma non è detto che tutti questi progetti saranno portati a buon fine.

Recentemente molti Paesi (inclusa l’Italia) si stanno domandando se sia il caso di riattivare lo sviluppo di nuove centrali nucleari. I motivi addotti a supporto di un eventuale rilancio del settore sono i seguenti:

1. Le centrali nucleari consentono di produrre energia elettrica riducendo al minimo le emissioni di anidride carbonica. Un calcolo corretto delle emissioni deve considerare non solo quelle generate durante il normale funzionamento degli impianti, ma anche quelle collegate ai lavori di costruzione e di smantellamento finale. Rimane comunque il fatto che – una volta avviata – una centrale nucleare consente di produrre energia elettrica con continuità (a parte i brevi periodi dedicati alla manutenzione periodica) senza emettere anidride carbonica nell’atmosfera. A differenza delle energie rinnovabili, le centrali nucleari forniscono energia elettrica con continuità. In un sistema integrato, energie rinnovabili come l’eolico ed il fotovoltaico potrebbero essere messe in rete con un certo numero di centrali nucleari e di sistemi di accumulo temporaneo dell’energia in modo da garantire forniture elettriche stabili nel tempo, con un bassissimo livello di emissioni di CO₂ (e di altri gas dannosi per l’ambiente).
2. Un kg di uranio permette di produrre una energia pari a circa 10.000 volte quella prodotta da una pari quantità di petrolio o carbone o da 1 m³ di gas naturale (circa 0,67 kg). Il rapporto è destinato a crescere ulteriormente quando saranno disponibili le centrali nucleari di IV generazione a neutroni veloci di cui parlerò più avanti. A differenza di quanto avviene con i combustibili fossili di cui possiamo fare scorta solo per alcuni mesi, nel caso dei combustibili nucleari è possibile immagazzinare in spazi relativamente ridotti la quantità di combustibile necessaria per alimentare una centrale per molti anni. Ciò consente di programmare l’approvvigionamento dei combustibili nucleari su una scala di tempo molto lunga, riducendo la volatilità dei prezzi energetici, particolarmente elevata quando la produzione di energia elettrica dipende troppo dai combustibili fossili.
3. La lezione imparata dai disastri che ho citato all’inizio di questo post ha spinto i produttori di impianti nucleari a sviluppare sistemi di sicurezza intrinseca, in grado di intervenire automaticamente senza che sia necessaria l’azione di un operatore o una fonte di energia esterna. Utilizzando queste tecnologie si può aumentare sensibilmente la sicurezza degli impianti nucleari.

Per quanto riguarda le tecnologie nucleari possiamo classificarle (grossolanamente) sulla base di 4 diverse categorie:

1. Centrali a fissione di II generazione. La maggior parte delle centrali attualmente funzionanti appartiene a tale categoria. La loro struttura interna può essere molto diversa, ma – a livello di principio – non si discosta dall’idea originale sviluppata da Enrico Fermi quando costruì la sua famosa “pila di Chicago“: il combustibile nucleare (costituito da miscele contenenti isotopi fissili, tipicamente uranio ²³⁵U) viene bombardato con neutroni lenti. Il processo di fissione libera energia termica che viene recuperata per alimentare un generatore di energia elettrica in modo del tutto simile a quanto avviene in una centrale termoelettrica. I problemi principali delle centrali di II generazione sono sostanzialmente due: l’abbondante produzione di scorie radioattive che devono essere successivamente trattate e smaltite e la possibilità che il processo di fissione sfugga al controllo degli operatori liberando un eccesso di energia tale da portare alla distruzione del reattore nucleare con la conseguente dispersione nell’ambiente di pericolosissimi materiali radioattivi.
2. Centrali nucleari a fissione di III generazione. Come ricordavo precedentemente questa nuova generazione di centrali (sviluppato a partire dagli anni intorno al 2000) è la risposta proprio a quei disastri nucleari che hanno allarmato le opinioni pubbliche di tutto il mondo, inducendo molti Paesi ad abbandonare l’utilizzo dell’energia nucleare. L’idea è quella di inserire all’interno dell’impianto sistemi automatici di sicurezza (che scattano in caso di rischio senza richiedere l’intervento di un operatore umano o di fonti esterne di energia). Tali sistemi sono in grado di spegnere l’impianto se si verificano dei malfunzionamenti. Ci sono varie proposte che si differenziano notevolmente dal punto di vista tecnico. Gli impianti più sicuri (ma anche più costosi e con tempi di costruzione particolarmente lunghi) sono quelli che sono protetti anche da eventi esterni come la caduta di un grosso aereo e in caso di attentati o eventi bellici. Altri sistemi di sicurezza non prevedono un livello di protezione così elevato, ma assicurano comunque che errori di conduzione o guasti interni al sistema possano degenerare portando alla distruzione dell’impianto. Un caso particolare è quello degli SMR (Small Modular Reactor) che non dispongono di un particolare livello di sicurezza rispetto agli eventi esogeni, ma hanno comunque dimensioni ridotte, tali da limitare comunque i danni anche in caso di un violento attacco esterno. Per quanto riguarda la produzione di scorie nucleari gli impianti di III generazione hanno caratteristiche simili a quelli della generazione precedente (anzi per gli SMR la produzione di scorie è – a parità di energia prodotta – superiore rispetto a quella delle centrali di II e III generazione caratterizzate da maggiori dimensioni).
3. Centrali nucleari a fissione di IV generazione. Sono impianti che – almeno per il momento – non sono ancora disponibili commercialmente. Sono state proposte diverse tecnologie, tutte caratterizzate da un elevato livello di sicurezza intrinseca (si spengono automaticamente in caso di malfunzionamento). Tra tutte le tecnologie proposte quella – secondo me – più interessante è basata sull’utilizzo di piombo fuso che oltre a garantire la sicurezza intrinseca dell’impianto limita anche i possibili danni prodotti da violenti eventi esogeni. L’elemento che caratterizza le future centrali nucleari di IV generazione è dato dall’utilizzo di neutroni veloci, l’opposto di quanto avviene nelle centrali di II e III generazione che usano neutroni termici. Non mi dilungo sui particolari tecnici, ma l’utilizzo di neutroni veloci consente di sfruttare in modo molto più efficace i combustibili nucleari. In linea di principio, l’energia che si potrebbe ricavare da un carico di uranio è almeno un ordine di grandezza più grande rispetto a quella prodotta da una centrale di II e III generazione e questo contribuirà a ridurre sensibilmente sia i costi di esercizio delle future centrali che la produzione di scorie radioattive. Ma il dato senz’altro più interessante è quello legato alla qualità delle scorie che saranno prive di isotopi radioattivi particolarmente pericolosi perché utilizzabili per scopi militari o caratterizzati da tempo di dimezzamento di molte migliaia di anni e quindi molto costosi da smaltire. Addirittura le centrali di IV generazione potranno essere utilizzate per “bruciare” una parte delle scorie prodotte in passato dalle centrali di II e III generazione che attualmente “giacciono” nei depositi nucleari. Purtroppo le centrali nucleari a fissione di IV generazione – almeno per il momento – esistono solo sulla carta. Ci sono alcune sperimentazioni in corso principalmente in Russia e in Cina, ma le attese sono quelle di avere le prime centrali di IV generazione disponibili commercialmente nel decennio 2030-2040. Un rapporto aggiornato sullo stato di avanzamento del settore è disponibile qui. Come per tutte le nuove tecnologie sarà necessario un lungo periodo di validazione, ma se le cose andranno nel verso sperato le centrali di IV generazione potrebbero rappresentare una svolta non solo dal punto di vista della sicurezza, ma – soprattutto – rispetto al problema della gestione delle scorie nucleari.
4. Centrali nucleari a fusione. L’idea è molto affascinante ed è quella di riprodurre quanto avviene nel Sole e nelle altre stelle. In particolari condizioni, 2 nuclei di atomi leggeri (ad esempio deuterio e trizio) possono fondersi formando un nucleo non radioattivo più pesante (elio) e liberare un neutrone oltre ad una rilevante quantità di energia. I materiali necessari per alimentare un reattore a fusione sono facilmente reperibili in natura: deuterio e trizio sono entrambi isotopi dell’idrogeno. Il deuterio (²D) può essere ricavato partendo dall’acqua mentre il trizio (³H) si può ottenere sottoponendo a bombardamento neutronico un isotopo del litio (⁶Li). La produzione del trizio può avvenire nello stesso impianto di fusione, sfruttando i neutroni che vengono liberati dal processo stesso. In linea di principio abbiamo a che fare con una straordinaria sorgente di energia, che utilizza combustibili facilmente reperibili senza produrre scorie radioattive in quantità rilevante o difficili da trattare. Una tale fonte di energia risolverebbe definitivamente il problema delle emissioni clima alteranti eliminando alla radice la necessità di utilizzare i combustibili fossili. Purtroppo – almeno fino ad oggi – le centrali a fusione non ci sono ancora e nessuno può dire con certezza quando saranno effettivamente disponibili. Attualmente si stanno utilizzando due diverse tecnologie in concorrenza tra loro. La prima è la cosiddetta tecnologia inerziale e consiste nel riscaldare a temperature estremamente alte una “goccia” costituita da una miscela di deuterio e trizio tramite laser di altissima potenza. Nel dicembre 2022 è stato dimostrato che – utilizzando questo metodo – è possibile ricavare più energia rispetto a quella necessaria per alimentare il sistema. Tuttavia c’è ancora molto lavoro da fare prima di dimostrare che si possa realizzare qualcosa di veramente utile dal punto di vista pratico. Nel corso del 2023, a fronte di un numero di tentativi non noto, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory sono riusciti ad avere successo in 3 test che hanno ricavato più energia rispetto a quella assorbita per realizzare l’esperimento. Al momento la fusione inerziale non è ancora arrivata ad adeguati livelli di affidabilità ed efficienza. L’alternativa è rappresentata dalle tecniche a confinamento magnetico, note con il nome tecnico di Tokamak. Su questo fronte si registrano numerosi progetti, alcuni sviluppati grazie a grandi collaborazioni internazionali, altri gestiti da piccole società (sovente poco più che start-up) che stanno cercando di posizionarsi su un mercato attualmente inesistente, ma che potrebbe avere un rapidissimo sviluppo nel corso dei prossimi anni. Il fatto che ci siano consistenti investimenti da parte di investitori privati rappresenta una novità rispetto al passato e potrebbe indicare che siamo vicini ad una svolta. Io mi limito a ricordare che già mezzo secolo fa (quando ero un giovane fisico di belle speranze) c’era già qualcuno che annunciava che l’energia da fusione sarebbe diventata disponibile “entro la fine del secolo“. Ovviamente si riferiva al ‘900 e la previsione si è rivelata fallace. Speriamo che non succeda lo stesso con le previsioni attuali.

In conclusione, l’Italia che ha abbandonato il nucleare ormai da molti decenni (anche se copre circa il 10% dei consumi elettrici importando l’energia elettrica prodotta da centrali nucleari poste nelle immediate vicinanze dei confini nazionali) non ha né le risorse finanziarie e tanto meno le competenze tecnologiche necessarie per costruire nuove centrali elettriche nucleari di grandi dimensioni (questo punto sarà approfondito in uno dei prossimi post).

Ricordo inoltre che nessuna persona di buon senso oggi accetterebbe di vivere accanto ad una centrale di II generazione (priva di un efficace sistema di sicurezza intrinseca). Affinché un nuovo impianto nucleare sia accettato bisogna assicurare l’opinione pubblica che soddisfi almeno i requisiti di sicurezza intrinseca che caratterizzano le centrali nucleari dalla III generazione in poi.

Le scelte concrete che abbiamo davanti a noi non sono molte. Si può pensare a piccoli reattori SMR come sembra che deciderà di fare il Governo Meloni, affidando ai privati gli oneri di finanziamento per la costruzione degli impianti. Le notizie arrivate recentemente dagli USA sembrano mettere in discussione la convenienza economica di tali impianti. Rimane comunque il problema dello smaltimento delle scorie radioattive che gli SMR producono con particolare intensità (ma di questo specifico tema scriverò in uno dei prossimi post).

Per quanto riguarda le centrali a fissione di IV generazione ci sono alcune aziende italiane che partecipano a sperimentazioni avviate all’estero (in Italia non possono farlo a causa dei limiti imposti dal referendum del 1987), mentre per quanto riguarda la fusione l’Italia ha storicamente dedicato molte risorse alla ricerca sui sistemi a confinamento magnetico ed attualmente occupa una posizione di rilievo – almeno per quanto riguarda gli aspetti scientifici – a livello internazionale.

Dal punto di vista pratico, né le centrali a fissione di IV generazione e tanto meno quelle a fusione rappresentano una alternativa valida per sostituire le centrali alimentate da combustibili fossili prima di almeno 10 anni a partire da oggi. Questo non significa che non si debba investire nel loro sviluppo che – tutti lo sperano – potrebbe essere anche un po’ più rapido rispetto a quanto stimato. Bisognerà comunque attivare strategie realistiche che includano anche soluzioni di transizione adatte per ridurre fin da subito le emissioni clima alteranti.

Il rischio reale è che l’energia elettrica di origine nucleare “pulita, sicura e a basso costo” diventi effettivamente disponibile quando ormai sarà troppo tardi per impedire i disastri provocati dal riscaldamento globale.

Questo è il primo di una serie di post dedicati al possibile futuro dell’energia nucleare In Italia. Gli altri post sono:

II: da dove arriva il “combustibile” necessario per far funzionare le centrali?

III: quanto costa realmente l’energia nucleare? Il caso della centrale del Garigliano