Il nucleare di quarta generazione

La crescente domanda energetica a livello globale ha indotto molti paesi a considerare l’energia nucleare una delle possibili fonti di approvvigionamento, attuali e a lungo termine, sicura, economica e senza grossi impatti sull’ambiente. L’attuale filiera di reattori nucleari, però, presenta un duplice inconveniente: utilizza uranio-235, contenuto nell’uranio naturale allo 0,7%, e solo una piccola parte dell’uranio-238, attraverso la sua trasformazione in plutonio e conseguente fissione. Negli attuali reattori nucleari, l’energia è generata mediamente per circa due terzi dall’U-235 e per un terzo dall’U-238, quindi meno dell’1% dell’uranio naturale estratto è trasformato in energia.

Agli attuali tassi di utilizzo, la durata delle risorse uranifere accertate si riducono a meno di un secolo e quelle stimate solo a qualche secolo, senza contare l’ulteriore riduzione che si potrebbe avere a seguito di un maggiore uso dell’energia nucleare.

In aggiunta, la reazione nucleare produce quantità non trascurabili di attinidi minori (americio, curio, nettunio, ecc.) che, insieme al plutonio, sono i principali responsabili della radioattività a lungo termine nei combustibili esausti e nei relativi rifiuti radioattivi ad alta attività, che necessitano alcune centinaia di migliaia di anni per ridurre il loro carico di radioattività a valori comparabili con quello del fondo naturale ambientale.

Per la gestione del combustibile esausto, quindi, in alternativa al suo smaltimento in formazioni geologiche stabili o al riprocessamento (per recuperare uranio e plutonio da riutilizzare nella fabbricazione di nuovo combustibile a ossidi misti di uranio e plutonio) sono state promosse diverse opzioni, in particolare lo sviluppo di cicli innovativi (Partitioning & Transmutation) che si basano, oltre al recupero di uranio e plutonio, sulla separazione selettiva degli attinidi minori e loro trasmutazione in reattori di futura generazione.

Pertanto, per risolvere le problematiche emerse e migliorare lo sfruttamento dell’energia nucleare, il Dipartimento per l’energia statunitense ha predisposto un complesso programma, denominato “Generation IV”, che definisce e pianifica le attività di ricerca e sviluppo tecnologico di sistemi nucleari innovativi e di impianti per il ciclo del combustibile, dall’estrazione del minerale agli impianti per lo smaltimento finale dei rifiuti.

Il programma pone numerosi obiettivi, raggruppabili essenzialmente nelle seguenti aree:

i) Sostenibilità come capacità di soddisfare le esigenze attuali, rafforzando nel contempo la capacità di approvvigionamento delle future generazioni a tempo indeterminato, rendendo possibile la produzione di nuovi vettori energetici, quali l’idrogeno e, per quanto riguarda i reattori veloci, permettere sia l’utilizzo dell’uranio-238, sia una drastica riduzione dei rifiuti a lunga vita, utilizzando il plutonio e gli attinidi minori come combustibile.

ii) Competitività ed economicità dei sistemi e dell’energia prodotta, con bassi rischi finanziari, attraverso innovazioni e semplificazioni progettuali per aumentare il ciclo di vita degli impianti, ridurne le dimensioni, abbassare i costi di esercizio e del combustibile, ridurre le incertezze e i rischi economici, attraverso lo sviluppo di impianti modulari.

iii) Sicurezza e affidabilità, attraverso una consistente progettazione, per minimizzare la gestione e le conseguenze incidentali e al fine di ridurre le necessità di evacuazione della popolazione.

iv) Resistenza alla proliferazione e protezione fisica, con interventi progettuali innovativi, misure e mezzi per controllare e gestire in sicurezza il materiale nucleare, per prevenirne il potenziale uso bellico e proteggere gli impianti da atti di sabotaggio o terrorismo.

Sulla base dei criteri di selezione posti nella road map per lo sviluppo delle nuove filiere e di circa 100 proposte tecniche, Generation IV ha prescelto sei sistemi, attualmente in fase di sviluppo tecnologico, di cui tre reattori veloci, raffreddati rispettivamente a sodio, piombo e gas, per la chiusura del ciclo del combustibile con la trasmutazione degli attinidi, e tre reattori termici per usi specifici, tra i quali il reattore ad alta temperatura destinato principalmente alla produzione di calore ad alta temperatura per la gassificazione del carbone e la produzione di idrogeno, quale nuovo vettore energetico.

I primi prototipi dei reattori di quarta generazione sono previsti a partire dal 2020, mentre la piena maturità industriale è attesa nella seconda metà del secolo.