Cosa sono i reattori nucleari di quarta generazione e come funzionano
I reattori nucleari di quarta (IV) generazione sono reattori a fissione nucleare attualmente allo stato sperimentale, che puntano a rivoluzionare la produzione di energia attraverso processi e materiali più sicuri, economici, affidabili e meno inquinanti di quelli delle generazioni presenti. Condividono anche il nobile obiettivo di contrastare la proliferazione delle armi nucleari. Ne esistono sei tipologie differenti, ciascuna delle quali con caratteristiche peculiari: si spazia da sistemi di raffreddamento a elio, sodio o acqua all'uso di combustibili disciolti in sali fusi, passando per meccanismi in grado di ridurre sensibilmente le scorie radioattive prodotte.
Gli ingegneri sono a lavoro su questa tecnologia innovativa da decenni e nel 2000 è stata fondata l'organizzazione internazionale “Generation IV International Forum” – meglio conosciuta con l'acronimo di GIF – per renderli una realtà attraverso la condivisione di ricerca e sviluppo dei Paesi coinvolti. Si punta ad averli operativi e commerciali entro il 2030, tuttavia ancora non ci sono ancora conferme, anche perché i finanziamenti necessari latitano. Parte della tecnologia dei reattori nucleari di quarta generazione è stata comunque già introdotta in alcuni reattori sperimentali funzionanti, come il Beloyarsk-4 in Russia e i due Shidao Bay-1 in Cina.
Al momento la maggior parte delle centrali nucleari sparse per il mondo si basa su reattori di seconda generazione ed è necessario un balzo in avanti significativo per affrancarsi dalle gravi problematiche che possono comportare, come il rischio di incidenti, lo stoccaggio dei rifiuti prodotti. Nonostante la ritrosia di alcuni, la produzione di energia dalle centrali a fissione nucleare è considerata un'alleata preziosa per favorire la transizione ecologica. Per scongiurare le conseguenze più drammatiche e irreversibili del cambiamento climatico si devono infatti abbandonare i combustibili fossili, responsabili delle emissioni di CO2 (anidride carbonica) e altri gas a effetto serra che catalizzano il riscaldamento globale, ma eolica, fotovoltaica, geotermica e altre fonti rinnovabili da sole potrebbero non bastare per coprire il fabbisogno energetico della popolazione mondiale, in costante crescita soprattutto nei Paesi in via di sviluppo. Da qui, al netto delle polemiche, il progetto di affiancarle con i nuovi reattori nucleari di IV generazione, per i quali ha dimostrato interesse anche l'Italia. Tutto questo in attesa del "Santo Graal" della produzione energetica, ovvero le centrali a fusione nucleare, che potrebbero essere pronte fra 30 o 40 anni.
A cosa servono i reattori nucleari di quarta generazione
Lo scopo fondamentale dei reattori nucleari di IV generazione è la produzione di energia, esattamente come quelli delle generazioni precedenti, ma alcuni sono pensati anche per produrre idrogeno. Fra essi il reattore ad altissima temperatura (VHTR), che genera calore fino a 1000 °C e può essere utile per la produzione dell'elemento e per altri scopi industriali. Il principio alla base dei nuovi reattori è sempre lo stesso: una reazione di fissione nucleare. In parole molto semplici, all'interno di questi reattori gli atomi pesanti – come l'uranio e il plutonio – vengono scissi in nuclei più leggeri, un processo che determina il rilascio di enormi quantità di energia, oltre che della radioattività. Nelle centrali nucleari la reazione avviene in modo controllato per produrre energia, nelle bombe atomiche avviene in modo incontrollato per diffondere morte e distruzione. La divisione dei nuclei degli atomi pesanti in nuclei più leggeri si ottiene attraverso il bombardamento di neutroni. Nei reattori nucleari di quarta generazione questo processo avviene in modo più sostenibile, economico, sicuro e affidabile rispetto ai reattori di passata concezione.
Le sei tipologie di reattori di IV generazione
Come spiegato dalla World Nuclear Association, nel 2002 la GIF ha approvato sei tipologie differenti di reattore nucleare di IV generazione, il cui sviluppo è stato finanziato con 6 miliardi di dollari in una quindicina di anni, messi a disposizione soprattutto da Stati Uniti, Francia e Giappone. Funzionano a temperature sensibilmente superiori rispetto ai reattori di II e III generazione (tra i 500° C circa e i 1000° C, contro i 330° C dei più ad moderni ad acqua leggera) e con dimensioni che vanno da 150 a 1.500 MWe (megawattora elettrici). Ecco quali sono e come funzionano.
- Reattore a sali fusi (MSR): si tratta di un reattore a fissione nucleare di tipo veloce nel quale il materiale fissile è disciolto nel sale di fluoruro combustibile (ne esiste una versione con grafite e sale refrigerante). In questo reattore “i prodotti di fissione vengono rimossi continuamente e gli attinidi vengono completamente riciclati, mentre il plutonio e altri attinidi possono essere aggiunti insieme all'U-238, senza la necessità di produrre combustibile”, spiega la WNA. Tra i vantaggi principali un livello di sicurezza elevato e la ridotta produzione di scorie. Si punta a unità con potenza di 1000 MWe.
- Reattore raffreddato ad acqua supercritica (SCWR): è un reattore nucleare a fissione che usa l'acqua come refrigerante, laddove pressione e temperatura risultano superiori al punto critico dell'acqua (374 °C e 22 Mpa), come specificato da WNA. Ciò significa che non avviene un cambiamento di fase tra liquido e vapore, ma resta in uno stato intermedio. Tra i vantaggi un'efficienza maggiore (più energia prodotta per unità di combustibile) e le dimensioni ridotte del reattore. Può inoltre usare vari tipi di combustibile, fra i quali l'uranio arricchito, il torio e il plutonio.
- Reattore veloce raffreddato a gas (GFR): è un reattore nucleare a fissione di tipo veloce (che non usa moderatori per rallentare i neutroni) raffreddato a gas, come l'elio. Lavora a temperatura elevata e a pressione bassa, garantendo un'ottima efficienza energetica. Come lo SCWR può utilizzare diverse tipologie di combustibili e ricicla continuamente gli attinidi, riducendo così la produzione di scorie nucleari.
- Reattore veloce raffreddato al piombo (LFR): è un reattore nucleare a fissione di tipo veloce che utilizza il piombo liquido o una lega di piombo-bismuto come refrigerante. Lavora a pressione naturale e si basa su matrici di uranio impoverito o torio. Come gli altri garantisce un'elevata efficienza energetica a temperature elevate, inoltre riduce le scorie bruciando gli attinidi. La tecnologia di base è stata utilizzata per i piccoli reattori dei sottomarini nucleari, ma in questo caso si punta anche a grandi impianti singoli da 1.400 MWe.
- Reattore ad altissima temperatura (VHTR): è un reattore nucleare che utilizza grafite e un raffreddamento a elio o sale fuso. Si basa su un carburante di tipo TRISO (tristrutturali-isotrope), come quello prodotto dall'Università di Bangor per farci vivere a lungo sulla Luna. A differenza degli altri reattori di quarta generazione sussistono problemi con il riciclo. Si punta a creare unità da 600 MW termici basati su questa tecnologia.
- Reattore veloce raffreddato a sodio (SFR): è un reattore nucleare a fissione di tipo veloce, raffreddato con sodio liquido. È probabilmente la tecnologia di quarta generazione sulla quale si punta di più. Il reattore lavora ad alte temperature e a bassa pressione, inoltre garantisce la riduzione delle scorie attraverso bruciando gli attinidi e il plutonio. La Russia gestisce due reattori veloci raffreddati al sodio, il BN-600 e il BN-800 di Beloyarsk, basati su una tecnologia molto simile agli SFR.
Quali sono i vantaggi e i limiti del loro utilizzo
Come specificato dalla World Nuclear Association, le sei tipologie di reattori nucleari di quarta generazione sono progettate per migliorare efficienza energetica, sostenibilità, costi di gestione, sicurezza e affidabilità rispetto alle centrali di vecchio concepimento. Un altro dettaglio interessante è che sono ideate per contrastare la proliferazione delle armi nucleari, grazie alla minor produzione di scorie (riutilizzate come combustibile per i reattori) e alla riduzione del materiale fissile da impiegare. I nuovi reattori possono resistere meglio sia attivamente che passivamente a eventuali attacchi terroristici e sono concepiti con una sicurezza intrinseca che rende improbabili incidenti catastrofici come quelli avvenuti nel passato. La maggior parte dei sei progetti approvati dal GIF utilizza un ciclo chiuso del combustibile in grado di riciclare gli attinidi e abbattere la produzione di scorie nucleari, che vanno necessariamente stoccate in depositi protetti. È uno dei grandi problemi ambientali dell'energia nucleare.
Tra i limiti dei nuovi reattori vi sono i costi legati alla fase di ricerca e sviluppo, ancora nel suo pieno e dunque non del tutto chiari. Una volta operativi saranno sicuramente meno dispendiosi di quelli nelle centrali a fissione classiche, ma si deve arrivare a realizzarli. Servono ancora finanziamenti importanti per trasformare dei progetti sulla carta in centrali complete, funzionanti e commerciali. Oltre all'aspetto economico, comunque rilevante, per alcuni dei reattori sono allo studio problemi di corrosione dei materiali impiegati.
A che punto siamo?
È difficile prevedere quando i nuovi reattori saranno effettivamente pronti per la diffusione commerciale. Il reattore più vicino alla realizzazione è quello veloce raffreddato a sodio (SFR), del quale sono disponibili già versioni concettuali operative (come quelle in Russia). GIF punta ad averli entro il 2030, me è verosimile che si scavalli questo obiettivo. Per quanto concerne l'Italia, si fa un gran parlare delle centrali nucleari, con chiaro riferimento a quelle di quarta generazione, ma ancora non c'è un piano di sviluppo concreto. Anche qualora venisse messo nero su bianco un piano strategico ad hoc, ci vorrà come minimo un decennio per vedere la prima centrale funzionante. Sempre che vengano rispettati i tempi della GIF per i primi reattori commerciali.
