Energia, Infrastrutture e Ambiente

Elettricità dal nucleare per tutte le esigenze

Con questa nota sintetica, vorrei illustrare con semplici concetti le ultime novità e gli ultimi progressi fatti nel nucleare di pace usato per produrre energia elettrica.

L’argomento è di fondamentale importanza e certamente interesserà sia tutti quelli che sono preoccupati dai rischi di inquinamento ambientale da gas serra prodotto quando si usano fonti fossili solide (carbone), liquide e gassose (idrocarburi), queste ultime forse in via di rapido esaurimento, ma anche quelli che sono preoccupati dalla potenziale pericolosità nell’uso del nucleare, temuto per i possibili rischi di inquinamento ambientale derivante sia dal funzionamento del reattore che dagli stoccaggi delle scorie radioattive.

L’articolo vuole illustrare la possibilità di uso generalizzato del nucleare per la generazione di energia elettrica, ma senza volerlo proporre a nessuno. Vedremo grandi centrali da oltre un Gigawatt (un milione di Kilowatt, capace di servire più di mezzo milione di famiglie), minicentrali da 10 Megawatt (diecimila Kilowatt, per più di cinquemila famiglie), fino alle microcentrali ad uso diffuso da 200 Kilowatt (centocinquanta famiglie), facilmente trasportabili. Faremo anche un accenno anche all’uso del nucleare statico per piccole batterie adatte ad alimentare l’elettronica di grande consumo.

Se a questa ipotesi di generazione dell’energia elettrica col nucleare si aggiunge quella dell’auto elettrica, ricaricabile la notte dalla rete domestica, ecco che possiamo concepire un sistema dove i combustibili fossili meno inquinanti, quelli gassosi, verrebbero solamente usati per i trasporti commerciali di merci su strada (TIR) usando non le pericolose bombole ad alta pressione ma serbatoi contenenti materiali nuovi ad alta capacità di assorbimento di metano, e i combustibili fossili liquidi (jet fuel) per i trasporti aerei.

Aggiungo anche che, siccome le centrali nucleari funzionano a potenza prodotta costante, e vengono usate quasi sempre a potenze vicine alle massime, ne consegue che nei momenti in cui la domanda della rete è inferiore alla potenza prodotta, p. es. la notte ed i fine settimana, si potrebbe usare l’energia elettrica disponibile in eccesso, oltre che coi sistemi convenzionali (pompaggio di acqua ad un bacino superiore), anche per produrre e stoccare idrogeno a costi minimi. Si otterrebbe così la lungamente agognata eliminazione della produzione antropica industriale di gas serra tipo CO2 per la maggior parte dei processi produttivi.

Oggi possiamo produrre energia dal nucleare essenzialmente attraverso due processi totalmente differenti: coi reattori a fissione (grandi potenze) e con batterie nucleari statiche (piccole potenze). Dei reattori a fusione controllata ne parleranno le prossime generazioni.

1) Megacentrale elettrica con reattore a fissione nucleare da 1.600 MW

Per grandi quantità di energia (un migliaio di Megawatts e più) si usano reattori a fissione, nei quali si utilizza il calore prodotto dalla fissione controllata del combustibile nucleare per produrre vapore surriscaldato ad alta energia attraverso scambiatori di calore.

Il reattore, con la fissione nucleare, opera come un enorme bruciatore di una caldaia a vapore. Il vapore viene inviato ad una convenzionale turbina a vapore che a sua volta fa girare a velocità costante un alternatore trifase anch’esso convenzionale che produce l’energia elettrica.

E’ in sostanza una centrale termica in cui la caldaia produce vapore usando il calore prodotto dalla fissione dell’atomo anzichè bruciare quei combustibili fossili convenzionali che emettono enormi quantità di gas serra. Il sottoprodotto c’è ed è rappresentato dalle scorie del combustibile esaurito che risultano ancora fortemente radioattive, e devono essere stoccate per lunghissimi periodi di tempo in zone ben isolate e protette per evitare pericolose contaminazioni ambientali.

In Europa e più precisamente in Francia AREVA si occupa della progettazione e della realizzazione di grandi centrali di questo tipo. Il modello più recente, chiamato EPR (Evolutionary Pressurized water Reactor), reattore avanzato ad acqua pressurizzata, o anche European Pressurized water Reactor, reattore europeo ad acqua pressurizzata, è in corso di costruzione in Finlandia a Olkiluoto dove ci sono già altre due centrali nucleari in operazione da anni e si prevede che entrerà in produzione tra circa tre anni.

Credo utile menzionare che la ‘verde’ Finlandia sta costruendo anche un sito profondo per lo stoccaggio permanente delle scorie radioattive.

Un secondo reattore di questo tipo è da poco in costruzione in Francia a Flamanville (Normandia), e recentemente la nostra ENEL ha preso una compartecipazione del 12,5% in questo progetto. AREVA sta trattando con grande successo anche con molti altri paesi in Europa, Medio Oriente, Estremo Oriente la vendita di altre centrali di questo tipo, e già si parla della rinascita del nucleare. Si tratta di unità dalla notevole potenza: ben 1.600 Megawatt elettrici, sono centrali cosiddette di terza generazione con caratteristiche estremamente interessanti per la sicurezza intrinseca, per l’efficienza, per la durata del combustibile.

Il reattore userà come combustibile uranio moderatamente arricchito al 5%, del tipo che non può essere usato per la fabbricazione di armi nucleari a fissione che richiedono o uranio molto più arricchito, o plutonio. La sicurezza è garantita, tra l’altro, da ben quattro impianti di raffreddamento indipendenti, ognuno dei quali può da solo raffreddare completamente il reattore anche in caso di arresto d’emergenza, quando si deve smaltire una enorme quantità di calore avendo sospeso la generazione elettrica, e da caratteristiche di costruzione (capsule in cemento armato di grande spessore) che impediranno il verificarsi di problemi alla Chernobyl o alla Three Miles Island. Notevole l’uso esteso di reti di microprocessori di controllo di processo ad alte prestazioni che non erano disponibili al momento della progettazione dei sistemi automatici di sicurezza delle centrali precedenti.

Per quanto riguarda la gestione delle scorie radioattive, voglio sottolineare che la Finlandia ha definito la procedura e sta attualmente scavando il primo sito per lo stoccaggio permanente di residui di combustibile nucleare (scorie) altamente radioattivi. Il sito sarà all’interno di una formazione stabile, compatta ed impermeabile di granito, sarà raggiungibile dalla superficie con camion attraverso lunghi tunnel che scendono, a spirale, in profondità, sarà pronto nel 2020, e basterà a stoccare le scorie prodotte in Finlandia per 100 anni.

2) Minicentrale elettrica con reattore a fissione nucleare tipo Toshiba 4S da 10 MW

Mentre la francese AREVA sta diventando il leader mondiale nella progettazione e costruzione dei grandi impianti, i piccoli giapponesi, quelli che per primi costruirono capolavori con la microelettronica, stanno lavorando sodo per realizzare centrali elettriche a fissione nucleare di piccole dimensioni, automatizzate.

Leader in questi studi pare essere la giapponese Toshiba che ha già raggiunto accordi col governo americano per costruire nella città di Galena, in Alaska, sulle rive del famoso fiume Yukon, quello della caccia all’oro, una minicentrale nucleare.  Perchè proprio a Galena? Semplice: il fiume Yukon è gelato per più di metà dell’anno, e i rifornimenti di carburante per la centrale elettrica devono essere fatti non più per nave ma per ponte aereo. I costi sono talmente elevati che l’energia elettrica così prodotta ha tariffe da amatore.

A fronte dei 1.600 megawatt della centrale dell’AREVA, la Toshiba col tipo 4S propone una centralina da 10 Megawatt che potrà operare per trenta anni senza bisogno di rifornimenti di combustibile, e potrà usare come combustibile oltre all’uranio arricchito al 19,9% anche le scorie di altre centrali dopo un opportuno procedimento di riprocessamento.

Il raffreddamento del nucleo viene fatto non da acqua ma da sodio liquefatto, sistema già provato nei reattori ‘veloci’ del tipo ‘fast breeder’.

La centrale viene chiamata 4S (Super Safe, Small, and Simple) Super Sicura, Piccola e Semplice, e fisicamente consiste in un reattore nucleare a fissione posizionato 30 metri sottoterra e collegato al complesso turbina a vapore/alternatore contenuto in superficie in un edificio di modeste dimensioni (m22x12x11).

I 10 Megawatt di potenza possono fornire energia elettrica a circa cinquemila famiglie che abbiano consumi molto alti, di due Kilowatt l’ora, pari a 48 Kilowatt giornalieri, e questo equivale ad una cittadina di almeno ventimila abitanti.

Aggiungo per chiarire che una famiglia italiana di quattro persone consuma mediamente circa 1 Kilowatt all’ora o poco più, con picchi più alti di giorno, e più bassi di notte.

Il costo previsto dell’energia così prodotta sarà notevolmente inferiore ai prezzi correnti nella zona: si parla di circa 8 cent di euro per Kwh.

Altre cittadine dell’Alaska hanno avvicinato la Toshiba mostrando notevole interesse nella cosa.

Da non escludere l’utilizzo del calore residuo di questa minicentrale nucleare anche per il riscaldamento degli edifici abitativi usando lo stesso vapore di ritorno dalla turbina e appositi scambiatori di calore. Il calore residuo può essere anche usato altrove per produrre freddo.

3) Microcentrale elettrica con reattore a fissione nucleare da 200 KW

Questa è la grossa novità, una chicca che la giapponese Toshiba sta mettendo a punto per possibili utilizzazioni puntuali e diffuse sul territorio.

Il sistema è stato progettato per fornire energia elettrica, e pare anche riscaldamento e condizionamento, a piccole comunità isolate, occupando uno spazio simile a quello occupato da due grossi containers, è facilmente trasportabile,  anche per via aerea.

La potenza generata è di 200Kw e potrebbe bastare per un quartiere cittadino, una dozzina di palazzi con un centinaio di famiglie che consumino potenze medie di 48 Kilowatt al giorno, o due Kilowatt l’ora, o per una comunità isolata di mezzo migliaio di persone.

Il sistema è intrinsecamente sicuro, il nocciolo non rischia nessun surriscaldamento per i principi fisici e costruttivi usati (l’eventuale surriscaldamento rallenta la reazione), non usa il sistema delle barre di controllo della intensità della reazione a catena per assorbire e rallentare i neutroni, ma usa il Litio 6 liquido.

Il microreattore potrà fornire energia elettrica e calore per circa quarant’anni senza necessità di rifornimento di combustibile, e l’energia elettrica sarà prodotta al prezzo estremamente basso, stimato in soli cinque centesimi di euro per Kilowattora, quindi molto concorrenziale anche rispetto ai prezzi dell’energia elettrica prodotta in grandi quantità con i metodi convenzionali.

Toshiba è pronta per installare in Giappone il primo prototipo di questa interessantissima microcentrale nel 2008, e conta di iniziare l’anno seguente la produzione in serie e l’esportazione. Vedremo se il mercato mondiale la accetterà come soluzione affidabile ed economica specie per basi isolate o anche per grandi navi. In caso di successo avremo una vera rivoluzione.  

4) Batterie ‘nucleari’

A) Batteria al plutonio

Nel passato per risolvere il problema di fornire grandi quantità di energia elettrica ai satelliti artificiali, sia quelli militari che civili, si provarono batterie nucleari statiche dove si usava plutonio 238, un materiale fortemente radioattivo. Il Voyager 2, una meraviglia lanciata nel ’77 ed ancora
in funzione, usando batterie di questo tipo è uscito dal sistema solare alla velocità di più di 15 Km al secondo, e trovandosi ora ad una distanza dal sole pari al doppio della distanza Sole-Urano, è capace di inviare da lontano foto del nostro sistema solare. La batteria al plutonio del Voyager 2 funziona ancora alla perfezione, e, incredibile, ne hanno fatto anche dei modelli talmente miniaturizzati che ancora oggi c’è gente che ha nel petto un pacemaker alimentato da questo tipo di batteria che funziona con solo un quarto di grammo di plutonio.

Poiché il plutonio, oltre ad essere molto costoso e molto radioattivo, è anche fortemente velenoso, è impensabile l’uso commerciale su grande scala di questo tipo di batterie.

 B) Batteria betavoltaica

Il termine ‘nucleare’ per questo tipo di batterie è forse improprio e potrebbe spaventare la gente. Perchè di nucleare ci sono solo le leggi della fisica che ne spiegano il funzionamento, e di radiazioni pericolose non ce n’è nemmeno l’ombra.

Il principio, sulla carta, è semplice: non usa il pericoloso Plutonio 238, ma il più docile gas Tritio (H3), un isotopo radioattivo dell’idrogeno. Il tritio decade naturalmente in Elio3 emettendo particelle Beta che non sono altro che elettroni, come quelli che passano nei fili elettrici di casa. Questi elettroni sono raccolti da celle al silicio che così producono elettricità, quasi come fanno le stesse celle al silicio, negli impianti fotovoltaici, quando raccolgono, trasformandola in elettricità, la luce del sole.

Il tritio, a differenza del Plutonio, produce particelle a bassissima energia, non riescono nemmeno a penetrare la pelle, quindi l’uso di questo tipo di batterie è intrinsicamente sicuro.

Questo tipo di batteria, attualmente in avanzato corso di realizzazione, potrà alimentare anche apparecchiature elettroniche di basso consumo come i computer portatili e potrà avere una durata sino a 10 anni. Il successo dipenderà anche dal costo di produzione industriale del Tritio radioattivo.  

Conclusione

Da noi in Italia parlare di energia elettronucleare sino a qualche tempo fa era un po’ come parlare dell’uomo nero. Ora si stanno notando ripensamenti sia da una parte della gente comune che da una parte dei politici, e,  senza escludere le energie rinnovabili, specie l’eolico, meno il fotovoltaico che stanno avanzando rapidamente perché stanno traendo vantaggi dai continui progressi della tecnologia, possiamo dire che sarà solo una questione di tempo prima che anche questo paese, il paese di Enrico Fermi, ritorni al nucleare di pace come si sta facendo in tutto il mondo.

Perché prima o poi non ci saranno alternative all’uso del nucleare per la produzione di grandi quantità di energia elettrica senza produzione di gas serra, e le nuove tecnologie lo stanno rendendo sempre più sicuro ed economico, quindi sempre più appetibile.

Se e quando poi avremo fotovoltaico con cellule ad alto rendimento (almeno il 50% a fronte del 10% di oggi, con produzioni diurne di una manciata di watt a metroquadro), o il nucleare da fusione controllata, calda o fredda che sia, od altri metodi non impattanti, vedi il solare termoelettrico, per la produzione di quantità industriali di energia elettrica, ne riparleremo volentieri.

Sta comunque per finire l’epoca dell’uso delle fonti fossili per la produzione di energia termoelettrica. Il nucleare sarà il metodo predominante per la generazione di energia termoelettrica, assieme al carbone ‘pulito’ di cui vi è ancora abbondanza. D’altra parte l’esperienza mondiale avuta dall’utilizzo affidabile di più di 400 centrali nucleari sono una garanzia per tutti noi.  

Letture raccomandate:

Giancarlo Nebbia

Nucleare: il frutto proibito

Bompiani, Milano, 2007

pp. 250 euro 12,00                 

Giancarlo Nebbia è un fisico nucleare, e tra le altre cose è primo ricercatore dell’Istituto di fisica nucleare e consulente per l’Agenzia internazionale per l’energia atomica nel campo delle tecnologie nucleari applicate alla sicurezza.