Oggi:

2021-06-21 02:38

Piccolo è Bello Anche nel Nucleare?

REATTORI SMR (SMALL MODULAR REACTORS)

di: 
Massimo Sepielli

L’autore, “fissionista” per convinzione e per professione, descrive per noi in modo semplice i nuovi reattori nucleari piccoli e modulari, cercando di spiegare perché piacciono e sono tanto di moda anche se, alla fine, sempre nucleare è (civile, naturalmente).

L’uso pacifico dell’energia nucleare è sempre un argomento fortemente dibattuto e i vantaggi e gli svantaggi del suo utilizzo a fini della produzione di energia accendono opposte fazioni di favorevoli e contrari.

Tra i vantaggi dell’energia nucleare, l’esperienza del  suo impiego in tutto il mondo per la generazione di energia termo-elettrica con tecnologie ormai provate da circa 60 anni di funzionamento;   i bassi costi di combustibile per unità di potenza prodotta; l’alto fattore di capacità e di carico; l’assenza di  emissioni di anidride carbonica (CO2) e,  quindi, il ruolo di principale fonte carbon-free attualmente conosciuta; la maggiore capacità di produzione di potenza per unità di superficie occupata rispetto a qualsiasi altra fonte; la lunga vita media di un impianto di circa 60-80  anni;  infine il basso costo dell’elettricità che si “spiaggia” quasi a zero nella ultima fase di vita.

Tra gli svantaggi, si annoverano invece gli alti costi di investimento iniziale di impianto,  anche dovuti al lungo e complesso iter autorizzativo che allunga i tempi tecnici per rispondere agli stringenti requisiti di sicurezza dell’autorità di controllo; la possibilità, anche se bassa, di incidente grave o severo con fuoriuscita e permanenza di alta radioattività nell’area dopo l’incidente; i costi di dismissione (decommissioning) e smantellamento degli impianti, che costituiscono solitamente il 5% dei costi complessivi , la produzione di rifiuti radioattivi,  anche a lunga vita, con necessità di un deposito di smaltimento di tipo ingegneristico  e/o geologico.

I vantaggi hanno motivato la scelta della tecnologia nucleare a livello mondiale di quasi tutti i Paesi sviluppati (area OCSE), giustificato la costruzione di più di 400 centrali nel mondo che hanno funzionato mediamente per 40 anni e tuttora operano  producendo circa il 20 % dell’energia elettrica mondiale, ed ultimamente la costruzione da parte dei Paesi in forte sviluppo come Cina, India, Corea del sud, ma anche Argentina, Sud Africa, Brasile per poter sostenere la crescita  economica e sociale.

Gli svantaggi hanno invece convinto Paesi già sviluppati ed avanzati in campo nucleare come l’Italia, peraltro patria di questa scienza, a rinunciare e ad abbandonare la tecnologia dell’atomo per la generazione di energia.

Ora, si apre una nuova fase con la proposizione di un “nucleare sostenibile” attraverso un nuovo design dei reattori. La nuova impostazione ha come primo atto la messa in discussione di un caposaldo della storia dell’energia nucleare, cioè quello della realizzazione di grandi impianti centralizzati per sfruttare l’economia di scala al fine di contenere l’investimento iniziale. Con questo presupposto, le taglie erano via via cresciute sino a 1000 – 1500 MWe per singola unità, e grandi centrali che contavano 2, 4, fino a 10 unità per sito.  Ancora nei primi anni 2000 sono stati perseguiti progetti di grandi impianti, detti evolutivi, a sempre maggiore sicurezza, facendo grande uso di sistemi ridondanti di raffreddamento e controlli attivi (EPR francese), o passivi (AP1000 Westinghouse).

Ma proprio l’esperienza dell’EPR francese da 1650 MWe, insieme a quella di Hinkley Point nel Regno Unito, l’aumento dei sistemi di sicurezza richiesti, l’iter autorizzativo complesso, le problematiche costruttive in situ, con migliaia di ditte locali contestualmente operanti, la modifica delle strategie e l’impatto sociale, hanno fatto lievitare tempi e costi in maniera esorbitante, facendo perdere completamente i teorici vantaggi dell’economia di scala.

Pertanto, si è pensato ad una drastica riduzione della taglia degli impianti, scendendo di un ordine di grandezza, a taglie intorno ai 100-150 MWe. Sono così nati nuovi progetti di reattori, i cosiddetti SMR (Small. Modular Reactors), suddivisi a seconda della taglia in: Very Small (VSMR), detti anche Micro reattori (1-50 MWe), Small (50-300 MWe), Medium (300-600 MWe), a seconda delle esigenze delle reti e degli usi che se ne vogliono fare.

Oggi, si manifesta un nuovo interesse intorno al design di questi reattori, piccoli e modulari, che vengono considerati la Generazione III plus, che segue la Generazione III, quella degli ultimi grandi reattori a sicurezza intrinseca in costruzione e alcuni già in operazione, e che precede la IV generazione, quella ad alta “sostenibilità”, basata sui reattori a neutroni veloci con capacità di utilizzo integrale dell’uranio attraverso il ciclo chiuso del combustibile e la minimizzazione dei rifiuti radioattivi a lunga vita.

Per onestà intellettuale, bisogna dire che l’idea non è proprio nuova e rappresenta infatti una applicazione nuova dei reattori utilizzati per la propulsione di navi, sottomarini, rompighiaccio, sia da parte russa sia da parte americana. Quindi gli SMR non partono da zero ma hanno dietro una lunga esperienza operativa.

Ma perché ora piacciono tanto?

Intanto sono piccoli, e piccolo dà l’idea di tranquillo, non invasivo, gestibile, rispetto alla grande centrale che può anche mettere paura. Inoltre, insieme alla taglia, l’ingegneria nucleare ha riconsiderato molti parametri costruttivi, proponendo metodi e tecniche innovative per risolvere le diverse problematiche che si erano poste a seguito delle esperienze maturate nelle generazioni precedenti, inclusi ovviamente gli eventi incidentali. L’insieme delle soluzioni innovative ha portato a implementare nuovi concetti che, pur conservando i vantaggi dell’uso della fonte nucleare, riducono notevolmente gli svantaggi, attraverso la logica anglosassone del simpler, safer, cheaper, ovverossia: semplicità, sicurezza, economicità, a cui si aggiungono ottimizzazione della gestione, integrabilità, versatilità.

La semplicità nasce dalle dimensioni ridotte e dalla compattezza del reattore, che viene definita integrale (integral design), nel senso che circuito primario e secondario del reattore sono integrati e contenuti in un unico recipiente (vedi Fig.1), con eliminazione di possibili rotture fra i due circuiti e la possibilità di refrigerazione complessiva del sistema, ora unificato, con sistemi passivi ad azione naturale. La caratteristica più importante comune a tutti i reattori della filiera è l’adozione di un vessel integrale, nel senso che il Reactor Pressure Vessel (RPV), oltre al combustibile nucleare e alle barre di controllo, ospita tutti i principali componenti del circuito di raffreddamento primario come il generatore di vapore, il pressurizzatore, le pompe di circolazione e i sistemi di comando delle barre di controllo. L’analisi accurata con metodi tipo event tree o fault tree analysis danno la probabilità di incidente severo a 10-8, cioè 1 a 100 milioni, in termini temporali, se pensiamo ad un funzionamento per 100 anni, di una volta ogni milione di anni.

Fig.1 – Esempio di un reattore vecchio schema e di un SMR compatto (Fonte: Consorzio IRIS)

Sicurezza.  L’incidente severo è reso pressoché impossibile grazie all’accoppiata integral design e sicurezza intrinseca. Il reattore SMR, in caso di anomalia, si arresta per cause naturali (gravità, circolazione naturale), escludendo la necessità dell'intervento umano o dell'alimentazione esterna (i due fattori critici negli incidenti nucleari); il progetto del nocciolo è tale da portare la reazione a catena all’autospegnimento, qualora verifichi un improvviso aumento di una grandezza fisica fondamentale quali la temperatura, la pressione o un repentino aumento di potenza; la "sicurezza intrinseca" elimina ˇfisicamente" le fonti di rischio dei reattori correnti; la quantità di refrigerante disponibile permette un raffreddamento del nocciolo del reattore senza l’intervento di operatore e sistemi attivi, con un tempo di grazia (cioè il tempo durante il  quale il reattore si autogestisce in autonomia prima dell’intervento di operatori esterni)  anche di una settimana – nove giorni; la probabilità di un incidente severo con rilascio di radioattività all’esterno dell’impianto è talmente trascurabile che molti di questi sistemi SMR non prevedono più  l’esistenza di una Emergency Planning Zone (EPZ), cioè una zona di rispetto intorno alla centrale in caso di emergenza.

Economicità. I nuovi concetti alla base della convenienza economica sono la modularità e la fabbricazione in–house, che abbattono i tempi di costruzione e le rigidità localizzative dei tradizionali impianti nucleari. La modularità consiste nella fabbricazione di moduli, cioè unità di reattore, di taglia piccola, che possono essere aggiunti sul sito man mano che si manifesta l’esigenza. Questo permette di contenere l’investimento iniziale, e di adattarlo allo sviluppo del sistema richiesto. La completa fabbricazione del reattore in casa (factory build) consente di ridurre di molto i costi di costruzione che avviene completamente in fabbrica, assicurando grande semplicità di gestione (chiavi in mano), evitando gli affollamenti e spesso le incomprensioni ed interferenze in cantiere con centinaia di diverse ditte all’opera in contemporanea. La curva dei costi di reattori modulari diviene conveniente rispetto a quella del reattore in grande scala, come si vede in Fig.2, proprio per le economie dovute ai risparmi derivanti dall’installazione incrementale di unità modulari sul medesimo sito, tempi ridotti di costruzione, apprendimento progressivo dalla costruzione precedente, capacità di adattamento alla domanda, progettazione di sistemi concettualmente semplificati.

Fig.2 – Raffronto costi SMR rispetto al grande impianto full-scale (Fonte: INTERNET)

Ottimizzazione della gestione.  Gli SMR ottimizzano la gestione del ciclo combustibile e dei rifiuti radioattivi. Infatti, tale gestione risulta semplificata dalla durata della permanenza in reattore più lunga, anche sino a 5-8 anni, con elevato bruciamento del combustibile; dal trattamento del combustibile irraggiato, e dalla quantità e qualità del rifiuto finale che, venendo bruciato molto più a lungo e a fondo, comporta un combustibile spento allo scarico composto quasi interamente da prodotti di fissione a emivita più breve e lo smaltimento in deposito si semplifica notevolmente. Negli SMR si realizza insomma il principio del riciclo del rifiuto: il combustibile è riutilizzato fino quasi al suo completo esaurimento. Inoltre, allo stesso tempo è garantita una maggiore deterrenza alla proliferazione per il fatto che la sostituzione del combustibile può avvenire solo dopo tempi molto lunghi e senza creazione di plutonio per usi militari.

Gli SMR ottimizzano anche la gestione operativa. Infatti, questi impianti vengono consegnati turn-key chiavi in mano e permettono il controllo anche senza operatore in loco (unmanned). Più moduli possono essere supervisionati e controllati da sala comando remotizzata, e solo interventi locali manutentivi, se non robotizzati, possono richiedere l’intervento umano. Questo rende gli SMR adatti anche a mercati meno attrezzati industrialmente come quelli dei Paesi in via di sviluppo.

Integrabilità. Gli SMR sono il “cacio sui maccheroni” della rete distribuita con energie rinnovabili. Infatti, per la taglia, la facile localizzabilità e trasportabilità, gli SMR sono l'ideale per funzionare come sistema di back up delle reti rinnovabili (vedi Fig.3), per correggerne l'intermittenza che oggi pregiudica il pieno utilizzo degli impianti eolici, solari termici e fotovoltaici. Gli SMR possono permettere di raggiungere in modo soft l’equilibrio e la stabilità delle nuove reti energetiche distribuite ed integrate, permettendo alle rinnovabili un margine operativo che attualmente risulta invece particolarmente rigido e limitante.

Fig.3 – Integrazione di SMR in rete energetica locale distribuita (Fonte: INTERNET)

Versatilità di produzione e impiego. Questa è un’altra caratteristica allettante degli SMR. Le più basse potenze in gioco consentono l'installazione di tali reattori anche in reti a bassa capacità o in siti remoti non serviti adeguatamente dalla rete elettrica, per i quali risulta particolarmente vantaggiosa la versatilità di produzione di cui sopra. Infatti, oltre alla produzione elettrica tradizionale, molti progetti SMR prevedono reattori in grado di produrre, anche contemporaneamente, sia energia elettrica sia calore, a bassa temperatura per usi civili, ad alta temperatura per usi industriali, e dissalazione con processi evaporativi e/o osmotici per fornire acqua potabile alle comunità (nel caso di installazioni dedicate) o alla rete.

La versatilità riguarda anche la varietà di caratteristiche di questi reattori. Ve ne sono realmente per tutti i gusti. Da quello galleggiante che arriva su chiatta e viene collegato in porto per alimentare la città per il tempo che serve e poi muoversi altrove. È stato già utilizzato in Siberia, l’unità galleggiante KLT-40S (Fig.4).

Fig. 4 - Configurazione di un’unità di potenza galleggiante KLT-40S e configurazione tipica del sistema sommerso FLEXBLUE
Fonte: Quaderno IO ROMA – Ordine degli Ingegneri di Roma, 2018 

Il reattore SMR sommerso, FLEXBLUE, che sfrutta la profondità marina per il controllo della pressione ed il raffreddamento esterno (Fig.4, destra). I due prototipi di SMR di tipo “marino”, sia sommerso sia galleggiante, sono da seguire con interesse e curiosità perché potrebbero risolvere la problematica eventualmente legata all’installazione a terra ed aumentare così di molto la disponibilità dei Paesi all’uso dell’energia nucleare da SMR.

Un altro esempio di versatilità è un reattore SMR della Società FORTUM (Fig.6 destra) che viene utilizzato per il teleriscaldamento dell’area metropolitana di Helsinki (1,5 milioni di abitanti), con l’obiettivo di pervenire alla completa de-carbonizzazione di tutti gli usi finali dell’energia: elettricità, calore per processi industriali e riscaldamento, acqua calda, ed anche carburanti liquidi per i trasporti. È un vero esempio di come ottemperare realisticamente agli obiettivi previsti dall’accordo sul clima della COP21 di Parigi.

Ai fini della dissalazione, nelle aree con maggiori problemi di disponibilità di acqua potabile, diversi impianti sono in progettazione soprattutto in Medio-oriente e nel continente africano (Fig.6)

Fig.6 - Esempi di sistemi SMR per la dissalazione dell’acqua marina e il teleriscaldamento (Fonte INTERNET)

Un altro esempio si trova in Cina, dove a Shidaowan è in fase di completamento la prima centrale modulare basata sul reattore HTR-PM. Si tratta di un reattore ad alta temperatura “pebble bed” (a letto di sfere) refrigerato ad gas elio, in grado di produrre vapore alle stesse condizioni di un moderno impianto alimentato a carbone. Sono in costruzione 2 reattori HTR-PM da 250 MWth, che alimentano un turboalternatore da 210 MWe, a cui se ne potranno aggiungere altri, del medesimo tipo e potenza. Se l’impianto si comporterà nel modo sperato, la Cina farà partire un piano per rimpiazzare con questo reattore, entro il 2040, 300-400 caldaie a carbone, a partire dalle zone più popolate ad alto inquinamento atmosferico. Quali esempi di generazione distribuita, si citano due reattori sviluppati, sempre in Cina, per il teleriscaldamento (district heating) delle grandi città: il reattore NHR200-II della CGN e il reattore DHR-400 Yanlong della CNNC.

Attualmente si contano almeno 100 progetti “maturi”. Reattori a neutroni lenti e veloci a metallo liquido, ad acqua leggera e pesante, pressurizzati e bollenti, ad uranio naturale e acqua pesante, a combustibile fluido e sali fusi, nessuna tipologia manca all’appello nei progetti di SMR. Fra cui i più avanzati sono il NU-SCALE (Fig.6), già approvato per la costruzione dalla NRC per essere implementato negli Stati Uniti (in tabella sono forniti i dati di progetto), il CAREM argentino, lo SMART Sudcoreano, gli americani PRISM e M-POWER, il BREST russo, solo per citarne alcuni, e di cui si trova ampia bibliografia per approfondimenti.

Potenza termica

160 MWt

Potenza elettrica

45 MWe

Dimensioni del vessel

2,7 (D) x 13,7 (H) m

Pressione del primario

127 bar

Portata di refrigerante

0,6 m3 / s

Pressione del vapore

31 bar

Portata di vapore

70 kg/s

Tin acqua di alimento

150 °C

cluster

17 x 17 fuel pin array

Arricchimento in U235

4,95 %

Pompe di alimento primario

Assenti (circolazione naturale)

ECCS (DHRS e CHRS)

2 sistemi passivi a circolazione naturale

refuelling

Ogni 2 anni

Contenimento secondario

Sotterraneo immerso in piscina

Fig. 5 – Il reattore USA NUSCALE, già autorizzato dall’Autorità di Controllo NRC. Dati di progetto
(Fonte: Quaderno IO ROMA – Ordine degli Ingegneri di Roma, 2018) 

A livello mondiale, come visto, molti Paesi sono attivamente all’opera (Federazione Russa, Cina, Canada, USA, Regno Unito, Francia, Finlandia, Svezia, ecc.)  per il loro sviluppo e implementazione.

Ma anche l’ingegneria nucleare italiana ha contribuito e contribuisce in modo significativo allo sviluppo della tecnologia SMR, apportando il proprio contributo alla definizione delle logiche e dei parametri di funzionamento di tale tecnologia. Il nostro contributo si è sviluppato nel corso del tempo principalmente attraverso tre progetti denominati MARS, IRIS e ALFRED (fig. 7).

Il progetto ALFRED (Advanced Lead – Cooled Fast Reactor European Demonstrator) in particolare vede l’ANSALDO nel ruolo di General Architect mentre l’ENEA ha il compito di progettare il core e sviluppare le necessarie attività di R&D. Esso prevede un reattore veloce da 125 MWe con nocciolo, combustibile MOX, refrigerato con Piombo fuso, controllo della reattività effettuato con due diversi sistemi di CR, uno per il controllo fine della potenza, l’altro per lo shutdown e circolazione naturale del Piombo in condizioni incidentali. Il progetto vuole dimostrare la fattibilità tecnologica e la sostenibilità economica dei reattori veloci refrigerati al Piombo, in alternativa alla tecnologia del Sodio, in relazione, essenzialmente, all’assenza di reazioni esotermiche del Piombo con l’acqua e l’aria e alla minore energia immagazzinata.

La tecnologia dei reattori veloci è considerata ottimale anche in relazione al ciclo del combustibile implementabile che diviene sostanzialmente chiuso consentendo, negli impianti di ritrattamento, la sola estrazione dei prodotti di fissione ma non del Plutonio e degli Attinidi Minori. Ciò, infatti, consente di ottenere solo rifiuti radioattivi a vita breve o media (minore di 400 anni), di produrre nuovo combustibile con solo Uranio naturale o depleto, comportando così un consumo di Uranio naturale 100 volte inferiore rispetto quanto avviene nel ciclo utilizzato dai reattori termici e una maggiore resistenza alla proliferazione, non separando il Plutonio nel processo di ritrattamento. Dal maggio del 2017, partecipa al progetto anche la Romania.

Fig.7 – Reattore SMR Europeo ALFRED, di progettazione italiana (Fonte: Consorzio FALCON)

Come tutte le tecnologie innovative, la filiera degli SMR dovrà superare tutte le fasi di test e sperimentazione per rispondere alla richiesta di elevata sicurezza, alta prestazione, basso costo e semplicità ed efficacia di gestione. L’attuale molteplicità di progetti di reattori, dimostrativi o ancora concettuali, mostra che, prima o poi, si dovrà convergere su un numero limitato e rappresentativo che possa essere messo sul mercato ed in operazione con elevata affidabilità e sicura convenienza. Ma le prospettive di utilizzo sono senz’altro notevoli.

Fig.8 - Integrazione di SMR e FER in rete distribuita del futuro a zero emissioni
Fonte: Quaderno IO ROMA – Ordine degli Ingegneri di Roma, 2018 

L’uso di questa tecnologia può permettere, inoltre, di introdurre una importante componente low-carbon nelle reti di produzione elettrica ed energetica, contribuendo notevolmente a ridurre impatto ambientale climalterante, insieme alle rinnovabili FER (Fig.8).

La loro modularità di fabbricazione ed installazione consente investimenti praticabili e differibili nel tempo assecondando le diverse esigenze di rete dei Paesi, ed installazioni su reti elettriche di bassa capacità dove non sarebbe compatibile l’installazione di grandi centrali. La bassa proliferazione nucleare li rende proponibili dal punto di vista della security, un tema sempre più determinante oggigiorno, mentre la semplicità di funzionamento ed i lunghi tempi di ricarica del combustibile ne permettono l’esercizio in realtà non tecnologicamente avanzate. La flessibilità di produzione, elettrica, termica e di servizio/processo ne consente usi socialmente ed eticamente positivi come la dissalazione o il teleriscaldamento.

Gli SMR si collocano come fore-runner dei reattori di IV generazione in quanto già aumentano notevolmente la “sostenibilità” dell’energia nucleare in termini di utilizzazione delle risorse naturali e minimizzazione dei rifiuti radioattivi.

In conclusione, si può affermare che per far fronte al forte impatto ambientale in termini di immissione diretta in atmosfera di inquinanti e di CO2 delle diverse tipologie di idrocarburi ancora largamente usati a livello mondiale per la produzione di energia, si impone, in linea con quanto il protocollo di Kyoto e gli accordi di Parigi chiedono, l’adozione di tutte quelle forme di energia in grado di minimizzare l’effetto serra e i cambiamenti climatici da fonte fossile non rinnovabile. Lo sviluppo di reattori nucleari sicuri e “sostenibili” che si possono integrare perfettamente in una rete elettrica nazionale anche fortemente distribuita, assicurando la costanza di produzione di energia elettrica nelle 24 ore, potrebbe rappresentare un valido contributo a questa richiesta e contribuire al piano di decarbonizzazione incentivato a livello mondiale.

piccolo è bello anche nel nucleare

Sono comunque le piccole centrali nucleari dei giocattoli complessi e sofisticati che hanno bisogno di tecnici specialisti detentori quindi di potere. Il fotovoltaico se finalmente si smettesse la prevenzione nei suoi confronti è la fonte migliore più semplice e infinita (il sole) sebbene intermittente (ma questo è un falso problema se si mettono in rete bidirezionale i vari impianti alle diverse latitudini). Il PV è solo fotone trasformato in elettrone la cosa termodinamicamente più semplice, veloce ed efficiente che ci sia....Il FV è democratico: lo può gestire una persona, un condominio, una piccola comunità. E allora perchè per forza andare sul nucleare? Per quanto piccolo le sue scorie le produrrà. Tanti piccoli reattori produrranno tante piccole scorie che sommate saranno scorie consistenti e porteranno a consistenti problemi di stoccaggio e manutenzione (ricordatevi i tempi di decadimento: si parla di secoli e di millenni...).

Ciao