Fissione e fusione: la nuova generazione di reattori

Nucleare sì, nucleare no. Risulta facile, soprattutto in clima ancora sanremese, parafrasare un successo di qualche tempo fa per semplificare il dibattito sul nucleare.

Nucleare no perché è una fonte di energia pericolosa, capace di creare enormi danni all’ambiente e alle persone. Nucleare sì perché, guardando anche un po’ cinicamente ai numeri, il nucleare risulta l’energia con il minor numero di morti per kWh prodotto: si passa dalle 100,000 morti per bilione (10¹²) di kWhrs legate allo sfruttamento del carbone alle 90 morti/10¹² kWhrs dovute all’energia nucleare.

Nucleare no perché gli impianti non sono sicuri, come dimostrano eclatanti incidenti quali quelli di Chernobyl e Fukushima. Nucleare sì perché i tre incidenti avvenuti finora (Three Mile Island nel 1979, Chernobyl nel 1986 e Fukushima nel 2011) hanno coinvolto reattori di prima o seconda generazione, costruiti su un vecchio design e sprovvisti dei sistemi passivi e ridondanti di sicurezza implementati nelle nuove installazioni.

Nucleare no perché la stessa tecnologia può essere usata a fini bellici o terroristici. Nucleare sì perché mentre la maggior parte dei reattori commerciali richiede un combustibile di uranio arricchito in ²³⁵U dalla sua abbondanza naturale fino al 3-5%, l’uranio usato per le armi nucleari richiede un arricchimento in ²³⁵U almeno all’85%.

Nucleare no perché non ci sono i mezzi per gestire le scorie e lo smantellamento dei reattori spenti. Nucleare sì perché la ricerca scientifica e tecnologica sta facendo grossi passi in avanti per realizzare e rendere operativi nuovi concetti di reattori più efficienti nell’uso del combustibile, così da diminuire anche la pericolosità delle scorie presenti alla fine del ciclo di vita.

Sia sì o sia no, il nucleare sta occupando sempre più posto nelle colonne dei giornali e nel cosiddetto dibattito energetico. Questo perché, in una società sempre più affamata di energia, una delle questioni fondamentali da affrontare è la sostenibilità delle fonti energetiche. In particolare, l’abbandono dei combustibili fossili, i cui danni all'ambiente e alla salute sono ormai palesi, richiede la costruzione di uno scenario che incorpori diverse fonti energetiche in grado di costituire una solida alternativa in termini di affidabilità del sistema elettrico. L’energia nucleare, che sfrutta la grande quantità di energia rilasciata durante le interazioni dei nuclei, si pone come una valida opzione, imprescindibile se si vuole pensare a un abbattimento significativo delle emissioni di carbone nel medio termine.

Ciononostante, perché l’energia nucleare possa essere considerata appieno sostenibile, sicura e accettabile occorre affrontare il problema chiave della sicurezza della produzione energetica, specialmente in relazione a possibili incidenti nei reattori in operazione, alla gestione delle scorie radioattive e alla necessità di impedire la proliferazione di armi nucleari. In questo senso, la nuova generazione tecnologica di reattori potrebbe essere il passo decisivo verso una produzione di energia nucleare non contestabile in termini di sicurezza e smaltimento delle scorie, comportando anche un netto e importante miglioramento dell’efficienza sia nell’utilizzo dei combustibili che nella produzione stessa di energia. L’attenzione si sta focalizzando, in particolare, sullo sviluppo dei reattori a fissione di IV Generazione, già in fase di R&S da circa quindici anni, e, parallelamente, su due concetti di reattori ancor più innovativi: l’Accelerator Driven System (ADS) e i reattori a fusione. Essendo questi ultimi due design diversi per natura dai reattori finora utilizzati, il loro sviluppo richiede uno studio accurato di ogni componente e l’ideazione di sistemi completamente nuovi.

I sei sistemi selezionati dal Generation IV International Forum (GIF) si basano su differenti tecnologie di reattore, implicando diversi meccanismi per la conversione dell’energia e diversi cicli combustibili. In particolare, i punti che porteranno a un miglioramento significativo rispetto alla situazione presente sono lo sfruttamento di cicli combustibili chiusi - ovvero la ripartizione e il riciclo del combustibile sfruttando al meglio ogni frazione secondo diverse strategie - e il miglioramento dei sistemi di raffreddamento e, di conseguenza, della conversione dell’energia. Mancano circa dieci anni perché alcuni di questi prototipi possano essere utilizzati in ambito commerciale.

Nell’ambito dei reattori a fissione, il progetto più innovativo e per molti versi rivoluzionario è quello di un reattore subcritico accoppiato a un acceleratore di protoni (Accelerator-Driven System, ADS). Perché avvenga produzione di energia in un reattore subcritico, è necessario sostenere la reazione a catena con una sorgente esterna di neutroni che, nel caso di un ADS, è rappresentata dalle reazioni che avvengono accelerando protoni di alta energia su un bersaglio metallico. Un sistema così progettato può essere considerato intrinsecamente sicuro, in quanto incidenti come la fusione del nucleo possono essere evitati senza alcun intervento umano, ed inoltre permette una grande flessibilità nell’utilizzo di combustibili alternativi al ²³⁵U. Le molte sfide sia scientifiche che tecnologiche da superare perché il primo prototipo di ADS sia costruito e la fattibilità del design provata si stanno affrontando all’interno del progetto MYRRHA presso il centro di ricerca SCK∙CEN in Belgio.

La fusione è stata da sempre considerata come il Sacro Graal della produzione di energia, rappresentando una fonte economica e pulita. In una reazione di fusione, due nuclei si avvicinano a sufficienza da fondersi formando uno o più nuclei differenti, con il conseguente rilascio di una grande quantità di energia dovuta alla differenza in massa tra i nuclei originari e i prodotti della reazione. Perché i nuclei riescano a trovarsi così vicini è necessario che possiedano un’energia molto elevata, equivalente a centinaia di miliardi di gradi. La grande sfida tecnologica è dunque quella di riuscire a confinare, sulla Terra, della materia così calda. Quando le reazioni di fusione avvengono nelle stelle, infatti, è la gravità prodotta dalla massa della stella stessa a racchiudere all’interno del nucleo le reazioni. Scalando il tutto alle dimensioni di una centrale elettrica, il cosiddetto confinamento gravitazionale non è evidentemente una soluzione percorribile, e la ricerca si è concentrata sui metodi alternativi di confinamento inerziale e magnetico. Quest’ultimo è il più studiato per i prototipi di reattori a fusione, e si basa sugli effetti dei campi magnetici ed elettrici sulle particelle cariche. In questo senso, una delle sfide più grandi ora aperte è la costruzione del più grande Tokamak al mondo all’interno del progetto ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor – a Cadarache, Francia.

Senza pretese di esaustività, questa panoramica sui progetti più significativi ora in corso di R&S è stata pensata con lo scopo principale di mostrare le grandi potenzialità dell’energia nucleare e la lunga e tortuosa strada che deve ancora essere percorsa perché si giunga all’effettiva realizzazione di reattori commerciali. È di estrema importanza tenere a mente che nessuna fonte di energia deve essere né demonizzata né idolatrata a priori, bensì capita e studiata, e che l’utilizzo e lo sviluppo di una fonte energetica deve essere guidato in primo luogo dai risultati di una ricerca scientifica e tecnologica all’avanguardia.