Come i reattori nucleari di nuova generazione rompono gli schemi del XX secolo

Dal sale fuso al combustibile TRISO, ecco come i progressi tecnologici potrebbero rivoluzionare una vecchia tecnologia energetica.

I reattori nucleari commerciali funzionano tutti più o meno allo stesso modo. Gli atomi di un materiale radioattivo si dividono, emettendo neutroni. Questi urtano altri atomi, dividendoli e causando l’emissione di altri neutroni, che a loro volta urtano altri atomi, continuando la reazione a catena.

Questa reazione produce calore, che può essere utilizzato direttamente o aiutare a trasformare l’acqua in vapore, che fa girare una turbina e produce elettricità. Oggi, tali reattori utilizzano tipicamente lo stesso combustibile (uranio) e lo stesso refrigerante (acqua), e sono tutti più o meno delle stesse dimensioni (enormi). Per decenni, questi giganti hanno immesso elettroni nelle reti elettriche di tutto il mondo. La loro popolarità è aumentata negli ultimi anni, poiché le preoccupazioni per il cambiamento climatico e l’indipendenza energetica hanno soffocato le preoccupazioni per le fusioni nucleari e le scorie radioattive. Il problema è che la costruzione di centrali nucleari è costosa e lenta.

Una nuova generazione di tecnologia nucleare potrebbe reinventare l’aspetto e il funzionamento dei reattori. I sostenitori sperano che le nuove tecnologie possano rinnovare il settore e contribuire a sostituire i combustibili fossili senza emettere gas serra.

La domanda di energia elettrica sta aumentando in tutto il mondo. L’aumento delle temperature e la crescita delle economie stanno portando a un maggiore utilizzo dei condizionatori d’aria. Gli sforzi per modernizzare la produzione e ridurre l’inquinamento climatico stanno cambiando l’industria pesante. Il boom dell’intelligenza artificiale sta portando alla creazione di data center che consumano molta energia.

Il nucleare potrebbe essere d’aiuto, ma solo se i nuovi impianti saranno sicuri, affidabili, economici e in grado di entrare rapidamente in funzione. Ecco come potrebbe essere la nuova generazione.

Ridimensionamento

Ogni centrale nucleare costruita oggi è fondamentalmente su misura, progettata e costruita per un sito specifico. Ma i piccoli reattori modulari (SMR) potrebbero portare la catena di montaggio nello sviluppo dei reattori nucleari. Rendendo i progetti più piccoli, le aziende potrebbero costruirne di più e i costi potrebbero diminuire grazie alla standardizzazione del processo.

Se funzionano, gli SMR potrebbero anche aprire la strada a nuovi utilizzi del nucleare. Le basi militari, i siti isolati come le miniere o le comunità remote che hanno bisogno di energia dopo un disastro potrebbero utilizzare reattori mobili, come quello in fase di sviluppo dalla società statunitense BWXT in collaborazione con il Dipartimento della Difesa. Oppure gli impianti industriali che necessitano di calore per attività come la produzione chimica potrebbero installare un piccolo reattore, come intende fare un impianto chimico in collaborazione con la startup nucleare X-energy.

Due impianti con SMR sono attualmente operativi in Cina e Russia, e altre unità iniziali seguiranno probabilmente il loro esempio e forniranno elettricità alla rete. In Cina, il progetto dimostrativo Linglong One è in fase di costruzione in un sito dove sono già in funzione due grandi reattori. L’SMR dovrebbe entrare in funzione entro la fine dell’anno. Negli Stati Uniti, Kairos Power ha recentemente ottenuto l’approvazione normativa per costruire Hermes 2, un piccolo reattore dimostrativo. Dovrebbe essere operativo entro il 2030.

Una questione importante per i progetti di reattori più piccoli è quanto l’approccio basato sulla catena di montaggio contribuirà effettivamente a ridurre i costi. Anche se gli SMR potrebbero non essere personalizzati, saranno comunque installati in siti diversi e la pianificazione per la possibilità di terremoti, inondazioni, uragani o altre condizioni specifiche del sito richiederà comunque una costosa personalizzazione.

Rifornimento

Quando si parla di uranio, il dato che conta davvero è la concentrazione di uranio-235, il tipo in grado di sostenere una reazione a catena (la maggior parte dell’uranio è un isotopo più pesante, l’U-238, che non è in grado di farlo). L’uranio presente in natura contiene circa lo 0,7% di uranio-235, quindi per essere utilizzabile deve essere arricchito, concentrando quell’isotopo.

Il materiale utilizzato per le armi nucleari è altamente arricchito, con concentrazioni di U-235 superiori al 90%. I reattori nucleari commerciali odierni utilizzano un materiale molto meno concentrato come combustibile, generalmente tra il 3% e il 5% di U-235. Ma i nuovi reattori potrebbero aumentare tale concentrazione, utilizzando una classe di materiale chiamato uranio ad alto titolo e basso arricchimento (HALEU), che varia dal 5% al 20% di U-235 (ancora ben al di sotto dell’arricchimento a livello militare).

Questa maggiore concentrazione significa che l’HALEU può sostenere una reazione a catena per molto più tempo prima che il reattore debba essere ricaricato. (Il tempo varia a seconda della concentrazione: maggiore è l’arricchimento, maggiore è il tempo tra una ricarica e l’altra). Queste percentuali più elevate consentono anche architetture di combustibile alternative.

Le centrali nucleari tipiche odierne utilizzano combustibile pressato in piccole pastiglie, che a loro volta vengono impilate all’interno di grandi barre rivestite di zirconio. Ma l’uranio ad alta concentrazione può essere trasformato in combustibile tri-isotropico strutturale, o TRISO.

Il TRISO utilizza minuscoli nuclei di uranio, di diametro inferiore a un millimetro, rivestiti da strati di carbonio e ceramica che contengono il materiale radioattivo e tutti i prodotti delle reazioni di fissione. I produttori incorporano queste particelle in pellet cilindrici o sferici di grafite. (Il combustibile vero e proprio costituisce una percentuale relativamente piccola del volume di questi pellet, motivo per cui è importante utilizzare materiale più arricchito).

Le pastiglie sono un meccanismo di sicurezza integrato, un sistema di contenimento in grado di resistere alla corrosione e di sopravvivere all’irradiazione neutronica e a temperature superiori a 3.200 °F (1.800 °C). Le reazioni di fissione avvengono in modo sicuro all’interno di tutti questi strati protettivi, progettati per consentire al calore di fuoriuscire ed essere trasportato dal refrigerante e utilizzato.

Raffreddamento

Il refrigerante in un reattore controlla la temperatura e trasporta il calore dal nocciolo a dove viene utilizzato per produrre vapore, che può quindi generare elettricità. La maggior parte dei reattori utilizza l’acqua per questo scopo, mantenendola a pressioni altissime in modo che rimanga liquida mentre circola. Ma nuove aziende stanno reinventando questo processo con altri materiali: gas, metallo liquido o sale fuso.

Questi reattori possono far funzionare i loro circuiti di raffreddamento a temperature molto più elevate rispetto a quelle possibili con l’acqua: oltre 500 °C contro un massimo di circa 300 °C. Ciò è utile perché è più facile trasferire il calore ad alte temperature e le sostanze più calde producono vapore in modo più efficiente.

I refrigeranti alternativi possono anche contribuire alla sicurezza. Un circuito di raffreddamento ad acqua funziona a una pressione superiore di oltre 100 volte alla pressione atmosferica standard. Mantenere il contenimento è complicato ma fondamentale: una perdita che consente la fuoriuscita del refrigerante potrebbe causare la fusione del reattore.

I refrigeranti metallici e salini, invece, rimangono liquidi ad alte temperature ma a pressioni più gestibili, più vicine a un’atmosfera. Pertanto, questi progetti di nuova generazione non necessitano di apparecchiature di contenimento rinforzate e ad alta pressione.

Tuttavia, questi nuovi refrigeranti introducono certamente delle complicazioni. Il sale fuso può essere corrosivo in presenza di ossigeno, ad esempio, quindi i costruttori devono scegliere con attenzione i materiali utilizzati per realizzare il sistema di raffreddamento. E poiché il sodio metallico può esplodere a contatto con l’acqua, il contenimento è fondamentale nei progetti che lo utilizzano.

In definitiva, i reattori che utilizzano refrigeranti alternativi o nuovi combustibili dovranno dimostrare non solo di essere in grado di generare energia, ma anche di essere abbastanza robusti da funzionare in modo sicuro ed economico per decenni.