Gli SMR, la tecnologia energetica che avanza

In termini di tecnologia, i primi cinquant’anni dell’industria nucleare commerciale sono state basate su poche alternative tecnologiche. In termini di energia nucleare, ciò significa reattori ad acqua bollente e ad acqua pressurizzata (PWR). Grazie alla loro migliore efficienza e flessibilità, in grado di produrre elettricità e vapore, la tecnologia PWR domina il mercato dei reattori su scala gigawatt. Nel mondo, dei circa 470 reattori in funzione, circa 300 sono PWR. Ma questa scelta limitata di tecnologie per le centrali nucleari sta rapidamente finendo. L’Agenzia per l’Energia Nucleare dell’Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico elenca non meno di 21 promettenti progetti di nuovi reattori modulari di piccole dimensioni (SMR) che vanno da 5 a 300 MW. I nuovi SMR e i reattori di III generazione esistenti sono sostanzialmente di tre dimensioni: 1) jumbo: impianti su scala gigawatt da oltre 1.000 MW, 2) medium: unità da 200-300 MW attualmente preferite dalle utility, e 3) mini: reattori nella fascia di potenza da 5 a 50 MW, alcuni dei quali, come l’eVinci di Westinghouse, sono abbastanza piccoli da essere autonomi e mobili.

Per decenni, i produttori di energia elettrica all’ingrosso hanno creduto che grande fosse meglio e  più economico. E in un settore merceologico come quello dell’elettricità, il prezzo più basso è fondamentale. Ma le recenti difficoltà degli Stati Uniti e della Francia nel costruire grandi centrali di III generazione da oltre 1200 MW nei tempi e nei budget previsti hanno spinto l’industria dell’energia nucleare in una direzione diversa. . La spinta verso i piccoli reattori è una risposta al problema dei costi di costruzione e dei ritardi incontrati dai progetti più grandi con un’ampia attività di costruzione in loco. Che questi problemi riflettano debolezze nella progettazione, nell’esecuzione o nella regolamentazione è diventato quasi irrilevante. La costruzione di reattori di III generazione, come l’impianto di Vogtle in Georgia o il reattore europeo ad acqua pressurizzata (EPR) di Flamanville, in Francia, è diventata finanziariamente straziante. Il movimento “piccolo (nucleare) è bello” sostiene di essere la risposta con una costruzione miniaturizzata e modulare. Il reattore e tutti i componenti chiave sono costruiti in fabbrica e assemblati a partire da queste parti precostituite che vengono trasportate sul posto. L’obiettivo è trasformare uno sforzo di 8-10 anni in un periodo di costruzione molto più gestibile di 1-2 anni. L’attrattiva degli SMR è che offrono un modo per snellire la costruzione nucleare spostando la maggior parte del lavoro possibile in una fabbrica per un rapido assemblaggio in loco.
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L’aspetto negativo del ridimensionamento dei reattori, che inverte una tendenza di lungo periodo, è che l’elettricità prodotta costa di più per kwh. Hanno la maggior parte degli stessi componenti delle centrali nucleari più grandi, reattori, turbine, ecc. ma semplicemente più piccoli. Quanto sia più costoso è difficile da stimare, poiché non esistono progetti approvati a livello commerciale, anche se diversi sono vicini. Questo rischia di essere il problema maggiore degli SMR: produrre un prodotto di base essenziale come l’elettricità a un costo relativamente alto rende inevitabilmente i produttori vulnerabili ai concorrenti che hanno prezzi più bassi. Ma la flessibilità dei piccoli reattori (alcuni progettati per essere mobili per uso militare) significa che possono rivolgersi selettivamente a una più ampia varietà di clienti, come i sistemi di riscaldamento urbano o gli utenti industriali come le acciaierie.Inoltre il discorso dei costi è ancora prematuro nel momento in cui le catene logistiche sono ancora in via di formazione e quindi non vi è ancora reale certezza delle economie di scala.

Le principali critiche mosse alle tecnologie tradizionali nucleari sono:

• Costi di capitale iniziali eccessivi (costa troppo costruire).
• Lunghi periodi di costruzione.
• Elevate spese di gestione e manutenzione (O&M) durante la vita dell’unità.
• Problemi di sicurezza per quanto riguarda gli incidenti specifici ai reattori (come Three Mile Island o Chernobyl) e la proliferazione nucleare.
• Necessità di uno stoccaggio sicuro a lungo termine delle scorie radioattive. (Per inciso, va sottolineato che anche i combustibili fossili producono rifiuti tossici che devono essere abbattuti in vari punti del ciclo di produzione del combustibile e di generazione dell’energia).

Gli SMR porrebbero rimedio a un problema importante: i lunghi periodi di costruzione con le conseguenti escalation dei costi. Costruire gli impianti in tempo aumenterebbe anche la probabilità di rientrare nel budget, cosa non da poco in questo contesto.

Sebbene l’aspetto modulare degli SMR sia pensato per accelerare la costruzione, ci sono sviluppi nella tecnologia del combustibile nucleare che renderebbero i reattori a prova di fusione non desiderata. Anche se gli incidenti che coinvolgono i noccioli dei reattori sono rari, l’uranio racchiuso nelle barre di combustibile di un nocciolo esposto, non raffreddato, mantiene il suo elevato calore e può fondere in quello che una volta veniva chiamato “Sindrome cinese”. Il combustibile TRISO, particelle isotropiche tristrutturali, che sarà utilizzato in diversi SMR futuri, non è in grado di fondere.

Combustibile TRISO

Ogni piccola pallina di uranio è racchiusa in tre strati di materiale carboceramico e ogni strato esterno ha un’enorme capacità di resistere al calore e rimanere intatto. In una pubblicazione del 2019, l’Ufficio per l’Energia Nucleare del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha definito i pellet di combustibile TRISO il “combustibile nucleare più robusto del pianeta”. Questo eliminerebbe un altro dei cinque argomenti fondamentali contro l’energia nucleare (la fusione del nocciolo del reattore). Questa tecnologia di combustibile veniva chiamata “letto di ciottoli” quando i pellet di combustibile erano grandi come palle da biliardo rispetto ai “chicchi” relativamente piccoli, grandi come semi di papavero, di cui si parla qui, che possono essere assemblati nelle barre di combustibile convenzionali.
Infine, stiamo persino assistendo a sforzi per ridurre le spese di attivazione e manutenzione (O&M) del nucleare, relativamente elevate, prolungando notevolmente il periodo tra le interruzioni del rifornimento. Invece di cicli di 18 o 24 mesi per le centrali convenzionali, oggi vediamo intervalli di sette o otto anni tra i cicli di rifornimento.

Parliamo spesso di SMR come se fossero tecnologie uniformi, ma , in realtà, la famiglia è molto eterogenea a livello di dimensioni e di evoluzione tecnologica. Ad esempio fra i primi esempi che saranno omologati ci sono NuScale, che produce impianti piccolissimi, e BWRX 300 di GE Hitachi, dimensionalmente molto più grandi. Però vedremo anche l’introduzione di famiglie tecnologiche diverse,  come gli HTGR (reattori raffreddati a gas ad alta temperatura) e quelli che utilizzano il sale fuso come moderatore. Tutto ciò che possiamo dire con certezza a questo punto è che il decennio del 2030 potrebbe vedere una quantità senza precedenti di sviluppo tecnologico e di competizione nello spazio degli SMR, con un’industria impegnata a costruire impianti più veloci, più piccoli e più sicuri.