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livello elementare.
ARGOMENTO: INNOVAZIONE TECNOLOGICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Fusione nucleare
Gli scienziati concordano che la fusione nucleare, ancora in fase di ricerca e sviluppo, consentirà in futuro di produrre energia pulita all’Umanità liberandola dalla schiavitù dei fossili. Come ricorderete in altri articoli si tratta di un processo in cui i nuclei atomici, unendosi per formarne uno più pesante, liberano una grande quantità di energia sotto forma di radiazioni e calore. In natura, avviene a temperature elevatissime, circa 100 milioni di gradi Celsius, ed è il processo naturale che alimenta le stelle.
La fusione nucleare è però una tecnologia ancora immatura, con prospettive di utilizzo commerciale a lungo termine. Le problematiche sono molte e sono in corso di studio, sviluppo e valutazione diversi sistemi il cui progresso è ancora molto lento. Tra di essi il JET (Joint European Torus), basato su un reattore tokamak, realizzato con una struttura a forma di ciambella che utilizza potenti campi magnetici per contenere il plasma.
Come funziona la fusione?
Facciamo un passo indietro: i nuclei atomici di due isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, si uniscono e formano un nucleo più pesante; passando dallo stato gassoso al plasma 1, iniziano a fondersi. Quando i nuclei si fondono si creano nuclei di elio e vengono rilasciate enormi quantità di calore. Questo perchè nei processi di fusione nucleare la massa del nuovo nucleo che si verrà a formare non è pari alla somma di quella dei nuclei atomici che hanno partecipato alla fusione, ma leggermente inferiore. È per tale difetto di massa che, in base alla ben nota legge di Einstein, E = m · c2 , si viene a sviluppare una grande quantità di energia.
I vantaggi di una tecnologia a fusione nucleare sono:
- viene prodotta energia senza emettere gas serra;
- si producono una minima quantità di scorie con un tasso di radioattività molto più basso di quello prodotto nell’attuale processo di fissione;
- sono disponibili risorse abbondanti di combustibile in quanto gli isotopi di idrogeno (deuterio e trizio) possono essere estratti dall’acqua rendendo quindi la disponibilità di combustibile infinita.
Uno sviluppo tecnologico interessante ma ancora lontano per un impiego pratico
Per essere realistici per poter utilizzare la fusione a livello industriale bisognerà aspettare almeno fino al 2060. Sebbene la ricerca continui, gli esperimenti attuali hanno permesso di produrre quantità di energia infinitesimali, sia nella materia che nel tempo, che non sono sufficienti a soddisfare l’aumento del bisogno energivoro. Una alternativa promettente è la possibilità attuale di usare il “Nucleare 2.0″, un’evoluzione della tecnologia di fissione, che viene già ampiamente impiegata in molti Paesi del mondo. Questa tecnologia sembra infatti offrire maggiore sicurezza, efficienza energetica, sostenibilità e adattabilità alle diverse esigenze in termini di produzione di energia ma anche in altri campi come quello medico.
Di particolare interesse sono gli Small Modular Reactors (SMR), reattori di IV generazione, che si differenziano dai reattori tradizionali per le minori dimensioni e per il tipo di refrigerante, di combustibile e delle tecnologie operative. In parole semplici, i sistemi già in commercio potrebbero dare un contributo importante alla fame di energia di questo secolo e rappresentano una soluzione di rischio minimale per il raggiungimento degli standard di sicurezza ambientale nell’ambito dei sistemi di approvvigionamento energetico. Di fatto, rispetto ai sistemi nucleari di vecchia generazione, sono più flessibili per l’integrazione con altre fonti di energia pulita e possono essere utilizzati anche per applicazioni non elettriche come il calore industriale e la produzione di idrogeno.
modello della stazione nucleare galleggiante russa Floating Nuclear Power Plant model.jpg – Wikimedia Commons
Le prime unità SMR sono già una realtà: utilizzate a bordo di una centrale nucleare galleggiante in Russia2 e in Cina, dove gli SMR raffreddati a gas ad alta temperatura (HTGR) di quarta generazione sono destinati a fornire calore a basse emissioni di carbonio per decarbonizzare i processi industriali. In particolare, l’Agenzia internazionale per energia atomica (IAEA) ha riferito che questo primo reattore modulare di piccole dimensioni (SMR) è stato installato presso la centrale nucleare di Shidao Bay, nella Cina orientale. Con nuclei composti da ciottoli di grafite e particelle di combustibile appositamente progettate, questi reattori possono funzionare a temperature fino a 750 °C, fornendo calore a basse emissioni di carbonio per l’industria e una maggiore efficienza rispetto ai reattori tradizionali.
schema di massima di un SMR – Fonte US Government – S. GAO report: www.gao.gov/products/GAO-15-652 Figure 4 Illustration of a light water small modular nuclear reactor (SMR) (20848048201).jpg – Wikimedia Commons
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Gli SMR utilizzano gas (tipicamente elio) per trasferire il calore dal nocciolo alla turbina, offrendo vantaggi come minori emissioni e la possibilità di integrazione con altre tecnologie. Possono essere utilizzati per altre applicazioni che includono il riscaldamento, la desalinizzazione o il vapore per esigenze industriali. Le dimensioni molto compatte ne permettono la collocazione in impianti industriali o vicino ai centri urbani. Il vantaggio in termini di costi deriva dalla possibilità di impiegare dei moduli prefabbricati e assemblati in loco rispondenti a standard industriali, codici e requisiti di licenza riconosciuti a livello internazionale. Con oltre 70 progetti di SMR in fase di sviluppo in 17 Paesi e le prime unità SMR già operative in Russia, si prevede che gli SMR e i loro cugini più piccoli, i micro-reattori (MR), svolgeranno un ruolo sempre più importante nel favorire la transizione energetica globale verso l’azzeramento delle emissioni nette. Tuttavia, i relatori hanno concordato che la tecnologia, la sua sicurezza e la sua competitività economica devono essere dimostrate prima che gli SMR possano essere ampiamente utilizzati. Da un punto di vista tecnologico, come gli altri reattori nucleari a fissione, gli SMR sfruttano il nucleare per generare calore e produrre energia con una potenza fino a 300 MWe (potenza elettrica di una centrale elettrica in megawatt) per impianto: circa un terzo della capacità di generazione delle costruzioni convenzionali più grandi, che possono produrre circa 1.000 MWe. Considerando che una piccola città ha una necessità di circa 500 MWe si potrebbero utilizzare più SMR per soddisfare le svariate esigenze. Ad esempio, secondo Forbes, il piccolo reattore Last Energy, da 20 megawatt, può alimentare ben 20.000 abitazioni e con molto meno fabbisogno di carbonio, costruzione e terreno rispetto ai reattori tradizionali.
Non ultimo un SMR può essere assemblato rapidamente in loco, con una velocità di consegna inferiore a 24 mesi, a differenza dei reattori tradizionali non modulari che possono richiedere più di cinque anni (se non decenni) per essere costruiti. Gli SMR hanno anche un fabbisogno di combustibile ridotto, ogni 3-7 anni, rispetto a ogni anno (o due anni) per i grandi impianti convenzionali. Alcuni SMR sono progettati per funzionare per trent’anni senza necessità di alcun rifornimento. Inoltre, a differenza dei sistemi alternativi, che producono energia dal vento, dal sole e dall’acqua, la produzione di un SMR, non dipende dalle condizioni meteorologiche. Nulla vieta comunque di abbinarle in un sistema gestionale complesso e diversificato (armonizzato).
Microreattori: perchè no?
Sono disponibili anche microreattori, più piccoli degli SMR, che in genere producono meno di 50 MWe, una quantità comunque sufficiente per alimentare piccole località in località remote. Negli anni ‘50, questi micro reattori furono sviluppati in campo navale per alimentare i sottomarini nucleari militari. A differenza degli SMR i microreattori possono essere impiantati ancora più rapidamente, in poche settimane, e potrebbero trovare una collocazione in ambito di operazione di disaster relief a favore delle comunità colpite da disastri naturali. In questi ultimi anni il loro design si sta evolvendo per soddisfare la crescente domanda di energia stabile e a basse emissioni di carbonio. Particolare attenzione è la loro protezione da attacchi informatici che potrebbero ridurne l’efficienza e mettere a rischio il loro impiego ottimale. In sintesi, la tecnologia del mini nucleare consente oggi di poter ottenere energia a basso costo, sostenibile e in condizioni di sicurezza e basso impatto ambientale. Sta ora a noi decidere.
Vincenzo Popio
Note
- il plasma è lo stadio che un gas raggiunge quando viene riscaldato a temperature estreme.
- Il 14 settembre 2019, la prima centrale nucleare galleggiante russa, Akademik Lomonosov, è arrivata nella sua sede permanente nella regione di Chukotka. Ha iniziato a funzionare il 19 dicembre 2019.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.