Il potere dell'atomo: energia nucleare nano

Trasparenza del microreattore Odin completo (tutte le foto per gentile concessione di Nano Nuclear Energy)

La produzione di energia elettrica coinvolge invariabilmente due elementi: un combustibile e un sistema in grado di convertirlo in energia utilizzabile. Un generatore a combustibile liquido o gassoso ben mantenuto può avere una vita utile di molti decenni, ma necessita sempre di una fornitura di combustibile costante e affidabile, la cui installazione e manutenzione in una località remota possono essere costose.

Esiste un'alternativa che potrebbe eliminare la necessità di un rifornimento costante di carburante? L'energia solare offre questo potenziale, ma finché i pannelli fotovoltaici non diventeranno più efficienti, servirebbe un impianto di dimensioni pari ad acri per caricare un grande gruppo elettrogeno a batteria. L'eolico è un'altra possibilità, ma le turbine sono poco maneggevoli e il vento stesso non può essere garantito.

Guardando altrove, l'energia nucleare fornisce energia alle reti nazionali da decenni. Risolverebbe certamente il problema del rifornimento, ma portare questa tecnologia sul mercato delle microreti sembrerebbe irrealizzabile. Tuttavia, la commercializzazione dei microreattori è più vicina di quanto si possa pensare. Nano Nuclear Energy (denominata semplicemente Nano) è un'azienda che progetta di portare l'energia dell'atomo sul mercato dei gruppi elettrogeni, lavorando anche alla fabbricazione di combustibile nucleare, a soluzioni per il trasporto del combustibile e ai relativi servizi di consulenza.

L'azienda ha attualmente in fase di sviluppo due versioni di microreattori: "Zeus" è un reattore a batteria a nucleo solido, mentre "Odin" è un reattore a refrigerante a bassa pressione. Entrambi sono progettati per essere inseriti in un container standard.

James Walker, CEO di Nano, ha parlato con Power Progress International dell'azienda e della sua tecnologia. "Quando abbiamo fondato l'azienda qualche anno fa, c'erano già alcune aziende che sviluppavano piccoli reattori modulari; il settore dei microreattori era molto meno sviluppato".

James Walker, Energia nucleare nano

Proseguendo, ha osservato che i microreattori sarebbero ideali per l'industria mineraria, le trivellazioni di petrolio e gas e le basi militari, ma anche per gli interventi di soccorso in caso di calamità – essenzialmente in quei casi in cui il gasolio è attualmente l'unica alternativa, ma è costoso da reperire. "Perché si compete solo con il costo del gasolio di recupero, che è molto elevato, per avere un sistema energetico che non necessita di rifornimento per 15 o 20 anni. Ciò renderebbe i sistemi molto competitivi", spiega Walker.

Fissione nucleare 101

Tornando al pensiero iniziale, è ovvio che un microreattore eliminerebbe qualsiasi necessità di rifornimento. Ma cosa succede per produrre energia?

All'interno del reattore, gli atomi di uranio 235 vengono forzati a unirsi fino a raggiungere una massa critica. A questo punto, i neutroni rilasciati sotto pressione iniziano a scindere gli atomi di uranio in quella che diventa una reazione a catena autosostenuta. È questo che rilascia l'effetto energetico positivo.

L'intensità della reazione a catena viene gestita tramite barre di controllo. Queste sono realizzate con materiali che assorbono i neutroni, come boro, cadmio, argento o indio; queste riducono la quantità di neutroni liberi per rallentare il processo di reazione.

"È un sistema molto elementare", afferma Walker. "L'inserimento delle barre può essere effettuato da remoto, quindi non è necessario che nessuno con le competenze tecniche necessarie per gestire un reattore sia presente in loco. Le normative richiedono anche un minimo di due sistemi di backup ridondanti, il che significa essenzialmente che ci sono due set di barre indipendenti".

Modello di business

I microreattori sono stati sviluppati da team dell'Università della California a Berkeley e dell'Università di Cambridge. Ognuno di essi aveva obiettivi chiave, afferma Walker: "Doveva essere un sistema trasportabile, che potesse essere spedito su strada, ferrovia o mare. Inoltre, doveva essere in grado di collegarsi rapidamente alla rete elettrica locale; non poteva richiedere alcun lavoro di installazione correlato per essere operativo".

Un ulteriore elemento del progetto era la supervisione minima. Walker afferma che è necessario pochissimo personale dove vengono installati i sistemi, probabilmente limitato alla sicurezza e a un meccanico. "Non servirebbe un ingegnere nucleare o un fisico", aggiunge. Un sistema di monitoraggio remoto è collegato a ciascuna installazione per verificarne le prestazioni.

Microreattori Odin preparati per il trasporto su camion

Quando i microreattori saranno lanciati, Walker afferma di aspettarsi che il noleggio diventi il modello d'uso preferito. "Ci sarà poco o nessun interesse ad acquistare, gestire e dismettere un microreattore. Alcune grandi aziende potrebbero farlo, ma la maggior parte dei clienti vorrà solo acquistare l'energia.

Ci sono comunità remote nel Canada settentrionale che sopravvivono utilizzando solo generatori diesel. Si tratta di 800 persone che spendono collettivamente circa 10 milioni di dollari all'anno in carburante. Considerando la durata di vita di 15 o 20 anni di un microreattore, si tratta di 150 o 200 milioni di dollari in diesel. Un microreattore può essere assemblato e consegnato a una frazione di quel costo. In casi come questi, sappiamo che il modello di noleggio funzionerà.

Aggiunge che ci sarà una perdita di capitale iniziale per Nano, ma una volta ripagato l'investimento il microreattore genererà un profitto netto.

Produzione di carburante

Entrambe le versioni del microreattore utilizzano combustibile HALEU (High-Say, Low-Enriched Uranio), prodotto da Nano e poi trasportato dalla sussidiaria Advance Fuel Transportation. L'azienda è licenziataria esclusiva di un "cestello" brevettato per il trasporto di combustibile HALEU ad alta capacità, sviluppato in tre importanti laboratori nucleari statunitensi.

HALEU Energy Fuel Inc. è stata fondata quando è diventato evidente che le catene di approvvigionamento esistenti negli Stati Uniti non sarebbero state in grado di fornire il combustibile necessario. È previsto un impianto di produzione integrato a Oak Ridge, nel Tennessee, per l'arricchimento, la deconversione e la fabbricazione del materiale.

Nano collabora con LIS Technologies, che si occuperà della fase di arricchimento del processo di lavorazione del combustibile. Questa utilizza un sistema laser per separare i singoli isotopi di uranio da quelli indesiderati e concentrare il materiale raccolto.

Walker afferma che il combustibile utilizzato in un microreattore è lo stesso uranio 235 (l'isotopo fissile che costituisce meno dell'1% di tutto l'uranio) presente in un reattore di dimensioni standard. La differenza fondamentale è che in un reattore più piccolo è preferibile un livello di arricchimento più elevato.

Ciò significa che, laddove un grande reattore ad acqua pressurizzata (PWR) in un impianto da gigawatt utilizzerebbe biossido di uranio arricchito a meno del 5%, il combustibile HALEU è limitato a un arricchimento di circa il 20%. All'altro estremo della scala, l'uranio per uso bellico ha una purezza superiore al 90%.

"Il modo in cui si trasporta quel combustibile verrebbe leggermente modificato, ma il punto cruciale è che non sia più pericoloso", spiega Walker. "Dobbiamo essere molto chiari su questo: un reattore non può esplodere."

Nella scatola

Come accennato in precedenza, i microreattori sviluppati da Nano sono progettati per essere inseriti in un container standard. Alla domanda se il container includerà versioni miniaturizzate di tutte le apparecchiature presenti in un reattore standard, Walker risponde che l'hardware è molto meno complesso.

"Tutti i reattori convenzionali usano l'acqua, che è un ottimo refrigerante. Ma la temperatura di ebollizione dell'acqua è relativamente bassa e il calore prodotto dall'uranio è così elevato che necessitano di pressurizzatori integrati nel sistema per evitare il traboccamento", spiega.

Rappresentazione artistica di un microreattore Odin situato in una base militare

In un reattore di dimensioni standard, un guasto del pressurizzatore causerebbe la fusione del nocciolo. In un microreattore, anche se tutti i sistemi di raffreddamento dovessero guastarsi, l'unità irradierebbe passivamente il calore senza causare la fusione del nocciolo. Lo scenario peggiore è che il microreattore smetterebbe di fornire energia utilizzabile alla microrete.

Walker: "Se un microreattore fosse installato in una base militare e venisse colpito da un missile, l'esplosione renderebbe il materiale meno radioattivo. Questo perché se il materiale su cui si fa affidamento per creare la massa critica e la reazione a catena non viene più forzato a unirsi, l'uranio inizierebbe naturalmente a raffreddarsi e a diventare meno radioattivo".

Ostacoli normativi

Gli Stati Uniti hanno il programma nucleare più longevo al mondo. Walker afferma che nel corso dei decenni il settore ha sviluppato un profondo livello di burocrazia che ha reso l'energia nucleare prodotta nel Paese più costosa che in qualsiasi altra parte del mondo.

La burocrazia ha anche allungato i tempi necessari per completare il processo di autorizzazione necessario per portare un reattore dal prototipo alla produzione commerciale. A complicare ulteriormente le cose, il costo del processo è imposto dall'autorità di regolamentazione e può diventare proibitivo.

Walker: "L'energia nucleare dovrebbe, in teoria, essere la forma di energia più economica al mondo, data la sua densità energetica. Ma a causa delle licenze, dei tempi necessari, dei costi di capitale molto elevati e quindi dei finanziamenti molto onerosi. Considerando un reattore standard, il 70% del budget può essere attribuito ai costi di finanziamento."

Walker osserva che se Nano ricevesse una sola licenza, questa sarebbe sufficiente a coprire la produzione dei microreattori modulari. E con l'entrata in vigore delle economie di scala, i costi di capitalizzazione saranno "drasticamente ridotti" per unità, rendendo i sistemi più accessibili sul libero mercato.

Oltre a ciò, nel settembre 2024 il governo degli Stati Uniti ha approvato l'Advance Act, che mira a ridurre i costi di licenza per le tecnologie avanzate dei reattori nucleari e a semplificare le autorizzazioni, ridurre le tariffe e ridurre i ritardi.

"Questa riforma dovrebbe contribuire a semplificare le procedure di autorizzazione", afferma Walker. "Applicare un quadro normativo standard a un microreattore non è solo eccessivo, ma molti degli obiettivi non sono semplicemente applicabili. Pertanto, confidiamo che ciò si traduca in un quadro chiaramente diverso per i diversi tipi di reattore".

Allo stato attuale, Nano si trova nella fase di pre-autorizzazione del processo, che include la definizione del tipo di reattore, la potenza erogata e le date di lancio previste. Walker afferma che, una volta ottenuta l'approvazione, l'azienda inizierà a costruire un prototipo completamente funzionante del microreattore contestualmente alla presentazione della domanda formale di autorizzazione; l'Advance Act ha previsto un massimo di 25 mesi per questo processo, termine entro il quale Walker prevede di ricevere l'approvazione finale.

Dismissione dei microreattori

Una volta ricevuta tale approvazione, i microrreattori saranno lanciati negli Stati Uniti, ma Walker ritiene che i mercati più ampi saranno quelli dei paesi e delle regioni con attività industriali intensive o popolazioni in aree remote con infrastrutture elettriche scarse o inesistenti.

Abbiamo parlato con i governi di Indonesia, Thailandia e Filippine. Milioni di persone vivono in centinaia di isole e vivono tutte di generatori diesel. Questo è logisticamente difficile, molto costoso e molto dannoso per l'ambiente. Sono molto interessati ai microreattori: potrebbero essere centinaia i sistemi installati in queste comunità.

Tutte le cose belle finiscono e i microreattori dovranno essere smantellati. Walker afferma che l'idea originale era di svuotare il reattore sul posto e lasciarlo lì per sei mesi, dopodiché sarebbe stato pronto per la demolizione come dispositivo non nucleare.

Ma l'avvio del cosiddetto Progetto Pele da parte di BWX Technologies ha cambiato questi piani. Nell'ambito di questo progetto, è stata presentata una richiesta per consentire lo spostamento su strada sia dei reattori alimentati che di quelli esauriti, il che consentirebbe la dismissione delle unità in un luogo dedicato.

"Abbiamo sviluppato tecnologie per spostare sia il combustibile nuovo che quello usato, ma sarebbe molto più semplice inserire barre di controllo e spostare il reattore in una posizione in cui possiamo gestire il processo di svuotamento", afferma Walker.

Questo apre anche la strada a un microreattore completamente mobile: Nano ha fondato Advanced Fuel Transportation Inc. a questo scopo. In pratica, un microreattore potrebbe essere utilizzato per cinque anni, con le barre di controllo inserite prima di essere spostato in un altro sito. Walker: "Nel caso dell'attività mineraria, il punto finale in cui è necessaria l'energia potrebbe trovarsi a chilometri di distanza dalla posizione originale. Spostare il microreattore sarebbe più semplice che installare cavi di trasmissione".

Accettazione del mercato

È chiaro che eventi come Three Mile Island (Harrisburg, Pennsylvania) e Chernobyl (Pripyat, Ucraina) hanno lasciato un segno indelebile nella percezione globale dell'energia nucleare. In seguito alla fusione parziale dei reattori della centrale nucleare di Fukushima, in Giappone, il governo tedesco ha annunciato la disattivazione di tutti gli impianti nucleari esistenti; gli ultimi siti sono stati chiusi nel 2023.

Microreattore Odin nel sito a lungo termine

Walker afferma che gran parte del problema risiede nel divario tra la realtà e la percezione pubblica. A Fukushima, che utilizzava tecnologie obsolete, ci vollero comunque le forze combinate di un terremoto e di uno tsunami per compromettere l'impianto. Anche in quel caso, la parte peggiore del disastro fu contenuta utilizzando acqua di mare. Dopo l'uso, l'acqua era meno radioattiva del mare in cui era stata riversata.

"Anche a Three Mile Island, il peggior incidente degli Stati Uniti, nessuno è morto e il secondo reattore della centrale è ancora in funzione", sottolinea. "A Chernobyl, le persone che hanno lasciato la zona dopo il disastro hanno un'aspettativa di vita inferiore a quella di chi è rimasto.

"Considerando la tecnologia nel suo complesso, l'opinione pubblica deve capire che in realtà è piuttosto difficile mandare in tilt un reattore nucleare di qualsiasi tipo."

Una versione completa di questo articolo sarà pubblicata nel numero del primo trimestre del 2025 della rivista Power Progress International