Breve storia dell’Energia Nucleare: L’energia nucleare ha preso piede nella seconda metà del XX secolo, grazie agli sviluppi della fisica nucleare e alla scoperta della fissione nucleare da parte di scienziati come Enrico Fermi. Dopo la Seconda Guerra Mondiale, l’attenzione si è rivolta alle applicazioni civili della tecnologia nucleare, culminando nella costruzione dei primi reattori nucleari per la produzione di energia elettrica. Il primo reattore nucleare civile è stato attivato nel 1954 a Obninsk, in Russia.

Reattori di IV Generazione: I reattori nucleari di IV generazione sono l’evoluzione della tecnologia nucleare, mirati a migliorare l’efficienza del combustibile, ridurre la produzione di scorie, aumentare la sicurezza e minimizzare i rischi di proliferazione nucleare.

Contesto Storico e Globale: L’energia nucleare ha iniziato a svolgere un ruolo significativo nella produzione di energia globale dalla metà del XX secolo. L’avvento dei reattori di IV generazione ha introdotto una spinta verso sistemi più sicuri, efficienti e sostenibili, progettati per utilizzare il combustibile in modo più efficiente, ridurre i rifiuti radioattivi e migliorare la sicurezza operativa.

Dettagli Tecnici: I reattori di IV generazione si distinguono per l’uso di materiali innovativi e refrigeranti avanzati, come il sodio liquido o i sali fusi, che consentono di operare a temperature più elevate, aumentando l’efficienza termica e riducendo il rischio di incidenti gravi grazie a sistemi di sicurezza passivi.

Impatto Ambientale e Gestione delle Scorie: La gestione delle scorie nucleari rappresenta una sfida cruciale per l’industria nucleare. I reattori di IV generazione mirano a minimizzare questo problema attraverso il riciclo del combustibile esaurito e la riduzione della quantità e della tossicità dei rifiuti prodotti.

Casi di Studio e Applicazioni Pratiche: Esempi di implementazione di reattori di IV generazione includono il progetto di reattore veloce refrigerato a sodio in Francia e il reattore ad alta temperatura raffreddato a gas in Cina, dimostrando la fattibilità e i benefici dei reattori avanzati.

Sfide e Critiche: Nonostante i progressi, i reattori di IV generazione affrontano sfide come l’accettazione pubblica, i costi di sviluppo e le complesse normative. È fondamentale affrontare queste questioni per garantire il successo a lungo termine dell’energia nucleare.

Prospettive Future: I reattori di IV generazione hanno il potenziale per svolgere un ruolo chiave nella transizione energetica, offrendo una fonte di energia a basse emissioni di carbonio. La loro evoluzione continuerà a concentrarsi sull’ottimizzazione della sicurezza e dell’efficienza

Figura 1:Mini Reattori di IV generazione.)

In Italia il ministro Gilberto Pichetto Fratin ha annunciato un nuovo approccio al nucleare, definito “sostenibile”, che si allontana dalle grandi centrali per adottare tecnologie innovative. L’obiettivo è superare i limiti dei reattori di vecchia generazione, come quelli di Chernobyl, e muoversi verso opzioni più sicure e con minor impatto ambientale. A questo scopo, è stata istituita la Piattaforma sul Nucleare Sostenibile (PNNS), (mase.gov.it)un organismo che si propone di definire un percorso concreto verso la possibile reintroduzione dell’energia nucleare in Italia. Questo comprende anche le opportunità di sviluppo per l’industria nazionale già attiva nel settore nucleare.

Il ministro ha sottolineato l’importanza degli Small Modular Reactors (SMR) è un reattore nucleare a fissione, di dimensioni e potenza inferiori rispetto ai reattori convenzionali, prodotto in fabbrica e trasportato in loco per l’installazione.

Ecco come funzionano e alcuni dei loro vantaggi e svantaggi:

1. Funzionamento dei SMR:
   • Nel cuore del reattore si trova il combustibile nucleare, come l’uranio-235.
   • Quando il combustibile viene bombardato da neutroni, si divide in nuclei più piccoli, rilasciando una grande quantità di energia sotto forma di calore.
2. Vantaggi dei SMR:
   • Sicurezza avanzata: I SMR utilizzano sistemi di sicurezza passivi, riducendo la dipendenza dai sistemi attivi e migliorando la sicurezza.
   • Modularità: I componenti principali del sistema di produzione di vapore nucleare (NSSS) vengono fabbricati in fabbrica e poi trasportati al sito, riducendo i tempi di costruzione.
   • Costi di costruzione e finanziamento: I SMR richiedono un investimento iniziale inferiore e possono facilitare il finanziamento grazie alla loro efficienza di costruzione.
3. Svantaggi dei SMR:
   • Produzione su larga scala: I benefici economici si applicano principalmente al n-esimo reattore prodotto. La produzione su larga scala è necessaria per ottenere questi vantaggi.
   • Processo di licenza: Il processo di licenza per nuovi design di reattori è lungo e costoso

Questo mini-reattore potrà generare fino a 50 MW di elettricità, anche se si sta lavorando per aumentare il suo potere fino a 77 MW, essendo modulare può essere ampliato in loco senza nessuna difficoltà. Esempio: se composto da 6 moduli può generare fino a 462 MW. Purtroppo, in più, ci sono molte sfide da affrontare, come quella delle scorienucleari, che, a quanto pare, rappresentano il vero tallone d’Achille delle tecnologie SMR rispetto a quelle tradizionali. A lanciare un grido d’allarme è nientemeno che uno studio portato avanti dagli scienziati della Stanford University e della University of BritishColumbia, secondo il quale i mini-reattori nucleari produrranno fino a 30 volte più scorie rispetto a quelli delle centrali a fissione convenzionali.

TerraPower di Bill Gates: inizia la costruzione del reattore nucleare Natrium.

In particolare, il reattore Natrium, sviluppato da TerraPower e GE Hitach è situato vicino Kemmerer, nel Wyoming, ed è da 345 MW. Si tratta di un traguardo importante per il settore dell’energia nucleare negli Stati Uniti, è un esempio di reattore di quarta generazione. Utilizza sodio liquido come refrigerante, consentendo operazioni a temperature molto più alte rispetto ai reattori tradizionali a base acqua, migliorando l’efficienza e riducendo i rischi legati alla pressione e al surriscaldamento.

Figura 2: i reattori Natrium, sviluppato da terraPower e GE Hitachi.

Mentre il nucleare sostenibile promosso dal ministro Pichetto Fratini rappresenta un concetto ampio che comprende varie tecnologie avanzate, il reattore Natrium è un modello specifico di queste tecnologie innovative, con caratteristiche distintive che lo rendono un punto di riferimento nel settore del nucleare di nuova generazione.

Questa scelta offre diversi vantaggi:

• Alta Temperatura Operativa: Il sodio liquido permette al reattore di operare a temperature molto più elevate rispetto ai reattori che utilizzano acqua come refrigerante. Questo aumenta l’efficienza termica del ciclo energetico.
• Sicurezza Migliorata: Il sodio non subisce un aumento di pressione significativo quando si scalda, a differenza dell’acqua. Questo riduce il rischio di esplosioni in caso di guasti o incidenti.
• Efficienza del Combustibile: Il reattore Natrium è progettato per utilizzare il combustibile in modo più efficiente, riducendo la quantità di scorie prodotte e potenzialmente permettendo il riciclo del combustibile esaurito.
• Integrazione con le Energie Rinnovabili: Il design del reattore Natrium include un sistema di accumulo termico che può essere utilizzato per bilanciare la variabilità delle fonti di energia rinnovabile, come il solare e l’eolico.

Altri reattori di IV generazione esplorano diverse tecnologie e refrigeranti, come:

• i reattori a sali fusi (MSR) che utilizzano sali liquidi a temperature elevate,
• i reattori raffreddati ad elio (VHTR) che possono operare a temperature ancora più alte, e i reatori raffreddati a piombo (LFR) che offrono una buona sicurezza passiva.

L’approccio al nucleare sostenibile e i reattori di IV generazione, come il reattore Natrium, offrono numerosi benefici energetici e contribuiscono alla sicurezza energetica globale in risposta ai cambiamenti climatici. Ecco un’espansione del contenuto fornito:

Benefici Energetici e Impatto sulla Sicurezza Energetica:

• Efficienza Termica Elevata: Grazie all’utilizzo di sodio liquido, il reattore Natrium opera a temperature superiori, migliorando l’efficienza termica e quindi la produzione di energia.
• Riduzione dei Rifiuti Nucleari: L’efficienza del combustibile dei reattori di IV generazione riduce la quantità di scorie nucleari, contribuendo a un ambiente più pulito.
• Sicurezza Avanzata: La minore pressione del sodio liquido riduce il rischio di incidenti, rendendo l’energia nucleare più sicura per l’umanità.
• Integrazione con Rinnovabili: L’accumulo termico del reattore Natrium permette di compensare l’intermittenza delle fonti rinnovabili, stabilizzando la rete energetica.

Impatto dell’Aumento della Temperatura sui Pannelli Fotovoltaici: L’efficienza dei pannelli fotovoltaici diminuisce all’aumentare della temperatura a causa del calo del potenziale di tensione.

Figura 3: Impatto dell’aumento della temperatura sui pannelli fotovoltaici.

Questo fenomeno è descritto dalla relazione:

ΔV=−qk⋅T​⋅ln(I0​I+I0​​)

dove:

• ( \Delta V ) è la variazione del potenziale di tensione,
• ( k ) è la costante di Boltzmann,
• ( T ) è la temperatura in kelvin,
• ( q ) è la carica dell’elettrone,
• ( I ) è la corrente generata dal pannello,
• ( I_0 ) è la corrente di saturazione del diodo.

Con l’aumento di ( T ), il termine ( -\frac{k \cdot T}{q} ) aumenta, causando una riduzione di ( \Delta V ) e quindi dell’efficienza energetica del pannello.

In conclusione, mentre i reattori di IV generazione come il Natrium offrono un percorso verso un’energia nucleare più sicura e sostenibile, è importante considerare anche l’impatto delle temperature elevate sull’efficienza dei sistemi fotovoltaici, specialmente in contesti di cambiamenti climatici. La ricerca continua e l’innovazione sono essenziali per ottimizzare entrambe le tecnologie a beneficio dell’umanità e del nostro pianeta.

Teoria della Forma applicati alla progettazione di una Smart City: 

La ricerca della dimensione ottimale della città è un dibattito antico quanto la filosofia stessa, con Platone e Aristotele che riflettevano sul numero ideale di residenti per garantire autosufficienza e armonia. Oggi, questo dibattito si evolve nel contesto delle smart city, dove la dimensione urbana e l’unità di vicinato giocano ruoli fondamentali nella creazione di ambienti vivibili e sostenibili.

La dimensione della città influenza direttamente la vita quotidiana dei suoi abitanti. Le grandi città tendono a offrire maggiori opportunità economiche, con redditi reali e produttività più elevati. Tuttavia, problemi come il congestionamento del traffico spesso derivano non tanto dalla dimensione complessiva, ma dalla densità e dalla gestione dello spazio urbano.

L’unità di vicinato, un concetto che risale agli anni ’20, rimane un principio guida nella progettazione urbana integrato oggi con la creazione dei “quartieri modulo”, enfatizzando la necessità di creare comunità a misura d’uomo. Queste unità sono progettate per essere completamente autosufficienti, con una forte enfasi sulla sostenibilità ambientale e sullo sviluppo territoriale equilibrato.

La teoria della forma ci insegna che la progettazione urbana deve essere intenzionale e riflessiva, con gli elementi fisici della città – edifici, strade, spazi pubblici – combinati in modo da creare un ambiente funzionale ed esteticamente piacevole. Nel contesto delle smart city, questo significa integrare soluzioni tecnologiche avanzate per migliorare la qualità della vita, ottimizzare l’uso delle risorse e incrementare l’efficienza dei servizi.

In conclusione, le smart city del futuro devono essere progettate con un occhio attento alla dimensione urbana e all’unità di vicinato, assicurando che la tecnologia migliori la vita urbana anziché complicarla. Questi principi non rappresentano solo un obiettivo tecnologico, ma un modello per una vita urbana più integrata e sostenibile, dove ogni quartiere modulo contribuisce alla coesione sociale e alla resilienza ambientale.

La meccanica quantistica è una delle fondamenta della fisica moderna e descrive il comportamento delle particelle a livello subatomico. È un campo che ha rivoluzionato il nostro modo di vedere l’universo, introducendo concetti come la dualità onda-particella, l’entanglement quantistico e il principio di indeterminazione di Heisenberg.

L’evoluzione della meccanica quantistica inizia con la teoria dei quanti di Max Planck all’inizio del XX secolo, che ha introdotto l’idea che l’energia è quantizzata. Successivamente, Albert Einstein ha proposto il concetto di fotone, una particella di luce con proprietà quantistiche, nel suo spiegazione dell’effetto fotoelettrico.

La formulazione matematica della meccanica quantistica è stata sviluppata da Erwin Schrödinger e Werner Heisenberg negli anni ’20. Schrödinger ha introdotto l’equazione d’onda che porta il suo nome, che descrive come cambia lo stato di un sistema quantistico nel tempo. Heisenberg, d’altra parte, ha formulato il principio di indeterminazione, che stabilisce limiti alla precisione con cui si possono conoscere contemporaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella.

Uno degli aspetti chiave della meccanica quantistica è l’operatore di evoluzione temporale, che agisce su uno stato del sistema e ne determina l’evoluzione nel tempo. Questo operatore è fondamentale nell’equazione di Schrödinger dipendente dal tempo. Inoltre, la meccanica quantistica ha portato allo sviluppo di nuove interpretazioni e formulazioni, come l’interpretazione di Copenaghen, la meccanica quantistica relativistica e la teoria dei campi quantistici.

Con il passare del tempo, la meccanica quantistica ha continuato a evolversi e a espandersi, influenzando non solo la fisica, ma anche la chimica, la biologia, l’informatica e persino la filosofia. Oggi, la ricerca in meccanica quantistica include lo studio dell’informazione quantistica, la computazione quantistica e le tecnologie quantistiche, che promettono di portare rivoluzioni in vari campi.

La conoscenza della meccanica quantistica può sicuramente contribuire allo sviluppo di Smart city più efficienti e meglio strutturate. Le tecnologie quantistiche offrono nuove possibilità in diversi settori che sono fondamentali per le città intelligenti, come la sicurezza informatica, la gestione dei dati e la sensoristica avanzata.

Per esempio, i sensori quantistici possono utilizzare fenomeni come l’entanglement quantistico per migliorare la precisione e l’accuratezza delle tecnologie di rilevamento. Questi sensori sono particolarmente utili per la navigazione in situazioni in cui il GPS non è disponibile, poiché sono inattaccabili e adatti all’uso in qualsiasi condizione atmosferica.

Inoltre, il calcolo quantistico può gestire un insieme più ampio di variabili contemporaneamente e processare le informazioni in modo esponenzialmente più veloce rispetto ai computer classici. Questo può essere particolarmente utile per l’ottimizzazione dei sistemi di trasporto urbano, la gestione energetica e l’analisi di grandi quantità di dati, che sono tutti aspetti cruciali per le Smart city.

La trasformazione digitale gioca un ruolo chiave nel rendere le città non solo intelligenti, ma anche più sostenibili. L’integrazione di tecnologie avanzate come BIM/GIS, Digital Twin, IoT, Cloud Computing e AI è essenziale per la creazione di Smart Sustainable City. La meccanica quantistica, e in particolare il calcolo quantistico, può integrarsi in questi sistemi per migliorare ulteriormente la loro efficienza e sostenibilità.

In conclusione, mentre la tecnologia quantistica è ancora in una fase di sviluppo e potrebbe richiedere tempo prima di raggiungere una scala commerciale, il suo potenziale impatto sulle Smart city è significativo e potrebbe portare a innovazioni rivoluzionarie nel modo in cui le città sono pianificate, costruite e gestite.