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:

  • reattori a sali fusi (MSR) che utilizzano sali liquidi a temperature elevate,
  • 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.

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