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Contatti I REATTORI
NUCLEARI AD ALTA TEMPERATURA (HTR) NELLA PROSPETTIVA ENERGETICA
FUTURA N. CERULLO1,
G. LOMONACO2, V. ROMANELLO3 1Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione,
Università degli Studi di Pisa, via Diotisalvi, 2 – 56126 Pisa, Italia 1Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli
Matematici, Università degli Studi di Genova via dell'Opera Pia,15/a – 16145 Genova,
Italia 2Dipartimento di Energetica, Università degli Studi di Pisa, via Diotisalvi, 2 – 56126 Pisa, Italia 3Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, Università degli Studi di
Lecce, via per Arnesano – 73100 Lecce, Italia 1. INTRODUZIONE Gli
ultimi anni del XX secolo sono stati sicuramente segnati da notevoli
cambiamenti sociali ed innovazioni tecnologiche: queste ultime, insieme ad un
generale miglioramento delle condizioni di vita, hanno però portato anche ad una
crescita vertiginosa nel campo dei consumi [1]. Non fa eccezione l’ambito
energetico come risulta dal grafico riportato in Figura 1. Basti pensare che
se i consumi mondiali di energia nel 1850 si attestavano attorno ad un
miliardo di tonnellate equivalenti di petrolio (TEP), nel 1900 salivano a 1.8
miliardi di TEP, hanno raggiunto i 10 miliardi nel 2000 [2] e si prevede (per
difetto) che arriverà a più di 25 miliardi nel 2050.
Figura 1. Consumo Energetico Mondiale dal 1850 al 2050 Da
questi numeri risultano chiari i termini del problema dell’approvvigionamento
energetico. Nel vertice mondiale sullo sviluppo sostenibile tenutosi a
Johannesburg nel 2002 è emerso che l’energia rappresenta allo stesso tempo
sia il problema che la soluzione: essa è indispensabile per lo sviluppo, ma
un sicuro ed economico approvvigionamento energetico, ed il conseguente
impatto ambientale legato alla sua produzione, possono rappresentare talora
una questione di difficile soluzione. Oggi sono circa due miliardi le persone
che non hanno accesso a forniture di energia, ma si auspica che questo numero
sia destinato a diminuire. L’aumento della richiesta di energia entro il 2050
sarà legato a: -
generale aumento della popolazione -
aumento della popolazione che abiterà in centri urbani [3] -
aumento generale del benessere -
aumento “esplosivo” dei paesi in via di sviluppo (ad esempio, il consumo pro capite di paesi
come Cina e India si aggira oggi intorno ad 1/10 di quello degli USA [3]) -
comodità e versatilità dell’energia elettrica Rebus
sic stantibus quasi tutti i paesi sono
oggi attivamente impegnati nella
ricerca di nuove fonti di energia. Per il benessere di tutti è necessario che
tali fonti siano immuni da monopoli, a
basso prezzo, disponibili e, soprattutto, compatibili con l’ambiente. Il
requisito prima citato della disponibilità è di primaria importanza in
quanto, oltre all’aumento della richiesta di energia dovuta all’elevazione
del tenore di vita dei paesi sviluppati, bisogna tenere conto della
prevedibile aumentata richiesta da parte dei paesi in via di sviluppo che è
la quota che inciderà maggiormente sull'aumento totale [3]. Nella Figura 2 è
riportata una illustrazione della crescita effettiva e prevedibile della
popolazione mondiale riferita ai paesi sviluppati, in via di sviluppo e
sottosviluppati. Questa figura, drammatica nella sua evidenza, mette in luce
l’improcrastinabilità della questione energetica, sia dal punto di vista
della disponibilità delle risorse che dell’impatto ambientale. Last
but not least, non deve essere
dimenticato sia il trend dei prezzi dei prodotti petroliferi che, soprattutto
in questi ultimi tempi anche per motivi politici, è in continuo rialzo sia,
in un quadro più realistico, la prospettiva, in tempi medio-brevi, di
esaurimento delle scorte [5]. Non và sottaciuta inoltre l’importante
considerazione che sia il metano che il petrolio rappresentano dei preziosi
elementi di sintesi, essenziali e sostanzialmente insostituibili per molti procedimenti
tecnologici. Quindi il loro attuale bruciamento appare anche
termodinamicamente insensato.
Figura 2. Crescita della popolazione mondiale per regioni [4] Alla
luce di quanto esposto, appare evidente l’importanza presente, ma soprattutto
futura, del ruolo ricoperto nell’ambito del panorama internazionale
dall’energia nucleare. Infatti
anche dopo l’incidente di Chernobyl (26 aprile 1986) la produzione di energia
nucleare nel mondo è continuata a crescere (aumento del 44% da allora ad
oggi). Si può rilevare che attualmente ci sono 31 nuove centrali in
costruzione [6]. L’energia nucleare copriva meno del 3% del fabbisogno
elettrico nel mondo nel 1971, valore che è salito a circa il 16% nel 2003
(Figura 3).
Figura 3. Evoluzione della Produzione Elettrica nel mondo dal 1971 al 2003 In
Italia, al contrario, l’opzione nucleare è stata completamente abbandonata
con conseguente perdita, oltre che di una fonte di energia, anche del
know-how e della capacità delle nostre industrie di lavorare nel settore.
Comunque sono in corso in Italia, seppur in maniera ancora troppo limitata,
ripensamenti su questa decisione. Anche se, per timore di sembrare non “politically correct”, nessuno ha il
coraggio di formulare proposte concrete, una spinta al ritorno al nucleare
viene oggi dagli stessi ambientalisti che si sono resi conto che questa forma
di energia è quella realmente meno inquinante [7]. Infatti, in un recente
articolo scritto da James Lovelock sull’Independent e ripreso dall’Unità [7],
il “guru” verde, autore dell’ipotesi di Gaia, chiaramente afferma, “senza
se e senza ma”, che la via nucleare è l’unica che possa salvarci da un
tracollo generale. Egli taglia corto con le molto futuribili fonti di energia
rinnovabili e conclude, che solo un uso massiccio dell’energia nucleare è
l’unica decisione possibile. Citiamo testualmente due righe che sintetizzano
il senso dell’articolo: “We have no time to experiment with visionary
energy sources; civilisation is in imminent danger". Ciò
premesso, si ritiene opportuno sottolineare che, fra i vari progetti proposti
nell'ambito degli impianti nucleari, sempre maggior interesse suscita, a
livello internazionale, la filiera dei reattori nucleari a gas ad alta
temperatura (HTR o HTGR come questi reattori sono chiamati, rispettivamente,
in Europa e negli Stati Uniti). In
realtà, per vari motivi, legati soprattutto alla realizzazione negli anni ‘50
di reattori ad acqua leggera per i sommergibili a propulsione nucleare, il
reattore HTR a ciclo diretto, il primo ad essere proposto subito dopo
l’esperimento di Fermi [8], è stato ingiustamente trascurato con
conseguente mancato sviluppo. Il
presente articolo dunque, riprendendo la tematica già affrontata nel 1994[8],
si propone di illustrare i più recenti e significativi sviluppi (anche
sperimentali) in questo campo e le promettenti prospettive future. Tra queste
la possibilità di produrre idrogeno e quella di contribuire a ridurre
significativamente la pericolosità potenziale a lungo termine delle scorie
nucleari. 2. I recenti sviluppi dei reattori a gas ad alta temperatura In
un articolo pubblicato nel 1994 [8] è stata illustrata l’evoluzione storica
di questa filiera di reattori fino alla metà degli anni ’90 e sono stati
forniti i dati tecnici principali dell’epoca. Comunque
ci sembra opportuno richiamare quella che è attualmente la caratteristica
fondamentale dei reattori HTR, cioè l’uso del microelemento di combustibile
(Coated Particle, CP di tipo a tre strati, TRISO). Queste microsfere costituiscono
la base dei tre tipi di elementi di combustibile comunemente usati in questi
reattori (Figura 4) cioè:
Figura 4. Differenti elementi di combustibile per gli HTR -
tipo a sfera o Pebble (omogenea distribuzione delle CP nelle pebble stesse, Figura
4a); -
tipo a blocchi o Block type (CP concentrate in compact costituenti le
barrette a loro volta inseriti in un matrice di grafite, Figura 4b); -
tipo Pin-in-Block (dove i compact, simili ai precedenti, sono però forati
centralmente ed incamiciati prima di essere inseriti in un matrice di
grafite, Figura 4c). Da
un punto di vista impiantistico, negli anni ‘90 gli HTR hanno subito un
importante sviluppo, quando, tornando all'originaria concezione di Daniels
del 1944 [8], è stato eliminato il ricorso ad un ciclo secondario con il
vapor d'acqua, impostando il ciclo diretto di elio in turbina [9]. Nel
decennio trascorso vi sono state una serie di innovazioni, tra cui la più
significativa è quella di poter raggiungere elevati tempi di irraggiamento
(ultra high burnup) grazie a miglioramenti nella costruzione dell’elemento
combustibile e nella scelta della sua composizione. In questi anni il
reattore è passato da una fase di prudente attesa ad una rinascita
evidenziata dalla presenza, in varie zone del mondo, di nuovi progetti per
alcuni dei quali i prototipi sperimentali sono già operativi [10]. Nella
Figura 5 è evidenziata la semplificazione conseguente all’eliminazione del
circuito secondario ad acqua dei reattori HTR di vecchio tipo (parte destra
della figura).
Figura
5. Evoluzione del reattore HTR: eliminazione del loop
secondario di scambio gas/acqua Tale
modifica è stata possibile grazie ai nuovi materiali resisi nel frattempo
disponibili ed in particolare ai nuovi acciai e superleghe al nichel per le
turbine che rendono compatibile l'uso di elio, anche a temperature superiori
ai 900°C. Questo miglioramento ha portato una serie di rilevanti vantaggi: · Aumento del rendimento dal 30-35% a circa
il 50% con lo sfruttamento integrale dell'elevata temperatura di uscita del
refrigerante dal nocciolo (Figura 6);
Figura 6. Aumento del rendimento di impianto con l’uso del ciclo diretto. A
sinistra il ciclo a vapore, a destra quello a gas [11] · Notevole semplificazione impiantistica
(Figura 7) con conseguenti ulteriori vantaggi in termini di sicurezza e di
costi. In tale figura, infatti è rappresentata la schematizzazione sommaria
dei componenti di un reattore nucleare ad acqua leggera “classico” (LWR) e
viene evidenziato quali di questi sono eliminati in un HTR a ciclo diretto;
Figura 7. Semplificazione impiantistiche passando da un LWR ad un HTR [11] · Aumento della sicurezza, con l'esclusione
della possibilità di ingresso di acqua nel nocciolo; · Diminuzione dei costi di impianto; Questa
filiera di reattori è stata presa in considerazione fra quelle candidate per
l’impiego in un prossimo futuro in campo mondiale, caratterizzate da una
elevata sicurezza intrinseca, da impatto ambientale pressoché nullo e da un
costo dell’energia prodotta competitivo anche con i cicli combinati (Figura
8).
Figura 8. Comparazione dei costi di impianto fra il ciclo combinato, LWR e HTR
[11] Ricerche
su questa filiera sono in corso anche nella Comunità Europea (EC) nell’ambito
del quinto e del sesto programma quadro [12][13]. Nella Figura 9 sono
simbolicamente riportati i loghi dei partecipanti alle ricerche sugli HTR
nell’ambito del 6° programma quadro della EC.
Figura 9. Organizzazioni partecipanti al programma RAPHAEL sugli HTR
nell’ambito del 6° programma quadro della EC 3. I reattori HTR sperimentali In
ambito mondiale sono stati realizzati
e sono in funzione due reattori
sperimentali, uno in Giappone della JAERI [14] del tipo a blocchi (HTTR) ed
un altro in Cina dall’ INET dell’Università di Tsinghua [15] del tipo a
pebble (HTR-10). La costruzione del reattore HTTR refrigerato ad elio e
moderato a grafite è stata decisa allo scopo di migliorare la tecnologia di base
degli HTR e condurre ricerche di tipo innovativo ad alte temperature. La
costruzione del reattore, nonché tutta la serie di test in esso svolti, sono
frutto di un ampia collaborazione internazionale (Figura 10).
Figura 10. Collaborazioni internazionali per il progetto HTTR Attualmente
il reattore è in funzione e già numerose esperienze sono state condotte
utilizzando tale impianto. In particolare è importante sottolineare che
questo reattore è stato assunto come base per lo studio della possibilità di
utilizzare gli HTR per la produzione di idrogeno (Figura 11).
Figura
11. Diagramma comparativo
sulla possibilità di utilizzazione del calore prodotto in un LWR ed in un
HTR, con particolare riguardo alla produzione di idrogeno Il
secondo reattore sperimentale HTR in avanzata fase di sviluppo è invece, come
già detto, di tipo a pebble (Figura 12).
Figura 12. Edificio del reattore cinese HTR-10 Il
design di questo reattore prende spunto dai precedenti progetti tedeschi
(SIEMENS/FRAMATOME) e nasce come joint-venture fra Cina e Germania. E’ stato
costruito a nord-est della città di Pechino e, nonostante alcuni ritardi, è
arrivato ormai alla fase dell'effettuazione dei primi esperimenti. Anche esso
si è avvalso di un ampia collaborazione internazionale ed è stato progettato
per condurre una serie di esperimenti, fra cui: -
irradiazione per combustibile e per i materiali; -
controllo dell’eventuale rilascio di prodotti di fissione dalle microsfere
(CP); -
sfruttamento del calore di processo di origine nucleare. 4. I nuovi
progetti di reattori HTR commerciali Nel
paragrafo precedente abbiamo illustrato le realizzazioni sperimentali. Esse
devono servire per fornire i dati necessari alla progettazione degli impianti
industriali di questo tipo. Da rilevare che una delle caratteristiche comuni
a questi reattori è la taglia relativamente ridotta (centinaia di MWt) con la
possibilità del loro utilizzo modulare. Dal punto di vista delle attuali
tendenze, sono sostanzialmente in avanzata fase di studio tre tipologie di
HTR: -
il reattore GT- MHR (studiato principalmente dalla General Atomics e da un
consorzio russo); -
il reattore PBMR (tipo a pebble della sudafricana ESKOM); -
il reattore VHTR a ciclo indiretto (proposto da AREVA-FRAMATOME). Ripetiamo
che, tutti gli HTR moderni presentano notevoli punti di forza: -
sono economici da costruire; -
sono economici da esercire; -
hanno ridotti tempi di costruzione; -
sono assolutamente esenti da emissioni di gas serra. Comunque
la caratteristica più rilevante di questi reattori è costituita dalla loro
intrinseca sicurezza, legata a: -
uso delle particelle rivestite negli elementi di combustibile (TRISO CP) che
assicurano una elevata capacità di ritenzione dei prodotti di fissione; -
uso della grafite quale moderatore (stabile fino a 2800 °C, ben al di sotto
dei 1600 °C, temperatura massima di progetto); -
uso dell’elio come refrigerante (gas nobile che praticamente non subisce
attivazione neutronica durante il funzionamento); -
bassa densità di potenza e grande capacità termica (transitori lenti). GT-MHR Il
reattore GT-MHR costituisce probabilmente il primo progetto commerciale di
reattore HTR "moderno". Fra le sue peculiarità, va evidenziata
l'estrema compattezza dell'intero impianto costituito da due soli recipienti
in pressione collegati da un'unica tubazione (Figura 13); questo risultato è
stato possibile anche grazie alla decisione di calettare la turbina, i
compressori e l'alternatore su di un unico albero.
Figura 13. Il reattore GT-MHR della General Atomics Tutta
una serie di componenti per questo reattore sono state sviluppate o sono in
fase avanzata di studio.
Figura 14. Impianto GT-MHR nella sistemazione sotterranea Molto
interessante anche dal punto di vista della sicurezza è la soluzione adottata
di costruire l'intero impianto completamente sotto il livello del suolo
(Figura 14), soluzione possibile anche grazie alla sua piccola taglia. In
questo modo è possibile permettere la rimozione passiva del calore residuo in
situazioni incidentali mediante conduzione e di aumentare la sicurezza del
contenimento. Infine è importante rilevare la relativa semplicità
dell'impianto con conseguenti ovvie semplificazioni in fase di controllo e
regolazione dello stesso. PBMRTra
gli sviluppi recenti occorre menzionare che la Eskom, compagnia della
Repubblica Sudafricana che fornisce il 95% dell’energia elettrica del paese,
ha varato nel 1993 il progetto di un reattore modulare ad alta temperatura:
il PBMR [16] (Pebble Bed Modular Reactor). Esso ha rappresentato una sorta di
evoluzione fra i reattori “classici” e gli HTR di concezione avanzata; in
questo modello di reattore si avevano tre distinti recipienti in pressione,
uno per ciascuna delle turbine (alta, media e bassa pressione). Tale
soluzione consentiva di limitare le sollecitazioni meccaniche nel gruppo
turboalternatore, ma ha reso indubbiamente più complessa la disposizione
impiantistica con un aumento delle tubazioni presenti per collegare le varie
parti dell'impianto. Ultimamente (nel 2005) il progetto è stato modificato
rendendo sicuramente meno complessa la concezione impiantistica (Figura 15).
Figura 15. Il reattore PBMR [16] In
aggiunta a ciò, va altresì sottolineato che questo reattore è attualmente
giunto ad uno stadio molto avanzato nell'ambito del processo dell’iter
autorizzativi che porta al permesso di esercire l’impianto (licensing) presso l'autorità di
controllo sudafricana. Questo tipo di reattore presenta la peculiarità di
permettere una ricarica continua del combustibile: non è quindi necessario
disporre di un grande eccesso di reattività iniziale nel nocciolo, con
conseguenti vantaggi in termini di sicurezza. VHTR
(AREVA) Il
reattore VHTR (Very High Temperature Reactor) a gas, ma con ciclo indiretto
(Figura 16), è stato recentemente proposto dall’AREVA (consorzio formato da
varie società fra cui FRAMATOME, COGEMA, etc.). Ha la particolare
caratteristica di essere progettato per produrre oltre che energia elettrica
anche idrogeno. Come si vedrà in seguito è questa una delle nuove prospettive
per l’uso dei reattori a gas ad alta temperatura che viene ulteriormente
elevata (1000°C) sicché essi prendono il nome di VHTR. Il fatto di dover
accoppiare un impianto nucleare con un impianto chimico obbliga ad usare un
ciclo indiretto con la presenza di uno scambiatore di calore gas/gas.
Figura 16. Il reattore VHTR della AREVA 5. La
produzione di idrogeno Come
anticipato, fra le favorevoli caratteristiche di questa filiera di reattori
vi è la possibilità di produrre idrogeno in grandi quantità. Negli
ultimi tempi si è proposto da più
parti di utilizzare tale elemento chimico in sostituzione dei combustibili
fossili nel campo dell’autotrazione [17]: vari studi hanno evidenziato che
propulsori alimentati ad idrogeno, opportunamente progettati, darebbero luogo
ad un impatto ambientale ridottissimo o praticamente nullo. A
questo punto è bene chiarire un grosso equivoco comunemente diffuso a livello
di stampa. Si parla infatti oggi della transizione verso una supposta
“economia all’idrogeno”. Si tratta di un’affermazione completamente errata,
di una vera e propria “leggenda metropolitana”. Bisogna ricordare infatti che
l’idrogeno, ancorché abbondantissimo in natura (rappresenta fino al 75% della
materia visibile dell’universo), si trova allo stato libero solo in piccole
quantità, comunque non utilizzabili: va quindi prodotto con opportuni
procedimenti industriali (che consumano
energia). Trattasi quindi di un vettore energetico, e non certo
di una fonte. Poiché nella combustione produce vapor d’acqua, chiaramente
esso non è affatto inquinante. Però, per una vera transizione ad una economia
legata all’idrogeno, è necessario disporre di una fonte primaria per la sua
produzione che sia abbondante, sicura, economica e compatibile con
l’ambiente. Oggi
l’idrogeno viene prodotto principalmente per steam reforming del
metano (di cui circa metà brucia fornendo l’energia per il processo e metà
viene usato quale reagente); tuttavia tale fonte si dimostra adeguata solo
per gli attuali utilizzi industriali (quali, ad esempio, la fabbricazione
dell’ammoniaca). Come già detto, il metano è un gas prezioso, soggetto a
notevoli oscillazioni di prezzo, non disponibile per tutti; inoltre il
processo di steam reforming libera anidride carbonica nell’atmosfera
(7 Kg di CO2 per ogni Kg di H2), monossido di
carbonio, combustibile incombusto (metano), prodotti di combustione. Bisogna
tener conto che una notevole quantità di CO2 (il 45% del totale) viene emessa
durante la sola combustione necessaria a fornire il calore alla reazione
chimica. Infine non va dimenticato che il metano è, dal punto di vista del
potenziale di riscaldamento globale, 21 volte più dannoso della CO2 [18].
Questo processo evidentemente non può essere considerato una soluzione del
problema dal punto di vista energetico, ecologico ed economico. Sono
stati proposti altri processi per la produzione di questo gas, ma molti di
questi rappresentano tecnologie ancora in via di sviluppo, e comunque
antieconomiche. In
questo quadro gli HTR, con la loro capacità di produrre calore ad alta
temperatura in assenza di emissioni, rappresentano un punto di partenza per
lo studio di nuovi processi (o di modifiche degli attuali) che possano
effettivamente condurre ad un uso diffuso dell’idrogeno nei trasporti. Un
primo processo che si può utilizzare è una modifica dell’attuale steam
reforming, utilizzando per la reazione il calore di origine nucleare. Si
risparmierebbe quindi la produzione della CO2 emessa durante la combustione.
Poiché il processo è ben conosciuto industrialmente, sarà probabilmente fra i
primi ad essere utilizzato su ampia scala, ma risolverebbe solo parzialmente
i problemi. Altra
via è quella di utilizzare il ben noto processo dell’elettrolisi. E’ noto
infatti che è possibile scindere le
molecole dell’acqua in idrogeno ed ossigeno usando una corrente elettrica. La
materia prima è l’acqua, abbondante ed economica, ed i prodotti sono
l’idrogeno e l’ossigeno. Però, dato il costo dell’energia elettrica, il
sistema non è economicamente conveniente su ampia scala. Una
interessante variante è rappresentata dalla termoelettrolisi: scaldando il
vapore ad alta temperatura infatti
l’energia elettrica richiesta per l’elettrolisi è assai minore. La
convenienza risiede nel fatto che il calore, essendo energia non trasformata,
è meno caro e pregiato dell’elettricità (a 1000 °C sono necessari 2.4 KWh/m3
contro 3.7 KWh/m3 a temperatura ambiente [19]). Una
via interessante poi sarebbe quella di utilizzare direttamente il calore per
attuare la scissione termochimica
delle molecole dell’acqua; esiste il processo di pirolisi, ma esso è
possibile solo a temperature dell’ordine di 3000 °C, inaccettabili per scopi
industriali. Un
metodo alternativo è allora quello di utilizzare opportuni processi
termochimici che convertano il calore in energia chimica attraverso la
produzione di idrogeno dall’acqua. Fin dagli anni ’70 è emerso un forte
interesse per questo tipo di processi. In particolare il DOE (Department
of Energy) ha commissionato alla General Atomics, ai Sandia
National Laboratories, ed all’Università del Kentucky uno studio
che ha portato alla identificazione di 115 processi possibili per la
produzione termochimica di idrogeno [20]. Tra
questi solo 2 furono considerati di interesse: -
l’UT3 (dell’Università di Tokyo-3), basato sul ciclo Ca – Br – Fe; - l’I-S (iodio
zolfo). I
maggiori rendimenti (fino al 52% [21]) e la natura delle reazioni chimiche
(tutte allo stato fluido, al contrario dell’UT3) fecero preferire
quest’ultimo. Nel
processo I-S l’unico reagente consumato è l’acqua, che viene scissa ad opera
del calore nucleare; il ciclo è chiuso, nel senso che, al di la delle
perdite, tutti gli altri reagenti vengono riciclati. Lo schema del ciclo si
suddivide in tre passi (Figura 17):
Figura 17. Schema del processo I-S (iodio-zolfo) -
Reazione esotermica fra iodio, anidride solforosa ed acqua (che viene
consumata); vengono prodotti acido solforico ed acido iodidrico (reazione
Bunsen) -
Scissione termica dell’acido solforico (a circa 800÷900 °C) in anidride
solforosa, acqua (riciclati) ed ossigeno (utile sottoprodotto del processo) -
Scissione termochimica dell’acido iodidrico con formazione di iodio
(riciclato) ed idrogeno, prodotto dell’impianto. Un
ulteriore sottoprodotto del processo è il calore a 100°C utilizzabile, ad
esempio, ai fini del teleriscaldamento o della desalinizzazione dell’acqua.
Sperimentazioni in questo campo sono tuttora in corso, ma i risultati fin qui
ottenuti sembrano incoraggianti: la JAERI ha ottenuto, in una attrezzatura
sperimentale, la produzione continua di idrogeno (Figura 18).
Figura
18. Produzione sperimentale
di idrogeno e di ossigeno, tramite processo I-S ottenuta dalla JAERI
utilizzando parte dell’energia prodotta dal reattore HTTR (si può notare la
continuità della produzione per 24 ore di 1.2 l/h di idrogeno e 0.6 litri/ora
di ossigeno, in accordo con i calcoli stechiometrici) Il
prossimo passo sarà quello di realizzare attrezzature che provino la
fattibilità industriale del processo. Studi teorici effettuati dalla General
Atomics dimostrano che il rendimento teorico del processo già a 800 °C è dell’ordine
del 40% per arrivare a circa il 60% a 1000 °C. In base a queste
considerazioni la temperatura di 1000 °C è stata assunta come riferimento per
i nuovi reattori HTR (VHTR) proposti in seno all’iniziativa internazionale
GEN-IV (finanziata e supportata dagli USA). Questi
processi per la produzione di idrogeno non sono oggi ancora economicamente
competitivi dati i bassi prezzi del gas naturale; tuttavia alcuni studi [22]
dimostrano che l’introduzione di una anche non esosa carbon tax renderebbe
questo metodo competitivo con quelli attuali (al contrario delle altre più
costose fonti prive di emissioni serra, quali l’eolica o, ancor meno, la
solare, Figura 19).
Figura
19. Costi delle diverse
fonti per la produzione di idrogeno normalizzate a quella del reforming
fossile nell’ipostesi di introduzione di una carbon tax Fra
le difficoltà incontrate da questo processo vi sono problematiche di
sicurezza [23] e la resistenza dei materiali ad ambienti chimicamente
aggressivi e ad alte temperature, problemi comunque superabili e che non
impediscono a questo processo di essere in “pole position” per un
futuro utilizzo dell’idrogeno in maniera realmente non inquinante. 6. I problemi strutturali legati alle alte temperature La
presenza di alte temperature comporta l’insorgenza di problematiche
strutturali nuove rispetto ai reattori nucleari “tradizionali”. Fra i
componenti metallici presenti negli HTR sono particolarmente delicati [24]: -
le barre di controllo e di shut down -
i gruppi turbocompressori -
gli scambiatori di calore -
gli steam reformers (se presenti) Naturalmente
le caratteristiche meccaniche dei materiali sottoposti alle alte temperature
tendono a scadere. E’ necessario quindi cercare di creare materiali a più
alta resistenza e di limitare al massimo le sollecitazioni nei componenti.
Esse consistono principalmente in: -
carichi meccanici a lungo termine -
carichi termici e meccanici ciclici durante l’esercizio -
carichi termici e meccanici a breve termine durante possibili scenari
incidentali -
variazione delle proprietà dei materiali dovuta all’irraggiamento neutronico I
modi di rottura che si possono associare a queste sollecitazioni sono: -
rottura duttile per carichi a breve termine -
rottura per creep per carichi a lungo termine -
fenomeni di fatica e creep-fatica -
distorsioni dovute a collassi incrementali e thermal ratcheting -
instabilità (buckling) Sono
in via di sviluppo leghe atte a resistere alle condizioni sopra elencate; fra
queste troviamo, ad esempio, per gli scambiatori di calore: - Hastelloy X, XR - Incoloy 617 - Thermon 4972 Si
tratta di leghe a base di nichel, cromo e molibdeno sviluppate nell’ambito
delle tecnologia delle turbine a gas. E’ importante notare comunque che
opportune scelte progettuali e adeguati dimensionamenti, anche se con
temperature imposte molto elevate, possono alleggerire sensibilmente i
problemi strutturali. Sono
in corso una serie di ricerche sull’argomento, in particolar modo presso la
JAERI [25]. 7. Il
bruciamento delle scorie L’Unione
Europea dispone attualmente di una potenza elettrica nucleare installata pari
a circa 125 GWe (corrispondente a circa il 35% del totale [1]). In
tale quadro l’Italia a causa del referendum del 1987, ed ancor più della sua
arbitraria interpretazione politica, si trova in una posizione assolutamente
atipica rispetto a tutti i paesi industrializzati [1]. Uno degli argomenti
portati contro una ripresa del nucleare, è quello della produzione e del
destino finale delle scorie, additate come un irresolubile problema. Il che,
dal punto di vista tecnico, è falso, anche perché le scorie vengono prodotte
in quantità contenuta e possono essere opportunamente trattate e controllate. E’
stato calcolato [26] che, se per soddisfare i propri bisogni energetici
nell’arco dell’intera vita, un uomo ricorresse esclusivamente all’uso
dell’energia nucleare, produrrebbe un volume di scorie (già trattate per lo stoccaggio definitivo,
cioè, di norma, vetrificate) delle dimensioni di
una sfera contenuta nel palmo di una mano, Figura 20.
Figura
20. Volume di scorie
prodotte nell’arco della vita di un uomo che abbia usato energia generata
esclusivamente da fonte nucleare A
conferma si può aggiungere che è stata calcolato che la produzione per via
nucleare di 1 KWh per un periodo di 100 anni, genera un volume di scorie di
30 cl [2] (inferiore a quello una lattina di birra). Nella
tematica della ulteriore riduzione della quantità e della pericolosità
potenziale delle scorie, si inquadrano alcune ricerche nel mondo. A questo
scopo possono concorrere, ad esempio, quelle finanziate dalla Comunità
Europea sull’utilizzo dei reattori a gas [12][13]. Attraverso lo studio di
una combinazione ottimale fra i reattori LWR ed i reattori a gas a spettro
termico (HTR) e veloce (GCFR) si può ottenere una minimizzazione delle
scorie, attraverso un bruciamento delle stesse (con produzione di energia). La
filiera HTR permette infatti uno sfruttamento prolungato del combustibile,
consentendo di arrivare a burnup (cioè a tempi di permanenza del combustibile
all’interno del reattore in funzione) ultra-elevati (con combustibili a base di plutonio
dell’ordine di 800000 MWd/t, contro i circa 40000 MWd/t dei reattori attuali), mantenendo il combustibile in condizioni
di esercizio per tempi dell’ordine dei 3 anni (Figura 21). Tali
reattori inoltre, utilizzando gas elio quale refrigerante e grafite quale
moderatore, presentano favorevoli caratteristiche di economia neutronica,
consentendo una particolare flessibilità nella scelta dei cicli del
combustibile [27].
Figura
21. Immagine di una
microparticella a base di ossido di plutonio irraggiata a 747000 MWd/t
dove si evidenzia l’integrità degli strati esterni contenutivi [28] Fra
i cicli studiati per prolungare il funzionamento del reattore si è pensato,
basandosi su una precedente esperienza[29] alla combinazione del plutonio (di prima generazione, ossia quello
derivante dal riprocessamento del combustibile spento dei LWR) con il torio naturale, quale materiale fertile.
Va notato che le riserve di torio stimate nel mondo ammontano a 2.5 volte
circa quelle dell’uranio. Per
quanto riguarda il plutonio (attinide), esso viene inevitabilmente prodotto durante
il funzionamento dei reattori con combustibile a base di uranio. Allo scarico
viene considerato secondo due diverse “filosofie”: negli
USA ed in Svezia, è considerato un rifiuto e quindi viene vetrificato e
sepolto in siti geologicamente stabili, dove rimarrà per millenni; in
Francia ed in Giappone, invece, esso viene estratto durante la fase di
riprocessamento del combustibile, e bruciato miscelato con l’uranio nei
cosiddetti MOX (ossidi misti di uranio e plutonio), con un miglior
sfruttamento delle risorse e la riduzione della “scoria”). Le
scorie sono costituite all’incirca per il 94% dall’U238, per il 3÷4% da
prodotti di fissione (di cui la grande
maggioranza stabili, solo alcuni pericolosi unicamente in caso di incidente
data la loro affinità biologica e mobilità nella biosfera), per l’1% dal plutonio (il maggiore
contributore alla radiotossicità), e lo 0.1% da attinidi minori (Np, Am, Cm). E’
evidente che se il plutonio viene separato e “bruciato” non costituirà più un
rischio ambientale; può essere usato per sostenere la fertilizzazione del
torio, producendo rilevanti quantitativi di energia ed aprendo anche nuove
reali possibilità di produrre industrialmente l’idrogeno senza alcun impatto
ambientale. Per
quanto riguarda la valutazione della pericolosità potenziale delle scorie, il
concetto attualmente più diffuso è quello, molto conservativo, di definire un
opportuno tempo di ritorno al livello di miniera (da noi definito
originalmente LOMBT[2], cioè Level Of Mine Balancing Time) del livello di radiotossicità (che
costituisce una misura del danno potenziale che la sostanza considerata può
arrecare all’organismo umano per ingestione o per inalazione) delle scorie: esso consiste nel lasso di
tempo necessario affinché la radiotossicità delle scorie pareggi, per
decadimento radioattivo, quella dell’uranio originariamente presente in
miniera. Come già detto trattasi di un approccio forse eccessivamente
conservativo e prudenziale, che non ha analoghi in altri settori tecnologici (se applicassimo ad essi gli stessi
criteri, dovremmo abolirne la stragrande maggioranza; ad esempio, il fumo di
sigaretta, uccide più di 4 milioni di persone all'anno nel mondo, eppure,
nonostante ciò, ci si limita sostanzialmente a blandi divieti e
paternalistiche raccomandazioni). Il
nostro gruppo, nell’ultimo biennio, ha condotto ricerche sull’argomento
[30][31]. E’ stato rilevato che usando gli HTR il plutonio viene quasi
completamente distrutto, producendo al contempo energia (con conseguente
guadagno economico). Il problema è complesso però, ottimizzando il ciclo del
combustibile, è possibile alleggerirlo significativamente (circa di un
fattore 10 sia nel LOMBT sia come massa degli attinidi). Sono
in corso ricerche con l’obiettivo di rendere innocue le scorie entro qualche
centinaio di anni. Si noti che questo è anche l’obiettivo dell’ADS (Accelerator Driven System) proposto dal Prof. Rubbia [32], che gode di
notevoli finanziamenti. Si può però notare che in questo caso si tratta in
sostanza di un inceneritore (che, al netto, dovrebbe consumare energia) la
cui eventuale realizzazione industriale richiederà ancora diversi anni. 8. Conclusioni Dal
breve quadro riassuntivo sopra esposto appare evidente che la filiera dei
Reattori Nucleari ad Alta Temperatura è di sicuro interesse per i maggiori
paesi industrializzati anche se attualmente vengono preferite altre strade;
questo è dimostrato dagli investimenti di questi ultimi anni in questo
settore. Dal canto suo anche l’Italia non dovrebbe perdere l’occasione di
studiare ed acquisire le dovute competenze in questo campo, apparendo la
scelta nucleare, in un futuro non troppo lontano, una via obbligata per un
approvvigionamento energetico sicuro, abbondante, economico e sostenibile da
un punto di vista ambientale, anche in virtù del rispetto dei protocolli di
Kyoto. Molto
del nostro futuro e di quello dei nostri figli dipenderà dalla responsabilità e dalla lungimiranza delle
nostre scelte attuali. Bibliografia
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