Quaderno AIN numero 9 Sostenibilità dei reattori nucleari a ......di Marco Ciotti *, Jorge...

n. 4-2017 21mo SECOLO SCIENZA e TECNOLOGIA 19Speciale Associazione Italiana Nucleare

di Marco Ciotti *, Jorge L.Manzano**, Ettore Ruberti ***

Abstract

Nonostante che il 27% dell’energia elettrica pro-dotta in Europa e l’11% di quella prodotta a li-vello mondiale siano generate tramite reattori

nucleari, negli ultimi decenni questo tipo di impiantisono stati messi in discussione, ben prima degli inci-denti nei reattori di Chernobyl e Fukushima, inne-scando dei timori nell’opinione pubblica che hannodeterminato la messa in dubbio della sostenibilità am-bientale e economica dell’energia nucleare.

Oggetto del presente lavoro è la presentazione diun particolare tipo di reattore nucleare di IV genera-zione, quello veloce raffreddato a piombo (noto con lasigla inglese LFR, Lead Fast Reactor), che possiede li-velli di sostenibilità ambientale, sociale ed economicain grado di ridurre fortemente i citati timori.

Dopo una breve analisi del concetto di sostenibi-lità, sono analizzate le caratteristiche dei LFR (sicurez-za intrinseca, generazione trascurabile di scorie ad al-ta radiotossicità e lunga vita, limitato fabbisogno di ri-sorse, alta resa energetica e costi), i cui livelli di soste-nibilità ambientale ed economica sono tali da potercollocare questi impianti tra le più performanti fonti digenerazione di elettricità, superando le preoccupazio-ni relative agli attuali impianti nucleari commerciali.

Gli LFR sono i candidati più idonei per raggiungerelo scopo della drastica riduzione delle emissioni inqui-nanti e clima-alteranti, assicurando al contempo la for-nitura di elettricità programmabile con risorse naturalidisponibili per millenni e reperibili in molti paesi.

Introduzione

Negli ultimi decenni, la sostenibilità delle azioniumane è diventata un argomento centrale sia nelle te-matiche affrontate dalla maggior parte dei politici sianelle preoccupazioni dell’opinione pubblica. Esisteuna vasta letteratura sul concetto di sostenibilità e, percompletezza, bisogna aggiungere che vi sono anche

degli approcci critici al quadro ideologico sottostanteil concetto di sostenibilità [1].

Le tesi maltusiane, sviluppatesi alla fine del diciot-tesimo secolo, vanno considerate come le prime anali-si economiche che teorizzano i rischi della scarsitàdelle risorse naturali e i loro effetti nello sviluppoumano. Queste teorie possono essere considerate co-me un primo antecedente all’attuale approccio di pia-nificazione dell’economia in un contesto di SviluppoSostenibile [2].

Nel diciannovesimo secolo molti autori hanno af-frontato le conseguenze ambientali indotte dalla tran-sizione da un’economia preindustriale ad una capitali-stica, ma è solo nella seconda metà del ventesimo se-colo che questa linea di pensiero si è sviluppata e ac-quista una rilevante diffusione. Tra coloro che hannocontribuito all’attuale concezione ambientalista, l’eco-nomista Ernest Schumacher è stato uno dei più rile-vanti, autore di molti saggi, scritti per la maggior par-te nella prima metà dello scorso secolo e conosciutosoprattutto grazie al suo libro Piccolo è bello (Small isbeautiful [3]). In quegli anni un gruppo di studiosi co-stituì il “Club di Roma” che pubblicò un noto rappor-to in cui si lanciava l’allarme sui rischi derivanti dallascarsità di materie prime, specialmente il petrolio esulle gravi conseguenze ambientali causate da unosviluppo industriale incontrollato [4].

Il concetto di Sviluppo Sostenibile assunse una va-lenza istituzionale dopo che l’assemblea generaledell’ONU, nel dicembre 1983, istituì una commissionespeciale con il compito di produrre un rapportosull’ambiente e sulle problematiche globali proiettateall’anno 2000 ed oltre, e che avrebbe dovuto includereproposte per il raggiungimento di uno sviluppo soste-nibile. Tale commissione, conosciuta con la siglaWCED (World Commission on Environment and De-velopment), redasse il rapporto “Il futuro di tutti Noi”,noto come rapporto Brundtland [5]. Da allora, molteorganizzazioni internazionali e numerosi autori hannocercato di definire tale concetto, con il risultato che esi-stono almeno settanta diverse definizioni di esso [6].La concezione maggiormente condivisa dello SviluppoSostenibile, considera quest’ultimo un compromessotra le tre diverse componenti presenti in ogni attivitàumana: l’economica, la sociale e l’ambientale.Quest’approccio è illustrato nella figura 1, dove viene

I precedenti 8 Quaderni AIN possono essererichiesti alla redazione di 21mo Secolo

Quaderno AIN numero 9

Sostenibilità dei reattorinucleari a piombo

* qualifiche autori*****

schematizzata una generica attivitàumana e dove ogni cerchio raffiguraciascuna di queste componenti. La lo-

ro intersezione comune definisce graficamente la re-gione che concilia i tre aspetti menzionati, cioè lo Svi-luppo Sostenibile. Si evidenzia in tal modo il concettoche un’attività sarà rispettosa dello Sviluppo Sostenibi-le se armonizza, bilanciandole, le tre dimensioni [7].

Lo scopo del presente rapporto è fornire una ver-sione divulgativa dell’articolo presentato alla confe-renza internazionale ICONE22, e pubblicato dopo re-visione nei suoi atti [8]. Una prima versione sinteticadel presente lavoro è stata già pubblicata in [9][7], quise ne riporta una più estesa per dare completezza adalcuni concetti già presentati in quella ed approfondi-re la problematica relativa all’accettabilità sociale. Ciòal fine di dimostrare in modo maggiormente argo-mentato che la sostenibilità dell’Energia Nucleare sarànotevolmente migliorata grazie ai reattori di quartagenerazione raffreddati a piombo che, sia per la loroconcezione, sia per i materiali impiegati, avranno ca-ratteristiche di sicurezza intrinseca tali da poter so-stanzialmente escludere rilasci di radioattivitàall’esterno dell’edificio reattore; inoltre, il loro combu-stibile, essendo composto dalle scorie provenienti da-gli attuali reattori commerciali, senza produrne dinuove, ne assicura la sostenibilità del ciclo.

Tali miglioramenti sono analizzati nei termini delletre componenti precedentemente individuate: la socia-le, l’ambientale e l’economica.

2.0 Indicatori del Livello di Sostenibilità

In seguito al rapporto Brundtland, durante l’EarthSummit nel 1992 (la prima conferenza mondiale dei ca-pi di Stato sull’ambiente, indetta dalle Nazioni Unite)fu adottata l’Agenda 21 che promosse la definizione diuna serie di indicatori, in grado di essere utilizzati daidecisori a livello nazionale, come strumento per garan-tire la sostenibilità dalle loro scelte. Diverse organizza-zioni internazionali, anche non-governative hanno la-vorato, in parte coordinate fra loro, al raggiungimentodi tale obiettivo. Una descrizione dettagliata delle isti-tuzioni coinvolte e dei diversi insiemi di indicatori pro-posti è riportata nei riferimenti [11] e [12].

Una delle azioni più significative per la definizionedi un insieme di indicatori da applicare nel campoenergetico è stata l’iniziativa sovranazionale condottadall’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica(IAEA) in cooperazione con i seguenti organismi: ilDipartimento degli Affari Economici e Sociali delleNazione Unite (UNDESA); l’Agenzia Internazionaleper l’Energia (IEA); l’Eurostat e l’Agenzia Europea perl’Ambiente (EEA). È stato così concordato un sistemadi riferimento comune, composto dalla definizionedelle metodologie e delle linee guida, per assicurare ilrispetto dello Sviluppo Sostenibile nei sistemi energe-tici ed un insieme di indicatori per quantificare la so-stenibilità di tali sistemi [12].

In un lavoro più specifico, svolto presso il PaulScherrer Institute (PSI) di Zurigo (CH), e relativo alla

sola generazione di elettricità, sono stati individuatiuna serie di indicatori utili alla valutazione della so-stenibilità delle diverse tecnologie impiegate nella ge-nerazione dell’energia elettrica. Tali indicatori permet-tono di eseguire il confronto tra le diverse tecnologiedisponibili così da fornire uno strumento per consenti-re ai decisori politici di scegliere con cognizione dicausa, tra le diverse opzioni. Questo insieme d’indica-tori è stato impiegato inizialmente in Svizzera e Ger-mania [14] e, con alcune modifiche, recentemente an-che nel Regno Unito [15].

Gli indicatori di sostenibilità applicati all’EnergiaNucleare, in confronto alle altre fonti programmabiliesistenti, mostrano complessivamente un ottimo pun-teggio [14,15]; nello specifico1, però due fra questi in-dicatori, quando applicati agli attuali reattori commer-ciali (II e III generazione), non hanno un comporta-mento così performante: quelli associati alla sicurezzadei reattori e all’impatto ambientale delle scorie, conricadute sulla accettabilità sociale. Nel seguito questiindicatori sono in dettaglio analizzati e vengono espo-ste le aspettative al loro riguardo per i reattori di IVgenerazione.

3.0 Sostenibilità Sociale e sicurezza

Come già accennato in precedenza, l’Energia Nu-cleare desta nell’opinione pubblica di molti paesi eu-ropei una sensibile apprensione, sia per una sfiduciasulla sicurezza dei reattori, sia per la necessità di pre-disporre depositi a lungo termine per le scorie radioat-tive da essi prodotte. Queste preoccupazioni sonoquantificate nei due indicatori della sostenibilità pri-ma menzionati. Sebbene ci sia un considerevole mi-

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Speciale Associazione Italiana Nucleare

Figura 1: Diagramma di Venn dello Sviluppo Sostenibilerisultato dell’intersezione dei suoi tre aspetti costituenti [10].

1 L’energia nucleare, confrontata con le altre fonti pro-grammabili, presenta risultati migliori per i seguenti indica-tori: il livello di emissioni gassose e di particolato; la diver-sità nel rifornimento e la capacità di immagazzinamento delcombustibile; l’impatto sulla salute umana durante il funzio-namento normale e il fattore di carico della centrale. Le tabel-le complete sono riportate in appendice.

glioramento del livello di sicurezza nelle nuove cen-trali di terza generazione, l’accettabilità sociale del nu-cleare potrà essere significativamente incrementatacon i reattori di quarta generazione raffreddati apiombo, sia per la loro sicurezza intrinseca sia per il ci-clo chiuso del combustibile. Inoltre si registra una ap-prensione verso gli impianti di grandi dimensioni piùtemuti rispetto a quelli piccoli. Questi punti vengonodi seguito trattati in dettaglio.

3.1 La sicurezzaL’energia potenziale associata alle diverse tipologie

di refrigerante impiegati nei reattori nucleari è uno deifattori decisivi nell’evoluzione di una sequenza inci-dentale [21].

L’energia potenziale in un reattore può essere di ca-rattere chimico (interazione zirconio-acqua, idrogeno-aria), meccanico o termico: nella tabella 1 sono elenca-ti i valori di queste energie per diversi tipi di refrige-rante. Minore è l’energia potenziale maggiore è la pro-babilità che un eventuale incidente sia confinato all’in-terno delle barriere di protezione, o comunque abbiaeffetti limitati sul territorio. Gli impianti raffreddaticon metalli liquidi di quarta generazione (Gen. IV)hanno, rispetto ai reattori di terza generazione, il van-taggio di non richiedere la pressurizzazione del refri-gerante; questa caratteristica riduce il potenziale ener-getico del reattore, diminuendo quindi la probabilità ele possibili conseguenze di una perdita accidentale delrefrigerante, consentendo così l’adozione di tecnicheaffidabili e poco complesse per il raffreddamento delnocciolo. Inoltre, la mancanza di acqua nel nocciolodei reattori raffreddati con metalli liquidi, rende nullala possibilità di violente reazioni chimiche di ossida-zione con la conseguente formazione di idrogeno, cau-sa dei rilasci di radioattività all’esterno dell’edificio

del reattore di Fukushima e che haesacerbato le conseguenzedell’escursione di potenza avvenutaa Chernobyl. Tra i reattori di Gen.IV, quelli raffreddati a piombo hanno l’ulteriore van-taggio, rispetto a quelli raffreddati a sodio, che ilpiombo non reagisce né con l’acqua né con l’aria. Siannulla quindi il rischio del verificarsi di reazioni chi-miche negli scambiatori di calore, nei sistemi di rimo-zione del calore e di decadimento. La considerevoleminore energia potenziale di questa tipologia di reat-tore diminuisce sensibilmente, in ogni caso, la possibi-lità del verificarsi di grossi incidenti a prescindere dalcomportamento dei sistemi di sicurezza attivi e dalleazioni degli operatori.

L’analisi preliminare sulla sicurezza dei reattoriraffreddati a piombo [22-24], sia per il progetto delreattore al momento di riferimento in Europa ELFR(European Lead Fast Reactor), sia per il dimostratoreALFRED (Advanced Lead Fast Reactor Demonstrator,http://www.alfred-reactor.eu/, figura 2), effettuatanell’ambito del progetto comunitario LEADER (vedipar 5.1), conferma le caratteristiche conservative deldisegno e la natura robusta di questo concetto di reat-tore, anche in confronto con altri impianti di Gen. IV,grazie alla particolare combinazione di tecnologie a si-curezza intrinseca con soluzioni impiantistiche inno-vative. Le analisi dimostrano inoltre l’esistenza di unampio margine di tempo per l’intervento dell’operato-re anche nel caso in cui si verificassero le peggiori con-dizioni incidentali ipotizzabili.

I reattori nucleari a piscina, come sono gli LFR, os-sia quelli che hanno il circuito primario sommerso dalliquido refrigerante in un grande recipiente contenen-te anche gli scambiatori di calore del primario, possie-dono un grado di sicurezza molto maggiore in con-

fronto a quelli privi di questa carat-teristica. La presenza di una cospi-cua massa di liquido in grado di as-sorbire per lungo tempo il calore re-siduo che si sprigiona dopo lo spe-gnimento del reattore o in condi-zioni incidentali, conferisce un no-tevole livello di sicurezza intrinse-ca. Questa soluzione costruttiva èstata adottata per il reattore ELFRche ha caratteristiche di dinamicaneutronica e termoidraulica simili aquelle che hanno i reattori velociraffreddati al sodio a piscina. Conun reattore di questo tipo, l’EBR-II(USA), sono stati realizzati dueesperimenti che hanno dimostratol’alto livello di sicurezza che offro-no i reattori veloci a piscina. In unprimo test è stata spenta l’alimenta-zione delle pompe del circuito pri-mario e contemporaneamente si èimpedito l’intervento dei sistemiautomatici di arresto del reattore,nonostante ciò, grazie alla dilata-


Tabella 1: Energia potenziale immagazzinata nel refrigerante [21]

zione del combustibile e della strut-tura del nocciolo, il reattore si èspento dopo 300 secondi senza chesi producesse nessun danno, né al

combustibile né al reattore. Un successivo esperimen-to ha sottoposto il reattore a condizioni ancor più se-vere, dimostrando nuovamente la robustezza del suodisegno, in questo caso sono state spente le pompe delsecondario. Questa azione ha prodotto l’interruzionedell’asportazione del calore generato nel reattore, conil conseguente aumento di temperatura nel primario.Durante l’esperimento condotto nell’EBR-II, l’innalza-mento della temperatura nel circuito primario ha com-portato la dilatazione del combustibile e della struttu-ra, provocando ancora una volta lo spegnimento auto-matico del reattore senza necessità di intervento dinessun sistema di sicurezza attivo e senza alcun dan-no per il sistema stesso [25].

Oltre ai vantaggi su descritti relativi ai reattori a pi-scina si può aggiungere che il piombo, avendo elevatacapacità termica ed altissima temperatura di ebollizio-ne, riesce a sopportare naturalmente transitori termicimolto importanti senza bisogno di un sistema esternodi asportazione del calore.

3.2 Indicatori della sicurezzaIl primo degli indicatori “critici” riportati dal PSI

riflette “il numero di decessi a seguito di gravi inci-

denti in rapporto alla quantità di GWh prodotti”. Inrealtà, nel caso dei reattori nucleari, non esistono daticerti per la quantificazione di questo valore e le stimevengono eseguite sulla base di previsioni probabilisti-che del rischio di incidenti (PSA) e sul numero di vitti-me attese nelle peggiori condizioni incidentali imma-ginabili.

Tali stime sono certamente utili nella progettazionee realizzazione delle misure di prevenzione idonee atutelare la salute degli operatori e dei comuni cittadi-ni, ma non sono una previsione validata degli effettisanitari e non rappresentano casi reali di malattia e/odecesso. Soprattutto il confronto fra i decessi reali,considerati per tutte le altre fonti di energia, e analisidi stime potenziali, deve essere valutato con attenzio-ne. In figura 3, sono mostrati i dati reali per frequenzedi eventi incidentali e numero di vittime (per eventocon più di cinque vittime) nei paesi della OECD utiliz-zando diversi combustibili per la produzione di ener-gia elettrica2. Nel caso dell’energia nucleare invece, acausa dei pochi incidenti e delle sostanziale mancanza



Figura 2: Schema del reattore Alfred

2 I dati riportati nella figura 3 sono anteriori all’incidentedi Fukushima. Questo evento non comporta però modifiche,giacché non vi sono state vittime immediate per effetto delleradiazioni e eventuali decessi nel lungo termine si ritienenon saranno statisticamente riscontrabili [18].

eventi che, sebbene causino menovittime, abbiano probabilità di veri-ficarsi maggiore di diversi ordini digrandezza.

La implementazione delle norme di sicurezza per ireattori di recente costruzione (generazione III avan-zata) renderà in ogni caso necessaria una ulteriore ri-duzione di un fattore 10 della frequenza di verificarsidi un evento incidentale estremo. Per i reattori di IVgenerazione la frequenza di avere seri danni al core delreattore sarà inferiore di un altro fattore 10 e comun-que qualunque sequenza incidentale non dovrà ren-dere possibile che si arrivi a dover evacuare la zonacircostante il reattore4. Tali impianti risulteranno digran lunga i più sicuri fra tutte le fonti programmabiliper la produzione di energia elettrica; è pertanto au-spicabile che il timore della popolazione e la conse-guente accettabilità sociale non costituiscano più unostacolo alla loro diffusione.

3.3 Le scorie radio-attive e il loro impattoambientale

Il secondo indicatore problematico è relativo al“tempo necessario di confinamento delle scorie ra-dioattive”; ciò è conseguenza del fatto che gli elementi


di vittime “immediate”, ma delle possibili ricadute sa-nitarie su tempi molto lunghi, l’analisi non si basa sudati reali, bensì su stime probabilistiche di frequenzadegli incidenti e possibili vittime correlate. Secondotali stime l’Energia Nucleare presenta una probabilitàdi verificarsi di eventi incidentali estremi diversi ordi-ni di grandezza minori rispetto alle altre fonti (cosa ef-fettivamente verificata), al contempo il numero di fa-talità ipotizzato per ogni incidente potrebbe essereconsiderevolmente maggiore.

La figura 4 mostra le frequenze di eventi incidenta-li nei paesi non-OECD. È indicato in questo caso il va-lore registrato per l’unico incidente con vittime in unacentrale nucleare (Chernobyl), è inoltre riportato l’ipo-tetico andamento della frequenza delle “vittime laten-ti” per effetto delle possibili conseguenze della radia-zione effettivamente rilasciata nell’incidente. Va se-gnalato che l’UNSCEAR3 ha appurato che dopo ventianni dall’incidente di Chernobyl, durante i quali sonostate seguite le evoluzioni sanitarie della popolazionesottoposta ad alti livelli di radiazioni, non ci sono talievidenze di un incremento statistico del numero di de-cessi sulla salute pubblica [17]. I dati statistici reali, ot-tenuti in venti anni di studi diretti sulla popolazione,pertanto contrastano con le previsioni ottenute me-diante stime probabilistiche utilizzate per la valutazio-ne di questo indicatore.

La diffidenza della pubblica opinione di alcuniPaesi nei confronti dell’Energia Nucleare va interpre-tata probabilmente come una maggiore apprensioneverso possibili eventi che comportino gravi conse-guenze, ma di bassissima probabilità, in confronto a

Figura 3: Frequenza degli eventi (che hanno provocato almeno X vittime per GWe-yr), in funzione del numero di vittime neipaesi della OECD (1970-2008) per le varie fonti di energia. Nel caso del nucleare si riferiscono a reattori nucleari di 2a e 3a

generazione e le frequenze incidentali sono il risultato di calcoli effettuati con metodi PSA (Probabilistic Safety Analisys) [16]mentre il numero di fatalità viene stimato sulla base del potenziale di radioattività contenuto nel reattore.

3 UNSCEAR: sigla inglese del “Comitato Scientifico delleNazioni Unite per lo studio degli effetti delle radiazioni io-nizzanti”.

4 Igor Pioro, Handbook of Generation IV Nuclear Reac-tors, pagina 264.

con alti livelli di radioattività gene-rati nei reattori nucleari attualmentein funzione, necessitano di un lungoperiodo di tempo prima di decadere

naturalmente in elementi innocui.In questo senso si osserva una ben diversa perce-

zione da parte dell’opinione pubblica italiana rispettoai rischi associati all’inquinamento dell’aria, dovutoprincipalmente all’uso di combustibili fossili, in con-fronto alla preoccupazione dei rischi legati all’energianucleare.

Infatti, mentre ad oggi non vi è alcuna notizia rela-tiva ad effetti sanitari sulla popolazione connessi conlo stoccaggio delle scorie nucleari, ma solo rischi “po-tenziali”, si stima, sulla base di dati (non previsioni)sanitari statistici sulla popolazione, che l’inquinamen-to atmosferico nel 2012, dovuto principalmente all’usodei combustibili fossili (ovvero le scorie fossili), abbiaprovocato nel mondo 3,7 milioni di morti premature acausa delle malattie correlate all’inquinamento atmo-sferico, sia in città sia in aree rurali [19]; in Italia una ri-cerca promossa dal Ministero della Salute ha stimato,sulla base di dati sanitari, in trentamila l’anno i deces-si legati all’inquinamento del particolato PM2.5 [20]. Èda notarsi che questi numeri non si riferiscono adeventi incidentali, con probabilità più o meno bassa,ma alla “normalità”, ovvero ciò che avviene ogni an-no.

I reattori di IV generazione aiuteranno lo smalti-mento dei rifiuti di origine nucleare ad oggi accumu-



lati, e quindi non potranno più generare perplessitànell’opinione pubblica in merito alla loro accettabilità.Gli aspetti legati all’impatto ambientale del ciclo delcombustibile saranno discussi in dettaglio nel capitolo4.2, mentre quelli della sicurezza sono analizzati di se-guito.

I reattori al piombo producono quantità di scorietrascurabili e possono essere alimentati con sempliceuranio naturale oppure uranio depleto - che è unoscarto della produzioni di combustibile per gli attualireattori commerciali - oppure con combustibile ripro-cessato proveniente sempre dagli attuali reattori. Talirisorse sono disponibili in molti paesi ed in molte areegeografiche. Ciò ha una duplice valenza, sia per quan-to riguarda la sostenibilità ambientale, sia in terminidi sostenibilità sociale. Nell’ipotesi di un maggiore im-piego del nucleare nella produzione di elettricità, siavrebbe un allentamento delle tensioni oggi in essereverso la stabilità dei paesi dove la maggior parte dellerisorse di idrocarburi a basso costo sono custodite.Tensioni che sono all’origine di molti dei conflitti incorso. Una disponibilità di combustibile primario dif-fusa su molti paesi potrebbe diminuire il numero diconflitti bellici, evitando così vittime e annessi dannieconomici e dovrebbe essere ben accetta da una opi-nione pubblica informata.

3.4 Piccolo è belloUn altro aspetto della sostenibilità sociale che inte-

ressa l’Energia Nucleare riguarda le dimensioni degli

Figura 4: Frequenza degli eventi (che hanno provocato almeno X vittime per GWeyr) in funzione del numero di vittime neipaesi non appartenenti alla OECD (1970-2008). È indicato il numero di fatalità registrato dopo l’incidente di Chernobyl, 26casi, (immediate fatalities); e quelle attese in base a stime previsionali (latent fatalities) [16]. Nei dati reali raccolti a 25 annidall’incidente non si hanno evidenze di un tale aumento di mortalità nella popolazione .

ordini di grandezza superiore. Diconseguenza, a parità di energiaelettrica prodotta diminuiscono ditale fattore, sia la quantità di mine-rale utilizzato, sia quella di eventuali scorie prodotte.

Le speciali proprietà neutroniche del piombo con-sentono di progettare noccioli che generano scorie nu-cleari in misura molto minore rispetto ai reattori cheutilizzano altri refrigeranti, determinando così un’ul-teriore riduzione dell’impatto ambientale dei reattoriraffreddati al piombo.

I valori ridotti delle sezioni d’urto, di assorbimentoe di diffusione, del piombo lasciano al progettista unalarga libertà di scelta per ottenere la migliore configu-razione del nocciolo tale da consentire il raggiungi-mento della chiusura del ciclo del combustibile. È sta-to così possibile sviluppare una procedura [26] per de-terminare a priori una composizione del combustibileche consenta l’estensione delle condizioni di equili-brio all’intera catena dei processi del ciclo del combu-stibile: irraggiamento, riprocessamento e rifabbrica-zione.

Un tale reattore è progettato per funzionare, nel-l’intero arco di vita, in modo adiabatico, quindi mante-nendo le quantità di Pu e Attinidi Minori (MA)5 a va-lori costanti durante il ciclo del combustibile e con-temporaneamente generando energia. Pertanto, solo iprodotti di fissione e le perdite causate dal riprocessa-mento devono essere inviati agli impianti di stoccag-gio (come evidenziato nella figura 5). Ciò comportauna notevole riduzione del volume delle scorie e laconseguente diminuzione del calore generato nel de-posito e della radiotossicità a lungo termine, comemostra la figura 6.

Inoltre, l’unico combustibile addizionale necessa-rio al funzionamento del reattore è l’uranio (naturale,impoverito o recuperato), utilizzato per produrreenergia mediante fissione indiretta (cioè: per ogni fis-sione, su qualsiasi nuclide, una catena di trasmutazio-ne dall’uranio ripristina la quantità di TRU). Il reattoreadiabatico funziona a ciclo chiuso e al termine di cia-scun ciclo le concentrazioni dei nuclidi coincidono conquelle presenti all’inizio.

Va segnalato come riferimento lo “European Lead-cooled Fast Reactor (ELFR)” [28], questo reattore è sta-to concepito nell’ambito del progetto LEADER (Lead-cooled European Advanced DEmonstrator Reactor,vedi par. 5.1) del settimo programma quadro EURA-TOM. Tale reattore è stato disegnato per funzionareadiabaticamente e rappresenta la filiera di riferimento,su scala industriale, tra i reattori raffreddati a piombo,per una possibile politica europea di produzione ener-getica che sia sostenibile nel lungo periodo. Suppo-nendo di raggiungere un grado di efficienza nel ripro-cessamento del 99,9%, già ottenuta a livello di labora-


impianti. Qualsiasi sistema energetico deve superare ildifficile vaglio dell’accettazione da parte del pubblico.Solitamente, la maggior parte dei cittadini, accetta fa-cilmente impianti di piccole dimensioni (Es.: mini im-pianti idraulici, sistemi domestici PV, ecc.); gli impian-ti di ridotte dimensioni non riescono a fornire la quan-tità di elettricità richiesta dalle industrie, dagli ospe-dali, dai trasporti, ecc.; è quindi indispensabile dispor-re di grandi impianti programmabili di generazione dielettricità, almeno per far fronte alla richiesta del cari-co di base.

Oltre alle ragioni pratiche a favore degli impianticentralizzati, vi sono anche importanti aspetti sociali.La produzione dell’energia attraverso una miriade dipiccoli impianti, è incoraggiata dai promotori delleenergie alternative nell’errata convinzione che la pro-duzione “distribuita” sia “democratica”. Va invecesottolineato che gli impianti centralizzati garantisconoefficaci economie di scala, abbassando quindi i costi, erendendo pertanto l’energia più accessibile alle fascedi popolazione meno abbienti; in altri termini, unabolletta elettrica maggiorata è più avvertita in questafascia di popolazione che in quelle di reddito medio-alto.

Inoltre, le elevate sovvenzioni elargite per i micro-impianti, dirette a compensare i maggiori costi di tec-nologie non mature ed a promuovere la loro penetra-zione nel mercato, impongono agli utenti maggiorioneri, per fornire un vantaggio a pochi: i fabbricanti diquesti impianti. Tali sovraprezzi incidono con mag-gior peso sulle fasce di popolazione a basso reddito.Questo, dal punto di vista sociale, costituisce il contra-rio del rispetto dei principi democratici. Inoltre, que-ste sovvenzioni applicate nel lungo termine comporta-no una distorsione del mercato attraverso la venditadi energia sottocosto o in un modo privilegiato, comeavviene con l’imposizione della priorità di dispaccia-mento.

4.0 Sostenibilità Ambientale

Come anticipato nel precedente paragrafo, i reatto-ri Gen. IV hanno caratteristiche di sostenibilità am-bientale migliori rispetto agli attuali reattori termicicommerciali raffreddati ad acqua. L’ottimizzazioneambientale si manifesta in un migliore utilizzo dellerisorse naturali, nella minore produzione di scorie, enel miglioramento del rapporto tra energia consumataed energia prodotta - nota con la sigla EROI (EnergyReturn On Energy Invested) - nonché nella minoreemissione di gas serra.

4.1 Il reattore adiabaticoI reattori veloci utilizzano il contenuto energetico

del combustibile molto più efficacemente dei reattoritermici attualmente in funzione, diminuendo forte-mente la richiesta di risorse naturali e aumentandonela loro durata fino a migliaia di anni, indipendente-mente dal tipo di configurazione adottata. Il contenu-to energetico estraibile dalla stessa quantità di combu-stibile fresco rispetto ai reattori termici è di circa due

5 Questi elementi sono i maggiori responsabili della ra-diotossicità di lungo periodo.

torio, un limite di irraggiamento di100 GWd/t (in una prima fase) edun’efficienza nella conversione delcalore del 40%, il quantitativo di

scorie transuraniche destinate allo stoccaggio è dello0,012 kg/TWhe per gli attinidi minori (MA) e dello0,227 kg/TWhe per il Pu [29]. Questo quantitativo diMA, da conferire in depositi geologici, è dovuto alleperdite che avvengono durante il riprocessamento,mentre il reattore adiabatico non produce nuovi MA.È doveroso paragonare questi valori con quelli di unLWR in un ciclo aperto standard, nominalmente 3,0 e26,1 kg/TWhe di MA e Pu, rispettivamente.

Nel riferimento [30] si analizza in dettaglio, unoscenario in cui si ipotizza una graduale introduzionedi reattori LFR in sostituzione di quelli termici neipaesi dell’area balcanica e l’Italia, determinando gli ef-fetti sull’entità di transuranici prodotti. Le simulazionimostrano che se il 25% di tutto il consumo energeticoitaliano del 2013 (317 TWh) fosse stato prodotto daLFR, solo 950 g di MA e 18 kg di Pu sarebbero staticonferiti ai siti di stoccaggio; cosicché, se si utilizzasse-ro i contenitori previsti per il deposito geologico diYucca Mountain (USA), lunghi 5,34 m e con un diame-tro di 1,56 m, in ciascuno di essi si potrebbero stoccarele scorie generate durante cinque anni di produzionedi energia elettrica con il nucleare. A questi vanno ag-giunti i prodotti di fissione (106 kg/TWhe), anche se laloro emivita è molto più breve. La Figura 5 mostra co-me la radiotossicità dei materiali di scarto provenientidai reattori adiabatici sia considerevolmente minoredi quella derivante dai reattori termici a parità dikWhe prodotti.

Per renderci conto degli ordini di grandezza in gio-co, confrontiamo queste quantità con la CO2, che do-vrebbe essere immagazzinata, derivante dalla produ-zione equivalente di energia elettrica con impianti ali-mentati con combustibili fossili.

È chiaro che le possibili conseguenze derivanti dairadionuclidi ad alto livello di radiotossicità non pos-sono essere paragonate a quelle causate dalla CO2. Varicordato comunque che questo composto è un gasasfissiante a partire da una concentrazione nell’ariadel 8-10%; un esempio degli effetti devastanti del rila-

scio di grosse quantità di anidride carbonica si è avutoa seguito dell’improvviso rilascio dai fondali del LagoNyos (Chad) di una massa di questo gas a seguito diuno smottamento sottacqueo avvenuto nel 1986 cheprovocò la morte di almeno 1700 persone [31].

Considerando che sono in discussione sistemi diaccumulo di grandi quantità di CO2 in depositi sotter-ranei o sotto la superficie di bacini di acqua, un tale in-cidente è certamente da tenere in considerazione ondeprevenirne di simili.

La CO2 prodotta per TWhe varia da 0,5·109 kg perun impianto a gas naturale a circa 1,0·109 kg per un im-pianto a carbone; pertanto, per produrre un quarto del

consumo di energia elettrica in Italia con combustibilifossili si generano circa 40-80 ·109 kg di CO2, in terminivolumetrici, a 25°C ed ad 1 atm, ciò corrisponde a unvalore tra 22,5 e 45 km3. Naturalmente il gas può esse-



Figura 5: concetto di reattore nucleare adiabatico [26].

Figura 6: confronto della radiotossicità del combustibilespento tra un reattore LWR (curva di destra: plutonio,attinidi minori e prodotti di fissione) e un LFR (curva disinistra: solo prodotti di fissione) [27].

re compresso (con consumo di energia) con conse-guente diminuzione del volume ma con l’aumentodella quantità di CO2 per unità di elettricità immessain rete e, anche con la diminuzione dell’EROI (vedi ca-pitolo successivo) del sistema. La compressione, finoalla liquefazione, ridurrebbe il volume a circa 1011 litri.Generalmente non si considera l’immagazzinamentodei rifiuti, per sistemi alimentati a combustibili fossili,dovuto all’indeterminazione delle condizioni dei de-positi. È però necessario vagliare sia la sorveglianza,sia i sistemi di emergenza per un periodo di tempo il-limitato; non sono inoltre valutate né le ceneri, né altrigas prodotti dalla combustione che sono per la mag-gior parte disperse nell’ambiente.

Va anche segnalato che, un mix energetico checomprenda impianti funzionanti con combustibili fos-sili con CCS e impianti che utilizzino energie rinnova-bili (intermittenti) aumenta la richiesta di metalli (Sn,Mo, Al, Fe, ecc.)[32-33], con un peggioramento nettodell’impronta energetica sulla catena alimentare. Ciòdetermina un handicap nel computo della sostenibi-lità. D’altro canto i reattori a fissione hanno bisogno diun basso consumo percentuale di metalli, Uranioescluso. Nel pianificare il mix per la produzione dielettricità vanno considerate tutte le esternalità dellediverse fonti, valutando quindi la quantità di metalliutilizzati e l’entità di anidride carbonica prodotta.

4.2 Valutazione del rapporto tra energiaconsumata ed energia prodotta

Com’è già stato accennato in precedenza, uno deiparametri utilizzati nella valutazione della sostenibi-lità ambientale di una data fonte di energia è il rappor-to esistente tra l’energia che si deve consumare perrendere disponibile tale fonte e l’energia ricavata daessa. Questo rapporto è noto con la sigla EROI(Energy Return On Energy Invested); esiste una ampialetteratura scientifica concernente la sua determina-zione e su questa tematica si sono innescate innumere-voli discussioni riguardo gli assunti di base [34].

Oltre all’importanza certamente economica di taleindicatore, alcuni autori gli attribuiscono anche unavalenza etica, ritenendo che, ove possibile, il genereumano dovrebbe utilizzare le risorse naturali in modoefficiente [35].

L’EROI è il vero indicatore dell’efficienza energeti-ca, anche se spesso ci si concentra solo sull’efficienzafinale di utilizzo, senza percepire che questo è solol’ultimo anello di una lunga catena.

Per confrontare i diversi risultati disponibili in let-teratura va precisata quale definizione di questa gran-dezza è stata adoperata, giacché ne esistono almenoquattro accezioni diverse; Rotty fornisce una chiaradefinizione per ognuno di questi modi di intenderel’EROI [36].

La maggior parte degli autori fa riferimento al co-siddetto EROI dell’energia primaria (R2 secondoRotty) alcuni includono nelle loro analisi anche l’EROI finale che è il rapporto tra l’energia finale ricava-ta e l’energia finale investita (R3 secondo Rotty).6

La Tabella 2 riporta i valori degli EROI primario e

finale per i reattori nucleari com-merciali in tre periodi diversi dellaloro evoluzione, la prima colonnamostra i valori durante la decadedegli anni Settanta, la seconda colonna evidenzia i va-lori della centrale svedese di Forsmark calcolati dopoun periodo di funzionamento di venti anni (2002), nel-la terza colonna sono riportati i valori raggiunti con ireattori di terza generazione (2013). Nel computodell’energia investita è stata considerata quella neces-saria alla costruzione e allo smantellamento della cen-trale, al suo funzionamento, e alla gestione dei rifiutiradioattivi.

Tabella 2: Evoluzione nel tempo dell’EROI dei

reattori nucleari commerciali

Anno 1975 2002 2013[35] [36] [37]

R2 (EROI primario) 15.4 74.7 166.2

R3 (EROI finale) 9.6 - 105.0

Anni di vita della centrale 30 40 60

% arricchimento con diffusione 100 20 0

Fattore di carico 0.75 0.85 0.91

Diverse variabili concorrono alla determinazionedell’EROI: il grado di purezza dei minerali da dove siestrae l’uranio, la durata della centrale, il suo fattore dicarico, il livello d’irraggiamento del combustibile, l’ef-ficienza nella conversione da energia termica in elet-trica e, infine, la tecnologia di arricchimento. Riguardoquest’ultima, nel passato l’arricchimento è avvenutotramite il processo di diffusione, tecnica già abbando-nata da qualche tempo in favore dell’arricchimentomediante centrifugazione; tecnologia quest’ultima cheha permesso di ridurre di quaranta volte il consumodi energia del processo [37].

In [38] è stato determinato l’EROI per la generazio-ne di elettricità con diverse fonti di energia (Figura 7);insieme al rapporto è stato reso disponibile on-line unfile Excel con tutti i valori dei consumi energetici du-rante ciascuna delle fasi dei processi associati per ognisingola fonte. Con i dati presenti nel suddetto file èstata generata la Tabella 3 che elenca i costi energeticinecessari alla generazione di elettricità tramite la fis-sione nucleare includendo tutte le fasi, anche il de-commissioning e lo stoccaggio dei prodotti utilizzati; è


6 Le definizioni degli EROI primario e finale (R2 e R3)sono:

dove EOutEL è l’energia elettrica prodotta dal sistema,EInEL e EInTH sono le energie elettriche e termiche consuma-te dal sistema, e w è il costo della conversione da energia ter-mica in elettrica (≈ 3) [35].

stata ipotizzata una vita della cen-trale pari a sessanta anni.

Tabella 3: Consumi energetici per lagenerazione di 1 GWhe di un reattore nucleare

commerciale di III Generazione [38].

Thermal ElectricalMWhth/GWhe MWhe/GWhe

U Mining + Milling 0.91 0.91

U Conversion 0.75 0.00

U Enrichment 0.00 0.67

Fuel Fabrication 0.26 0.07

Total Fuel Front End 1.92 1.65

Maintenance LWR 1.11 1.84

Fuel disposal 0.52 0.08

Reactor Construction 1.23 0.59

Reactor Decommissioning 0.31 0.19

Total 5.09 4.34

Si evidenzia il forte impatto che hanno le speseenergetiche del combustibile (Total Fuel Front End,)sulla spesa totale (circa il 40%) in contrasto con la mi-nore rilevanza che ha il costo del combustibile nelladeterminazione del costo monetario del kWh (circa il12%). Questa apparente contraddizione è dovuta an-che al fatto che l’investimento energetico iniziale perla costruzione della centrale non comporta “interessienergetici” nel tempo, a differenza dell’investimentomonetario iniziale per la costruzione dell’impiantoche invece comporta costi considerevoli distribuiti neltempo.

L’EROI dei reattori veloci è maggiore di quello deireattori di terza generazione, in ragione dell’aumento:

• dell’efficienza della conversione energetica, otte-nuta grazie alla temperatura del refrigerante moltopiù elevata;

• ai livelli di bruciamento del combustibile più spin-ti;

• alla peculiarità dei reattori veloci di essere in gra-do, in determinate configurazioni, di generare ilproprio combustibile.

Si ha così che l’EROI primario del ciclo del combu-stibile dei reattori veloci varia tra 177 e 1000, a seconda



Figura 7: EROI per diverse fonti di elettricità, i valori “buffered” sono stati calcolati considerando l’energia impegnata perfare fronte alla non programmabilità delle fonti.[38]

dal rapporto di conversione del reattore7 (CR) e delnumero di cicli del combustibile presi in considerazio-ne [40].

Per quanto concerne i calcoli energetici, il reattoreadiabatico a piombo si può assimilare a un reattore ve-loce al sodio con CR=1, si ottiene così che un LFR haun EROI finale di 199. Valore determinato con l’impie-go dei dati della Tabella 4, che elenca i consumi ener-getici per il riciclo del combustibile e la sua fabbrica-zione secondo quanto riportato in [39]; i valori delconsumo energetico per il funzionamento e la manu-tenzione del reattore a piombo sono stati ipotizzati pa-ri a quelli di un reattore commerciale di terza genera-zione.

Tabella 4: consumi di energia finale di unreattore veloce per la generazione di 1 GWhe

[38-39].

MWh/ GWhe

MOX Recycling 0.542

MOX Fabrication 0.449

Reactor Construction & Decommissioning 1.078

Reactor Operation & Maintenance 2.950

Va ricordato che l’unico elemento da aggiungere alcombustibile ad ogni ciclo (oltre a quelli provenientidal riprocessamento) è l’uranio impoverito, disponibi-le senza consumo di energia, in quanto è uno scartoderivante dal processo di produzione del combustibileper i reattori LWR. Il quantitativo di questo materialeattualmente disponibile è in grado di alimentare lecentrali Gen. IV per un periodo considerevole.8 Inol-tre, la sua distribuzione è tale da non innescare tensio-ni geopolitiche.

L’introduzione dei reattori veloci porterebbe un ul-teriore incremento della sostenibilità degli impianti diGen-III, giacché il loro EROI sarebbe migliorato daireattori veloci fertilizzanti, che grazie ad una opportu-na scelta della composizione del loro combustibile so-no in grado di produrne più di quanto ne consumino,offrendo così la possibilità ai reattori ad acqua di fun-zionare con un combustibile che ha un minor costoenergetico.

Gli EROI degli impianti a combustibili fossili, subi-ranno un notevole peggioramento a causa del consu-mo energetico necessario per l’immagazzinamentodella CO2 (sequestro, compressione e/o liquefazione,suo trasporto tramite oleodotti e stoccaggio in deposi-ti sotterranei). Questo consumo addizionale sicura-mente oscurerà l’incremento dell’efficienza energeticadeterminato dall’evoluzione tecnologica degli impian-ti. In conclusione, possiamo valutare favorevolmente,anche prendendo in considerazione le stime meno po-sitive, il bilancio energetico dei reattori Gen. IV, para-gonabile alle migliori prestazioni degli impianti idroe-lettrici e superiore a tutte le altre fonti.

4.3 Emissione di gas serraNegli ultimi decenni è aumenta-

ta la preoccupazione, sia da partedella popolazione, sia da parte delleIstituzioni nazionali ed internazionali, circa gli effettiprovocati sul clima dai prodotti emessi nell’atmosferadurante la combustione. I rappresentanti degli Statipresenti alla 21ma Conferenza sul Clima di Parigi(Novembre 2015) hanno ribadito con forza gli impegniprecedentemente adottati e destinati a ridurre le emis-sioni di gas serra nel prossimo futuro. L’EU intendeabbassare il livello delle emissioni domestiche almenodel 40% rispetto a quelle del 1990 entro il 2030, edell’80% entro il 2050. Tutti gli scenari energetici pro-posti per raggiungere tale obiettivo prevedono un no-tevole incremento dell’uso dell’elettricità, con un si-gnificativo contributo dalle fonti intermittenti di ener-gia rinnovabile (ERI) [41].

Le fonti ERI, quali il fotovoltaico e l’eolico, possonocontribuire ad abbassare le emissioni CHG connessealla produzione elettrica, ma, un dato parco elettricodi questi sistemi, necessita una riguardevole frazionedi fonti programmabili, abbinata in modo da copriread ogni istante la differenza tra richiesta e generazio-ne. Come riporta l’IPCC [41] tra le fonti di produzioneelettrica disponibili oggi sul mercato, gli attuali reatto-ri nucleari commerciali, sono caratterizzati da livelli diemissione tra i più bassi in termini di gCO2eq/kWh,come mostrato nella Tabella 5, dove sono elencati i va-lori presenti in letteratura delle emissioni per tutte lefonti energetiche programmabili e non. Infatti, sebbe-ne esista una forte variabilità nei valori trovati dai di-versi autori per tutte le fonti, si osserva che in terminidi CO2 equivalenti, le emissioni delle centrali nuclearisi collocano tra quelle più ridotte.

Questa performance è ulteriormente migliorata neireattori Gen. IV, grazie alle minori emissioni associateal ciclo di generazione del combustibile, alla più lungadurata degli impianti, ai più elevati livelli di irraggia-mento del combustibile ed alla più efficace conversio-ne dall’energia termica in quella elettrica.


7 Si intende per rapporto di conversione (CR dalla siglain inglese) di un reattore veloce il rapporto tra il Pu disponi-bile alla fine di ogni ciclo e quello iniziale, si tratterà di unbruciatore se l’indice è minore di uno, o di un fertilizzante seil CR è maggiore di uno.

8 A livello mondiale sono disponibili più di un milione ditonnellate, un LFR di 1000 MWe ne consuma circa una ton-nellata ogni anno, e richiede un carico iniziale di circa 90 ton-nellate.

Tabella 5: emissioni CO2 equivalenti da diversefonti di elettricità (includendo gli effeti

sull’albedo), disposte secondo la medianadecrescente in gCO2eq/kWh [41].

Min Median Max

Currently Commercially Available Technologies

Coal – PC 740 820 910

Biomass – cofiring 620 740 890

Gas – combined cycle 410 490 650

Biomass – dedicated 130 230 420

Solar PV – utility 18 48 180

Solar PV – rooftop 26 41 60

Geothermal 6 38 79

Concentrated solar power 8.8 27 63

Hydropower 1 24 2200

Wind offshore 8 12 35

Nuclear 3.7 12 110

Wind onshore 7 11 56

Pre-commercial Technologies

CCS – Coal – PC 190 220 250

CCS – Coal – IGCC 170 200 230

CCS – Gas – combined cycle 94 170 340

CCS – Coal – oxyfuel 100 160 200

Ocean 5.6 17 28

5.0 Sostenibilità Economica

La valutazione degli aspetti economici della pro-duzione di energia presenta notevole difficoltà e pre-cedenti previsioni si sono spesso rivelate inaccurate.In particolare, per quanto concerne gli impianti nu-cleari si sono aggiunti ulteriori fonti di incertezza,elencate di seguito:

• Le forti oscillazioni dei prezzi delle materie prime,al di fuori dei valori determinati nelle previsionieconomiche in precedenza effettuate;

• L’attuale sovraccapacità elettrica istallata in alcuniPaesi Europei, conseguente dalla riduzione delladomanda innescata dall’attuale crisi economica;

• La distorsione del mercato, causata dalla priorità didispacciamento concessa alle energie rinnovabiliintermittenti, peraltro già sussidiate;

• Fattori di carico non noti e concorrenza con altrefonti programmabili che hanno migliori perfor-mance nella modalità di erogazione ad insegui-mento del carico, anche nella fascia di carico base;

• Ulteriori modifiche impiantistiche rivolte ad incre-

mentare i livelli di affidabilità dei sistemi di sicu-rezza, risultate dalle esperienze maturate dopo glieventi di Fukushima;

• Lunghi ritardi sulla tabella dei tempi di costruzio-ne di alcuni impianti per alcuni costruttori (ma nonper altri), dovuti alla maggiore complessità degliimpianti stessi e dalla perdita di expertise, determi-nata quest’ultima dai lunghi anni di pausa nella co-struzione di impianti nucleari;

• Variabili finanziarie (quali tassi di interesse, tassominimo di rendimento finanziario, accessibilità alcredito, ecc.).

La sostenibilità economica del nucleare deve esserevalutata in confronto alle altre fonti energetiche chepresentino caratteristiche comparabili di dispacciabi-lità e dei livelli di emissione di gas serra. Anche perqueste tipologie di impianti, in particolare idroelettri-ci, geotermici, a combustibili fossili con CSS e biomas-se, le valutazioni economiche sono influenzate da di-versi livelli di incertezza, causati da:

• Fluttuazione del costo dei combustibili;• Incertezze associate ai processi di sequestro e di

immagazzinamento della CO2, per quanto riguar-da la tecnologia da adottare, i costi e l’impatto am-bientale;

• Previsione dell’effettivo fattore di carico, determi-nato dalla percentuale di potenza intermittenteistallata che, come già segnalato gode della prioritàdi dispacciamento;

• Necessità di garantire la stabilità della fornitura dielettricità in un contesto di una massiccia presenzadi fonti non programmabili ed intermittenti. Fatto-re che determina che i futuri impianti programma-bili debbano essere in grado di variare rapidamen-te la potenza erogata, comportando l’introduzionedi appositi miglioramenti tecnologici con il conse-guente incremento dei costi di costruzione, manu-tenzione e gestione [43-44].

5.1 Il progetto LEADERUn primo elemento per determinare la sostenibilità

economica del reattore a piombo si ha con la valuta-zione dei costi di questa tipologia rispetto agli attualireattori commerciali di terza generazione; ciò è statorealizzato nell’ambito del progetto LEADER [45], suc-cessivamente nel riferimento [46] è stato aggiornato eanalizzato con più dettaglio.

È stato adottato un approccio top-down (basato suidati storici dei reattori Gen. III e sui costi preliminaridel progetto ELFR). È stato utilizzato il sistema per leprevisioni contabili denominato G4Econs, sviluppatodal gruppo di lavoro di modellizzazione economicadel Forum Internazionale Gen. IV (GIF) [47]. In tale si-stema, l’impianto è suddiviso in componenti di costo,valutate con diversi livelli di dettaglio della spesa, aseconda della fase di progettazione del reattore.

Per ulteriori conteggi, la distribuzione dei costi tra idiversi sistemi/componenti è stata ricavata da diversefonti per diversi tipi di reattore. Ad esempio, i costi del



contenitore del reattore e delle altre componenti delcircuito primario incidono più significativamente per ireattori Gen. IV, rispetto ai reattori Gen. III, a causadell’utilizzo di materiali più costosi, tali da resistere atemperature più elevate e all’azione corrosiva del re-frigerante.

Sono stati adottati fattori di scala per analizzarereattori di diverse potenze (600 MWe per ELFR), ri-spetto all’impianto di riferimento Gen. III (1100 MWe),sono stati, inoltre, considerati i benefici determinatidall’eventualità della costruzione modulare [48].

In questo modo si è realizzata una prima stima deivalori e dei margini di variazione. Questo metodo, de-finito approccio ottimistico/pessimistico, è stato scel-to in ottemperanza alle linee guida G4Econs, sia perquanto concerne i costi di costruzione che della pro-duzione energetica.

È stato determinato un valore di riferimento per ilcosto di costruzione “overnight” di 4100 €/kWe;l’analisi di sensibilità ha evidenziato che la variabilitàdipende da fattori di scala e modularità; l’incertezzarelativa è dell’ordine del 20% dei costi di costruzione,determinando un valore collocato nella gamma 3600€/kWe-4900 €/kWe.

La produzione di energia è stata contabilizzataconsiderando sia i costi di manutenzione e di opera-zione, sia quelli relativi al ciclo del combustibile, otte-nendo un valore compreso nella gamma 22,5 €/MWe-69 €/MWe con 37,5 €/MWe quale valore di riferi-mento.

I risultati ottenuti in [45] sono riassunti nella Tabel-la 6, da notare che i valori del costo di generazionedell’energia elettrica sono stati calcolati con un tassodi sconto nullo. Se si considera un valore del 7% perquesta variabile, il costo dell’energia prodotta con unLFR è pari ad un valore di 82 €/MWh con una gammadi variabilità tra 62 e 110 €/MWh.

Da queste valutazioni preliminari si conclude che ilcosto per unità di potenza installata dei reattori LFR èdello stesso ordine rispetto a reattori con sicurezzapassiva Gen-III.

In ogni caso per comprendere meglio queste stimee gli ultimi paragoni fatti, si dovrebbe utilizzare un

approccio più dettagliato.Innanzitutto, bisogna considera-

re che il prezzo dell’elettricità, an-drebbe valutato tenendo in debitaconsiderazione il costo previsto per il 2040 delle altrefonti energetiche. Va anche sottolineato che le previ-sioni sul prezzo dei combustibili fossili si sono sinoradimostrate perlomeno inaccurate.

In secondo luogo, in particolare negli ultimi anni,cambiamenti notevoli hanno influito significativa-mente sul costo dell’elettricità. Fra i più rilevanti, l’in-fluenza sul mercato globale del gas e petrolio da scisto(shale gas e shale oil) che ha portato il prezzo del gasnegli USA a circa un terzo di quello europeo e ad unquarto di quello italiano. Va aggiunto che la crisi eco-nomica ha causato la diminuzione della richiesta ener-getica, portando molti impianti al di sotto della sogliadi redditività. In questo contesto la comparazione deicosti comporta maggiori incertezze nel caso di im-pianti ad alto capitale di investimento. È necessariocomunque attuare un tentativo in questa direzione.Per cercare di ridurre il numero di variabili, sono stateadottate due premesse: in primis, sono state esclusedal confronto le fonti non programmabili (ERI), prin-cipalmente per i loro diversi fattori di capacità rispettoa qualsiasi fonte programmabile. Un eventuale con-fronto con le ERI andrebbe fatto abbinandole a appro-priati sistemi di immagazzinamento dell’energia, ecollocandole più che mai fuori mercato. La loro inclu-sione nella comparazione aprirebbe comunque un di-battito che va oltre le finalità di questo rapporto [43-44]. In secondo luogo, tenuto conto della necessità dirispettare i parametri di Kyoto e di obbedire alle diret-tive europee, si è scelto di eseguire il confronto solo trafonti con un livello ridotto di emissioni, considerandotra queste anche le fonti fossili che si avvalgono di tec-niche di sequestro e immagazzinamento (CSS), a di-spetto della difficoltà di valutare la reale quantità diCO2 sequestrabile e i relativi costi associati a causadell’immaturità della relativa tecnologia.


Tabella 6: Costi dell’ELFR secondo le stime realizzate nel progetto LEADER.

5.2 Costi dei reattori di terzagenerazione

Secondo quanto discusso prece-dentemente la valutazione dei costi per i reattori diquarta generazione raffreddati a piombo è strettamen-te associata a quella dei reattori raffreddati ad acquadi terza generazione; pertanto di seguito sono analiz-zati i costi per questo ultimo tipo di reattore.

Il rapporto che periodicamente compilano le dueagenzie internazionali IEA e NEA (Agenzia Interna-zionale dell’Energia e Agenzia per l’Energia Nuclearerispettivamente) è una accurata e affidabile fonte peranalizzare l’andamento dei costi di produzionedell’elettricità [50]9. Nella Figura 8 si mostra un’elabo-razione dei dati di questo rapporto per un tasso disconto del sette per cento, dall’analisi della figura siconclude che:• i costi di produzione dell’elettricità sono stretta-

mente legati alla corrispondente area geografica: lamediana del costo dell’energia nucleare varia dacirca 44 $/MWh per i paesi asiatici, passando per78 $/MWh negli Stati Uniti e superando gli 84$/MWh nei paesi europei;

• nel 2014 il costo dell’energia prodotta con il nuclea-re era il più basso rispetto alle fonti fossili, trannenegli Stati Uniti per il gas.

Per perfezionare la valutazione, sarebbe necessariofar riferimento a studi europei che tengano conto dellenuove tecnologie sviluppate e disporre di proiezioni

dei costi per tipologie impiantistiche la cui costruzio-ne inizierà nei prossimi decenni. Tali condizioni sonostate rispettate dallo studio del Dipartimento Energia& Cambiamento Climatico del Regno Unito (DECC)[50], i cui risultati sono mostrati nella Tabella 7.

In ogni caso, persino ipotizzando un costo premioLFR del 10% (tenendo cioè in debita considerazione il



9 Nella tabella 9-11 di [50] è riportato, tra 75-175 $/MWh,il valore del costo dell’elettricità per reattori di IV generazio-ne raffreddati al sodio entranti in funzione nel 2030. Interpel-lati, i curatori del rapporto hanno segnalato che tali valorinon sono stati forniti da parte dei gruppi che attualmente la-vorano allo sviluppo di SFR bensì sono il risultato di valuta-zioni condotte all’interno dell’Agenzia NEA.

Figura 8: Costo della produzione dell’energia elettrica($/MWh) per diversi fonti programmabili. Si osserva laforte variabilità tra le diverse zone geografiche, datielaborati da [49].

Tabella 7: Costo dell’elettricità con i relativi livelli di incertezza per impianti da commissionare nel periodo 2025-2030, elaborazione dei dati del “Department of Energy & Climate Change (DECC)”

del Regno Unito [50].

Technology type Levelised Cost estimates for Levelised Cost estimates for projects commissioning in 2025 projects commissioning in 2030

£/MWh £/MWh

Low Central High Low Central High

Nuclear FOAK/NOAK 75 86 101 67 77 89

CCGT with post-combustion CCS-FOAK 94 105 118 93 104 118

CCGT with pre-combustion CCS-FOAK 109 124 143 107 123 143

COAL ASC with ammonia, FOAK 120 141 170 116 137 165

COAL IGCC with retro CCS, FOAK 102 120 144 101 119 142

BIOMASS with CCS 174 188 239 174 188 239

HYDROPOWER 100kW-1000kW 87 154 301 87 154 301

fatto che si tratta di una tecnologia nuova e non speri-mentata, rispetto a quella dei reattori Gen. III), la so-stenibilità economica di questi impianti si dimostraraggiungibile.

Un’ulteriore verifica della ragionevolezza dei costicalcolati è contenuta nel rapporto.

Tabella 8: Costo dell’elettricità per diverse fonti di energia. Elaborazione dei dati del “The Annual

Energy Outlook 2015” dell’EIA (USA) [51]

Plant type Levelised Cost for plants

entering in service in 2020

$/MWh

Advanced Coal with CCS 144.4

Advanced gas CC with CCS 100.2

Advanced Nuclear 95.2

Geothermal 47.8

Biomass 100.5

Hydro 83.5

5.3 EsternalitàPer avere un quadro completo sui costi dell’elettri-

cità vanno anche considerate le esternalità associatealla sua produzione. Il Prof. W. D’Haeseleer, direttoredel KU Leuven Energy Institute (Belgio), ha realizzatoun approfondito studio sui costi dell’Energia Nucleareper incarico della Direzione Generale Energia del-l’Unione Europea. Per la sua realizzazione sono statianalizzati un centinaio di lavori e interpellati i princi-pali attori del settore in Europa [52].

D’haeseller ha trovato che i costi esterni associati alfunzionamento di una centrale nucleare sono nell’or-dine di 2 €/MWh, notabilmente ridotti se confrontaticon i costi di altre fonti programmabili, ad esempio,nel caso del carbone i costi esterni di funzionamentoraggiungono 31 €/MWh. In conseguenza della fortediscrepanza tra diversi autori nel determinare i costiesterni associati agli incidenti nucleari, D’Haesellernon riporta un costo in termini di unità di energia maindica per Chernobyl un valore totale di 360 miliardidi € del 2005 e per Fukushima 150 miliardi di dollaridel 2014, valori che se riportati all’energia totale pro-dotta in queste centrali fa levitare il costo delle ester-nalità di pochi € per MWh.

Conclusioni

In questo rapporto sono stati discussi i diversiaspetti concernenti la sostenibilità dei reattori velocirefrigerati a piombo.

Il nuovo approccio concettuale applicato nella loroprogettazione, basato su concetti fisici innovativi, con-ferisce caratteristiche di sicurezza intrinseca che ridu-cono drasticamente il livello di rischio di questa tipo-logia di reattori.

La significativa riduzione dellaquantità delle scorie prodotte e delloro livello di radiotossicità, conferi-sce ai reattori a piombo un maggior grado di sosteni-bilità. È indiscutibile il fatto che l’ottimizzazione delciclo del combustibile, con il raggiungimento in prati-ca della sua chiusura, basata sul concetto di reattoreadiabatico, diminuisce notevolmente l’impatto am-bientale e pone le basi per riconsiderarne l’accettabi-lità dell’opzione nucleare da parte del pubblico.

Le previsioni EROI per i reattori Gen. IV pongonoquesti impianti al vertice delle stime in confronto atutte le altre tipologie ad emissione ridotta di CO2 inmodo da renderli impianti estremamente efficienti.

Gli odierni reattori nucleari sono già competitivi ri-spetto alle altre fonti energetiche, l’estrapolazione delconfronto a lungo termine presenta innumerevoli in-certezze. Il costo premio degli ELFR, riguardo ai reat-tori a sicurezza passiva Gen. III+, è stato studiato indettaglio nell’ambito del progetto LEADER ed è statostimato nell’ordine del 10%. Le caratteristiche di sicu-rezza intrinseca e semplicità di gestione di questi reat-tori, consentono di pronosticare la riduzione di questopremio, grazie a futuri miglioramenti della loro inge-gnerizzazione.

L’impegnativo obiettivo di ridurre drasticamentele emissioni GHG prima della metà del secolo, ci co-stringe a mettere a punto nuove tecnologie di produ-zione elettrica in grado di raggiungere questo traguar-do e che, nel contempo, assicurino l’erogazione dienergia a basso costo per consentire la crescita econo-mica a livello mondiale. Tutte le opzioni ipotizzabili, alivello di ricerca, vanno perseguite con lo stesso impe-gno. Il reattore adiabatico LFR costituisce una delle al-ternative. Gli LFR sono attualmente i migliori candi-dati per raggiungere lo scopo della riduzione delleemissioni, e rappresentano una valida scelta per sosti-tuire gli attuali reattori commerciali, che oggi assicura-no il 27% dell’energia elettrica europea e l’11% di quel-la mondiale, una volta che questi abbiano esaurito illoro ciclo vitale.

Le istituzioni, gli scienziati e i giornalisti dovrebbe-ro informare adeguatamente la popolazione sui rischireali e sui benefici connessi a tutte le fonti di energia,per consentire al cittadino una scelta serena e consape-vole ed eticamente corretta fra le diverse opzioni ener-getiche.




Appendice

Indicatori di sostenibilità per diverse fonti di elettricità dal riferimento [15]

Riferimenti

[1] Jerry Taylor, “Sustainable De-velopment: A Dubious Solution

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21mo SECOLOSCIENZA e TECNOLOGIA

rivista di informazione scientifica ed economica

Quaderno N. 8 dell’Associazione Italiana Nucleareallegato alla rivista

21mo SECOLO – SCIENZA E TECNOLOGIAAnno 28 - numero 3 – ottobre 2017

Registrazione Tribunale di Roma N. 656 del 9 novembre 1990Editore:

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Gli atti della Giornata annuale di studio AIN del giugno 2017, sono stati pubblicati sul numero di 21mo SECOLO SCIENZA E TECNOLOGIA dell'ottobre 2017 e possono essere richiesti

alla redazione ([email protected]).

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