L'esigenza di una valida opzione di energia nucleare estesa è grande. In primo luogo, si prevede che la domanda globale di energia crescerà di almeno il 50% entro il 2035, con una domanda elettrica che dovrebbe triplicare nei Paesi in via di sviluppo.¹ Attualmente, più di un miliardo di persone non ha accesso all'elettricità, mentre altri miliardi di persone consumano un decimo o meno dell'elettricità pro capite consumata nell'OCSE; inoltre, gran parte di questa fornitura è intermittente.² Un'alimentazione abbondante, su richiesta e 24 ore su 24 è essenziale per lo sviluppo umano e la crescita economica.
Allo stesso tempo, circa l'80% dell'energia mondiale e circa due terzi dell'elettricità mondiale derivano da combustibili fossili.³ Nell'accordo sul clima di Parigi del dicembre 2015, 195 nazioni hanno adottato l'obiettivo di contenere il riscaldamento globale entro un aumento di 1,5-2 gradi (Celsius) della temperatura media globale rispetto ai livelli preindustriali. L'analisi del Gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico ha stabilito che per raggiungere questo obiettivo sarà necessario un sistema energetico globale che non emetta quasi più anidride carbonica poco dopo la metà del secolo.⁴
A sua volta, quasi tutte le analisi autorevoli delle tecnologie energetiche necessarie nei prossimi decenni per creare un sistema energetico a emissioni di carbonio quasi nulle hanno concluso che probabilmente ci sarà bisogno di grandi quantità di energia nucleare. Recenti rapporti del Gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico, dell'Agenzia internazionale per l'energia, della Rete delle Nazioni Unite per le soluzioni sostenibili, dell'Istituto congiunto di ricerca sul cambiamento globale e del Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale suggeriscono che il mondo avrà bisogno di una capacità nucleare di 1600 GW o più entro il 2035-2050 per raggiungere gli obiettivi.Attualmente, circa 450 reattori operativi producono poco meno di 400 GW,⁶ con meno di 100 che producono poco meno di 100 GW negli Stati Uniti.⁷ Per raggiungere gli obiettivi climatici globali nei prossimi decenni, sarà necessario quadruplicare l'attuale capacità nucleare globale e aumentare in modo sostanziale il tasso annuo di diffusione globale (si vedano le figure 1 e 2).
Per raggiungere questo tipo di obiettivi per lo sviluppo umano e per il cambiamento climatico sarà necessario un tipo di reattore nucleare sostanzialmente diverso, meno costoso, più veloce da realizzare e con maggiori probabilità di essere accettato dal pubblico.
Fortunatamente, la tecnologia non è ferma. Gli attuali leader dello sviluppo nucleare e decine di aziende innovative stanno sperimentando progetti nuovi o aggiornati che potrebbero essere commercialmente pronti con un'adeguata infrastruttura commerciale e un sostegno politico. Questi progetti impiegano combustibili e tecnologie di reattori diversi che sono potenzialmente molto più sicuri ed economicamente convenienti, più veloci da costruire, producono meno scorie e hanno un rischio minore di proliferazione.
I. Il potenziale dell'energia nucleare avanzata
Per molte ragioni, l'attuale flotta mondiale è composta prevalentemente da due famiglie di reattori ad acqua leggera: reattori ad acqua pressurizzata o ad acqua bollente. Negli ultimi 40 anni, la flotta ha ottenuto significativi miglioramenti nelle prestazioni e nella progettazione dei sistemi di sicurezza e oggi fornisce oltre il 30% della produzione di energia senza emissioni di carbonio in tutto il mondo.⁸ Tuttavia, l'attuale flotta convenzionale presenta caratteristiche progettuali e operative che hanno limitato le prestazioni, la redditività economica e la percezione del rischio dell'industria nucleare negli ultimi 40 anni e più. I reattori avanzati hanno caratteristiche che possono risolvere alcuni di questi limiti dell'attuale flotta.
A. Che cos'è l'"energia nucleare avanzata"?
L'espressione "energia nucleare avanzata" implica un reattore o un ciclo del combustibile che deve offrire alcuni dei seguenti attributi:
- minori costi di capitale e/o operativi;
- producibilità o capacità di impiego rapido;
- sistemi di sicurezza passiva;
- facilità di funzionamento e manutenzione;
- riduzione delle zone di pianificazione delle emergenze, riduzione dell'impatto fuori dal sito in caso di incidente e maggiore flessibilità/scalabilità della localizzazione;
- una maggiore resistenza alla proliferazione;
- diminuzione dell'uso dell'acqua;
- diminuzione della produzione di rifiuti e/o capacità di gestione degli attinidi;
- un uso più efficiente delle risorse di carburante;
- adattabilità alla generazione ibrida (ad es. produzione di idrogeno, desalinizzazione, ecc.) e/o all'inseguimento del carico
- riduzione degli input di materiale.
Una singola tecnologia può offrire o meno tutti questi miglioramenti; tuttavia, la gamma di tecnologie che offrono alcuni di questi miglioramenti è ampia e comprende sia le tecnologie di fissione che di fusione.
B. In che modo i reattori avanzati rispondono a queste caratteristiche desiderate?
Costo del capitale. Meno del 20% dei costi di una centrale nucleare convenzionale ad acqua leggera è legato al costo del reattore nucleare stesso e delle attrezzature per la produzione di energia. La maggior parte dei costi deriva dalla costruzione di grandi strutture di contenimento, dalle apparecchiature di raffreddamento, dalle infrastrutture del sito e dai costi di finanziamento per i lunghi tempi di costruzione (in genere 4-5 anni o più, rispetto ai mesi o due anni di una centrale a gas o a carbone). Sebbene i futuri reattori avanzati ad acqua leggera possano ridurre i costi di capitale, i reattori avanzati non ad acqua leggera possono affrontare il problema dei costi in due modi. In primo luogo, eliminando l'acqua dal processo di raffreddamento, usando refrigeranti con caratteristiche diverse e utilizzando strategie di sicurezza intrinseche, si elimina la necessità di un grande contenimento pressurizzato e di apparecchiature di raffreddamento ridondanti, eliminando fino a due terzi della massa totale dell'impianto in cemento e acciaio. In secondo luogo, riducendo la complessità e le dimensioni delle strutture necessarie in loco, la maggior parte dell'impianto avanzato può essere costruito in fabbrica o in un cantiere navale e consegnato in loco. In questo modo i tempi di costruzione possono essere dimezzati, o meglio, si possono evitare due anni o più di costi significativi di finanziamento dell'impianto. Un recente sondaggio condotto tra una dozzina di sviluppatori di reattori avanzati ha suggerito costi di capitale dei reattori avanzati pari a circa un terzo o alla metà degli attuali livelli dei grandi LWR e tempi di costruzione "unici nel loro genere" di poco più di due anni.
Tassi di diffusione. Riducendo la complessità e consentendo tempi di costruzione più rapidi, è possibile raggiungere i tassi di diffusione necessari per contrastare il pensionamento degli impianti e rispettare gli obiettivi climatici futuri. Produttori come Boeing producono 600-700 aeroplani all'anno e i costruttori navali mondiali producono ogni anno decine di grandi navi oceaniche. Inoltre, grazie al miglioramento della sicurezza e delle caratteristiche delle scorie, i reattori avanzati avranno probabilmente bisogno di meno terreno, di un minore sviluppo del sito e di tempi di approvazione ridotti. Alcuni progetti, come alcuni reattori a sali fusi, incorporano dispositivi di sicurezza, come tappi che si sciolgono in caso di aumento delle temperature nel nocciolo del combustibile, scaricando il combustibile in una camera sotterranea isolata. Altri progetti incorporano caratteristiche di sicurezza passiva che si affidano alle forze naturali del nostro mondo, come la gravità e la convezione, per ottenere una maggiore sicurezza.
Gestione dei rifiuti. I reattori ad acqua leggera utilizzano meno del 5% del valore energetico del loro combustibile, lasciando il 95% come scorie. Molti reattori avanzati, che operano sullo spettro dei neutroni veloci, possono aumentare notevolmente l'utilizzo del combustibile, lasciando un volume di scorie molto inferiore. Inoltre, le scorie rimanenti sono molto meno persistenti, con emivite di tossicità di centinaia, anziché decine di migliaia, di anni. Ciò potrebbe consentire una soluzione ingegneristica per lo stoccaggio delle scorie che sia sicura per secoli rispetto a un deposito di scorie a lunga vita che richiede una certificazione per millenni.
Proliferazione delle armi e protezione fisica. Come per gli attuali reattori ad acqua leggera, esiste sempre il rischio di diversione del materiale nucleare per scopi illeciti, come l'uso nello sviluppo/produzione di armi a livello statale o l'uso in una "bomba sporca" da parte di un attore non statale. Un potenziale vantaggio dei reattori avanzati è che molti progetti utilizzano combustibili e producono flussi di rifiuti che non sono così desiderabili per la diversione. In primo luogo, perché molti combustibili avanzati non sono facilmente accessibili (ad esempio, i combustibili liquidi in un reattore a sali fusi) e, in secondo luogo, perché i flussi di rifiuti sono spesso molto più piccoli a causa dell'elevata combustione del materiale fissile durante il funzionamento. Gli sforzi in corso in questo settore per quantificare e valutare la "salvaguardabilità" devono continuare a ritmo sostenuto e devono essere presi in considerazione in qualsiasi sforzo di regolamentazione e autorizzazione.
Applicazioni multiple. Gli attuali reattori ad acqua leggera sono in grado di produrre energia elettrica su un carico di base, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Tuttavia, molti reattori avanzati sono più versatili e possono più facilmente essere utilizzati per adattarsi alle fluttuazioni del carico, cosa che potrebbe diventare più importante con l'aggiunta di quantità crescenti di energia eolica e solare alle reti globali. Inoltre, molti reattori avanzati producono calore a temperature molto più elevate, che può essere utilizzato per applicazioni di calore di processo nell'industria chimica, della raffinazione, della lavorazione degli alimenti e dell'acciaio (il cui utilizzo di calore da combustibili fossili è responsabile di oltre il 10% delle emissioni globali di CO₂), per sostituire le caldaie nelle centrali a carbone esistenti e per numerose altre applicazioni.
CATF ha prodotto un manuale più esteso sull'energia nucleare avanzata, in cui molti di questi punti vengono approfonditi.
II. Ridurre i costi e migliorare la disponibilità dell'attuale tecnologia nucleare
Mentre l'esperienza recente negli Stati Uniti e in Europa ha mostrato costi elevati per le nuove unità nucleari, molti progetti nucleari in tutto il mondo vengono costruiti oggi a un costo di capitale inferiore del 50-80% rispetto ai progetti attuali e recenti negli Stati Uniti e in Europa. (Si veda la Figura 3).
A questo livello di costi, il nucleare è competitivo sia con le fonti di energia elettrica a combustibile fossile che con molte fonti rinnovabili, come mostra la Figura 4 qui sotto.
Un recente studio⁹ commissionato dall'Energy Technologies Institute (ETI 2018) ha rilevato che il divario tra i costi dei progetti nucleari globali più e meno costosi è dovuto principalmente alle migliori pratiche industriali, alla produttività della manodopera e alla strategia di costruire lo stesso progetto ripetutamente, massimizzando l'apprendimento tra le unità. Le riduzioni dei costi hanno poco a che fare con i tassi di manodopera più bassi, la qualità della costruzione o il rigore delle norme di sicurezza. Risultati simili sono contenuti nel recente rapporto del MIT "The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World" (Il futuro dell'energia nucleare in un mondo limitato dalle emissioni di carbonio).
Queste best practice non sono specifiche per ogni Paese. Possono essere trasferite a livello globale e migliorate per ridurre ulteriormente i costi e i tempi di costruzione. Un esempio storico è rappresentato dal modo in cui il Toyota Manufacturing System ha sfidato i produttori di automobili statunitensi all'inizio degli anni Novanta. La Toyota produceva veicoli di alta qualità a costi molto più bassi. Invece di andare in bancarotta, le aziende statunitensi hanno implementato parti chiave dell'approccio Toyota, salvando il loro settore e fornendo la base per la costruzione di fabbriche statunitensi da parte di concorrenti stranieri. Una parte significativa dei costi più elevati può essere indirettamente ricondotta all'inesperienza e ai progetti first-of-a-kind (FOAK). Costruire qualcosa per la prima volta o farlo in un Paese per la prima volta (o dopo una pausa prolungata) rende molto difficile implementare le migliori pratiche e l'alta produttività del lavoro - due dei principali fattori di costo secondo lo studio - durante tutto il progetto.
Il raggiungimento della riduzione dei costi richiederà una significativa trasformazione interna dell'industria nucleare, che deve essere sostenuta da politiche pubbliche e dalla continua ricerca e sviluppo:
Gli sviluppatori e gli acquirenti dell'attuale tecnologia di raffreddamento ad acqua devono riprogettare il loro processo e il loro modello commerciale per affrontare le opportunità di riduzione dei costi delineate nello studio. Alcuni esempi sono:
- L'impegno a completare la progettazione dettagliata dell'impianto e il processo di pianificazione dettagliata della costruzione prima del getto del calcestruzzo.
- Gestione unificata della costruzione.
- Applicare le migliori pratiche per la gestione della catena di approvvigionamento e della manodopera, consentendo loro di portare avanti l'esperienza e l'apprendimento da un progetto all'altro.
- Un'organizzazione interna di apprendimento delle "migliori pratiche di costruzione" equivalente all'apprendimento operativo facilitato dall'Institute of Nuclear Power Operators.
Anche il governo deve svolgere un ruolo:
- La riduzione dei costi dovrebbe essere uno dei principali obiettivi di qualsiasi programma di R&S per l'energia nucleare sponsorizzato dal governo. Questi si sono tipicamente concentrati sulla tecnologia e sulla sicurezza dei reattori invece che sulla fabbricazione dei componenti, sulla consegna e sulla costruzione degli impianti.
- Qualsiasi futuro sostegno governativo ai reattori esistenti dovrebbe essere subordinato al fatto che le migliori pratiche di riduzione dei costi siano state inserite nel progetto.
- Il governo dovrebbe anche considerare la possibilità di sostenere strutture comuni, come l'affitto di cantieri navali per l'assemblaggio dei reattori.
- Armonizzazione delle licenze internazionali per massimizzare la trasferibilità degli stessi disegni.
- Regolamentazione più orientata ai risultati per consentire piccole modifiche al progetto senza pesanti oneri burocratici.
- È necessaria una politica energetica chiara e a lungo termine da parte dei governi federali e statali. Dovrebbe includere obiettivi di decarbonizzazione che comprendano tutte le fonti energetiche pulite e consentano all'energia nucleare di svolgere un ruolo. Questo aiuterebbe a giustificare il programma intenzionale a lungo termine di apprendimento e miglioramento dell'efficienza dei costi attraverso le migliori pratiche di gestione, l'organizzazione di alleanze produttive e la costruzione di catene di approvvigionamento efficienti.
L'analisi di cui sopra si applica all'attuale tecnologia nucleare raffreddata ad acqua. I reattori più avanzati - che in genere utilizzano refrigeranti diversi dall'acqua - presentano una serie di caratteristiche diverse che potrebbero ridurre ulteriormente i costi (oltre a migliorare ulteriormente le prestazioni in termini di sicurezza, rifiuti e non proliferazione). In particolare, molti di questi progetti prevedono le seguenti caratteristiche di controllo dei costi:
- Riduzione della portata, della durata e della manodopera della costruzione, in particolare in cantiere, grazie al minor numero di edifici e di sistemi di sicurezza necessari grazie alla progettazione della sicurezza passiva.
- Progettato per consentire una percentuale molto più elevata di produzione in fabbrica di componenti e assemblaggi chiave.
- Progettazione di impianti più semplice che consente un'assicurazione di qualità e una verifica meno laboriosa.
- Design modulare e altamente standardizzato.
- Progettare per il riutilizzo del progetto e la costruibilità.
- L'isolamento sismico progettato riduce i costi di progettazione specifici del sito.
- Meno personale operativo grazie alle caratteristiche di sicurezza intrinseche del progetto del reattore/impianto e del tipo di combustibile.
- Alcune aziende stanno incorporando miglioramenti per le operazioni virtuali e a distanza.
Il rapporto ETI e altri studi¹¹ trovano che i reattori avanzati presentano la possibilità di un cambiamento graduale nella riduzione dei costi nei mercati dell'UE/USA rispetto ai progetti convenzionali costruiti nell'UE/Nord America, anche al di là delle riduzioni delineate nel rapporto dell'ETI per i reattori convenzionali raffreddati ad acqua.
Anche se queste iniziative di riduzione dei costi e i nuovi progetti non risolveranno tutti gli ostacoli all'espansione dell'energia nucleare a livello globale, renderanno il nucleare un'opzione molto più valida per la decarbonizzazione e, di conseguenza, i nostri sforzi di decarbonizzazione molto più efficienti.
¹ Prospettive energetiche BP al 2035
² Dati sulla popolazione mondiale su: https://esa.un.org/unpd/wpp/Download/Standard/Population/; Dati sull'accesso all'elettricità su http://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.ZS
³ Consumo di energia da combustibili fossili a http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.COMM.FO.ZS;
http://databank.worldbank.org/data/reports.aspx?source=world-development-indicators#
⁴ Fawcett, Allen A., et al. "Possono gli impegni di Parigi scongiurare gravi cambiamenti climatici?". Science 350.6265 (2015): 1168-1169.
⁵ Si veda, ad esempio, Intergovernmental Panel on Climate Change, Working Group III - Mitigation of Climate Change, http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg3/, Presentation, http://www.slideshare.net/IPCCGeneva/fifth-assessment-report-working-group-iii slides 32-33; International Energy Agency, World Energy Outlook 2014, p. 396; UN Sustainable Solutions Network, "Pathways to Deep Decarbonization" (luglio 2014), a pagina 33; Global Commission on the Economy and Climate, "Better Growth, Better Climate: The New Climate Economy Report" (settembre 2014), Figura 5 a pagina 26; Joint Global Change Research Institute, Pacific Northwest National Laboratory, presentazione a Implications of Paris, First Workshop, College Park, MD, 4 maggio 2016 (JGCRI, College Park, MD, 2016); http://bit.ly/JCRI-Paris.
⁶ https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/WorldTrendNuclearPowerCapacity.aspx
⁷ https://www.nei.org/resources/statistics/world-nuclear-generation-and-capacity
⁸ BP Statistical Review of World Energy (giugno 2018) https://www.bp.com/content/dam/bp/en/corporate/pdf/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-full-report.pdf, p. 48
⁹ Energy Technologies Institute, "The ETI Nuclear Cost Drivers Report" (aprile 2018), https://www.eti.co.uk/library/the-eti-nuclear-cost-drivers-project-summary-report.
¹¹ Vedere Clean Air Task Force, "Energia nucleare avanzata: Necessità, caratteristiche, costi e opportunità del progetto". (aprile 2018); cfr. Energy Options Network, "WHAT WILL ADVANCED NUCLEAR POWER PLANTS COST?: A Standardized Cost Analysis of Advanced Nuclear Technologies in Commercial Development" (luglio 2017),
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