Il battage mediatico annuncia come “imminente” la fusione nucleare. Tra tre anni, invece, è prevista l’accensione del primo plasma nel tokamak di ITER, la macchina toroidale (a forma di ciambella) i cui magneti superconduttori servono a confinare i nuclei di idrogeno riscaldati fino a 100 milioni di gradi.
Alcuni mesi fa, l’annuncio riguardava invece l’uso del torio in alcuni tipi di reattori nucleari. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha annunciato l’avvio di test su un combustibile nucleare a base di torio. Questo “nuovo” combustibile, denominato ANEEL (Advanced Nuclear Energy for Enriched Life), sarebbe, stando alle scarne informazioni disponibili, “una combinazione di torio e uranio a basso arricchimento (HALEU) ad alto dosaggio. Può essere utilizzato nei reattori CANDU e in altri modelli di reattori ad acqua pesante pressurizzata”.
È, in buona sostanza, il riciclaggio del combustibile nucleare usato dai reattori di ricerca di proprietà del governo, e non solo, per recuperare l’uranio altamente arricchito (più del 20%), che può essere poi decomposto per produrre combustibile HALEU. Il nuovo combustibile sarebbe quindi una miscela di torio e HALEU.
Sull’annunciata riduzione dell’87,5% della produzione di scorie da parte della società privata Clean Core, meglio attendere una certificazione dell’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica (AIEA).
L’intuizione di Carlo Rubbia
Un sostenitore dell’uso del torio è il premio Nobel italiano. Da più di tre decenni sono oggetto di sperimentazione diversi progetti: l’Energy Amplifier di Rubbia, l’Omega in Giappone e l’APT negli Stati Uniti. Il problema principale sembra essere stato l’assunzione del rischio finanziario.
La sponsorizzazione dell’Energy Amplifier da parte di Rubbia si basava sullo slogan: “Dobbiamo cancellare dalla lista delle paure popolari tre parole: (1) Hiroshima, (2) Chernobyl, (3) Deposito Geologico”.
Ed è questo che, da almeno tre decenni, cercano di fare gli ADS (Accelerator Driven System), sistemi guidati da acceleratori di particelle che permetterebbero, si afferma, di eliminare le paure normalmente associate al settore nucleare — incidenti, scorie e proliferazione degli armamenti — mantenendone, nel frattempo, tutti i vantaggi.
In pratica, si tratta di macchine che, attraverso un acceleratore, sono in grado di trasmutare le scorie e, contemporaneamente, produrre energia. Questo è quanto si sostiene da almeno tre decenni, anche se sul piano realizzativo non si è ancora visto molto.
Il vantaggio dei sistemi sottocritici
Il vantaggio principale di un ADS è quello di essere un sistema sottocritico, eliminando così la possibilità fisica di incidenti di criticità. Essendo la fonte di neutroni esterna al reattore, infatti, non è necessario partire con un carico di combustibile sovracritico e neppure necessariamente fissile.
L’orientamento dell’Energy Amplifier di Rubbia, così come quello assunto ora dal DOE, è quello di utilizzare il torio come combustibile. Il torio, di per sé, non è fissile, ma sotto bombardamento neutronico viene trasformato in uranio-233, altamente fissile. La fissione libera neutroni, i quali mantengono la catena di fissione e, in più, rigenerano uranio-233 dal torio, cosa impraticabile in un normale reattore termico, dove il numero dei neutroni è troppo basso.
Inoltre, la quantità di plutonio prodotta è piccolissima, tra un millesimo e un decimillesimo rispetto a quella dei reattori in funzione. Infine, il torio è molto più abbondante del carbone nella crosta terrestre, oltre a essere tre volte più comune dell’uranio, e viene interamente utilizzato nel progetto di Rubbia, al contrario dell’uranio naturale, che viene utilizzato solo per lo 0,7% nei reattori.
Gli ADS rappresentano un’innovazione; la sperimentazione del combustibile ANEEL, invece, mi appare soprattutto come un riciclaggio dell’uranio.
Resto comunque un sostenitore del “tutto rinnovabile”, con massicci investimenti nelle tecnologie di accumulo: dai sistemi di pompaggio a quelli di accumulo termico, chimico e magnetico, fino alle batterie di nuova generazione al sodio e ai metalli reattivi come l’alluminio.
Se dovessi scegliere il nucleare
Confesso che, se fossi costretto a optare per il nucleare, sceglierei decisamente un Accelerator Driven System (ADS). Gli ADS sono sistemi guidati da acceleratori di particelle che, sfruttando decenni di ricerca, permetterebbero di eliminare le paure normalmente associate al settore nucleare — incidenti, scorie e proliferazione degli armamenti — mantenendo, nel frattempo, tutti i vantaggi che da esso derivano.
In pratica, si tratta di macchine che, attraverso l’acceleratore, sono in grado di trasmutare le scorie e, contemporaneamente, produrre energia.
I nuovi sistemi di produzione di energia nucleare dovrebbero essere: 1) sottocritici e garantire in maniera deterministica, e non probabilistica, la protezione dalla fusione accidentale del nocciolo attraverso un autoraffreddamento spontaneo; 2) capaci di bruciare completamente gli elementi transuranici, parte delle scorie radioattive, utilizzando neutroni sufficientemente veloci; 3) in grado di utilizzare con efficienza un combustibile abbondante in natura, così da garantire riserve pressoché illimitate.
Dunque, come dice Rubbia: “Dobbiamo cancellare dalla lista delle paure popolari tre parole: (1) Hiroshima, (2) Chernobyl, (3) Deposito Geologico”. Ed è proprio questo ciò che gli ADS si propongono di fare.
Scorie e sicurezza
Negli ADS il principale vantaggio è rappresentato dalla loro caratteristica di sistemi sottocritici, che elimina la possibilità fisica di incidenti di criticità. Essendo la fonte di neutroni esterna al reattore, infatti, non è necessario partire con un carico di combustibile sovracritico e neppure necessariamente fissile.
Inoltre, se la sorgente neutronica è sufficientemente energetica, gli ADS permettono la trasmutazione dei prodotti di fissione, eliminando così di fatto alcuni dei principali svantaggi dell’energia nucleare come la conosciamo oggi.
Si pensi, infatti, che secondo alcune stime entro il 2030 ci saranno nel mondo circa 500 mila tonnellate di combustibile nucleare usato e circa 600 tonnellate di plutonio.
I progetti nel mondo
Nel mondo sono allo studio diversi progetti di ADS. Tra i principali ci sono l’Energy Amplifier di Rubbia, MYRRHA in Belgio — il progetto pilota europeo più avanzato per un reattore subcritico raffreddato a piombo-bismuto —, CADS in Cina e Transmutex in Svizzera.
Tra le caratteristiche comuni ai programmi di ricerca c’è il fatto di non richiedere, per il prototipo, lo sviluppo di acceleratori particolarmente innovativi, potendo utilizzare quelli già esistenti, purché opportunamente modificati.
L’aspetto importante è che la reazione di fissione nucleare è sottocritica, cioè necessita di un continuo rifornimento di neutroni dall’acceleratore, contrariamente a quella dei normali reattori, che invece si autosostiene. Ciò significa che disastri come Chernobyl non potrebbero verificarsi: se l’acceleratore si ferma, anche la reazione si ferma.
Il progetto Energy Amplifier
Rispetto ai vari progetti, la proposta di Rubbia presenta il vantaggio di non avere bisogno di una tecnologia estremamente innovativa come quella necessaria per utilizzare combustibile fluido, in quanto potrebbe impiegare barre di combustibile simili a quelle dei normali reattori. Inoltre, prevede l’utilizzo del torio come combustibile.
Il torio, di per sé, non è fissile, ma sotto bombardamento neutronico viene trasformato in uranio-233, altamente fissile. La fissione libera neutroni, i quali mantengono la catena di fissione e, in più, rigenerano uranio-233 dal torio.
Secondo i calcoli, poi, la quantità di plutonio prodotta è piccolissima, tra un millesimo e un decimillesimo rispetto a quella dei reattori attuali. Inoltre, il torio è molto più abbondante del carbone nella crosta terrestre, oltre a essere tre volte più comune dell’uranio, e viene interamente utilizzato nell’EA, al contrario dell’uranio naturale, che viene utilizzato solo per lo 0,7% nei reattori.
Come nasce l’idea di Rubbia
Il progetto nasce dalla passione di vecchia data di Carlo Rubbia, premio Nobel per la Fisica nel 1984, per la ricerca di nuove fonti di energia nucleare sfruttando le conoscenze della fisica delle alte energie.
Partito inizialmente dall’idea di utilizzare gli ioni pesanti per indurre fusioni termonucleari controllate, nei primi anni Novanta Rubbia cominciò invece a pensare a una via alternativa per la produzione di energia attraverso fissioni, cioè scissioni, nucleari controllate.
La concezione di base è quella di utilizzare un acceleratore di particelle, producendo neutroni per spallazione — l’interazione di particelle con un bersaglio — per alimentare un sistema combustibile-moderatore nel quale i neutroni si moltiplicano attraverso reazioni di fissione a catena.
Il nome Energy Amplifier (EA), cioè Amplificatore di Energia, deriva dalla capacità di questo sistema di ottenere un guadagno netto di energia.
L’idea dell’EA è stata ufficialmente presentata per la prima volta da Carlo Rubbia il 24 novembre 1993, durante un seminario al CERN. Il sistema si basa su leggi fisiche ben note e su una serie di trasmutazioni nucleari indotte dalla presenza di neutroni veloci.
Le premesse del progetto sono l’utilizzo totale del combustibile naturale iniziale e la disponibilità di riserve pressoché illimitate; la sottocriticità del sistema; l’assenza del pericolo di fusione del nocciolo; e l’utilizzo di una frazione, tra il 5 e il 10%, dell’energia elettrica prodotta per far funzionare l’acceleratore.
Come funziona l’Energy Amplifier
L’EA è un nuovo concetto di fissione nucleare basato su un sistema sottocritico guidato da un acceleratore di particelle. Il sistema viene mantenuto sottocritico dall’apporto esterno di neutroni.
Un sistema di questo tipo ha due applicazioni principali: 1) l’eliminazione delle scorie radioattive provenienti dalle centrali nucleari tradizionali; 2) la produzione massiva di energia nucleare in modo intrinsecamente sicuro e con una produzione minore, e con vita media inferiore, di residui rispetto alle normali centrali nucleari.
Molto schematicamente, l’EA è costituito da tre elementi principali: l’acceleratore a tre stadi; il bersaglio di spallazione, costituito da un bersaglio di piombo circondato da piombo liquido, che permette di generare spettri di neutroni adatti alla trasmutazione; e il nocciolo, nel quale si genera il calore, a cui sono associati i macchinari necessari alla trasformazione di tale calore in elettricità, con l’innovazione del piombo liquido come refrigerante e del combustibile utilizzato.
In pratica, l’acceleratore di particelle crea un fascio di protoni ad altissima velocità, che entra nel sistema attraverso un lungo canale e arriva contro un bersaglio di piombo liquido. Immerse nel piombo vi sono le barre di combustibile, una serie di cilindri di acciaio ermeticamente chiusi, al cui interno è stato posto del torio.
Ogni protone urta contro un atomo di piombo del bersaglio e produce, per spallazione, neutroni veloci, attraverso i quali si determina la produzione di energia.
Il moderatore, cioè il piombo liquido, rallenta questi neutroni veloci, permettendo loro di raggiungere una velocità sufficientemente bassa per essere assorbiti dagli atomi di torio attraverso la cattura neutronica.
Il torio, reso instabile dalla presenza di un neutrone in più all’interno del suo nucleo, decade, cioè si trasforma in un altro elemento, il protoattinio, che, decadendo a sua volta, produce l’uranio-233, il vero e proprio combustibile nucleare.
Gli atomi di uranio-233, colpiti da un neutrone, attraverso la reazione di fissione generano circa 200 MeV di energia, due o tre neutroni — i cosiddetti neutroni secondari, che continueranno la reazione — e due frammenti di fissione, cioè le scorie.
In questo processo, dunque, a ogni trasformazione di un elemento in un altro si ha un rilascio di energia che provoca un forte riscaldamento. Il calore così prodotto viene poi utilizzato per produrre energia elettrica, come avviene in una normale centrale termica.
Se, in questo processo, l’energia prodotta è maggiore — e nell’EA sarebbe tra 50 e 100 volte maggiore — dell’energia utilizzata per indurlo, si ottiene un guadagno netto di energia. Da qui il nome Energy Amplifier, o Amplificatore di Energia.
Perché la reazione si spegne
Il punto fondamentale dell’EA è che non si produce alcuna reazione nucleare senza i protoni immessi dall’acceleratore e, allo stesso modo, non appena questi protoni smettono di arrivare, la reazione si spegne.
Da qui deriva la sicurezza intrinseca dell’EA, che renderebbe fisicamente impossibili incidenti del tipo Chernobyl o Three Mile Island. Proprio all’incapacità di provocare una reazione nucleare autosostenuta il sistema deve la sua caratteristica di sistema sottocritico.
Il modello di Rubbia si basa dunque sull’accoppiamento tra un acceleratore di particelle ad altissima intensità e un reattore nucleare. I fisici nucleari sono in grado di disgregare un nucleo pesante colpendolo con una particella sufficientemente accelerata, tanto che le forze che legano protoni e neutroni diventano trascurabili rispetto all’energia del “proiettile”. Questo fenomeno è detto “spallazione dei nuclei”.
Nel suo progetto, abbina un acceleratore a un reattore con l’obiettivo di produrre energia a prezzi competitivi, avere un sistema sottocritico nel quale non si inneschi mai una reazione a catena incontrollata come a Chernobyl e ottenere, alla fine del ciclo, solo una parte delle scorie prodotte dalle centrali classiche. Inoltre, il sistema consuma il plutonio e gli attinidi dei quali ci si vuole sbarazzare.
Rubbia ha chiamato il suo progetto “Amplificatore di Energia” (Energy Amplifier).
Perché non si è investito sugli ADS?
La domanda, alla fine, è: perché non si è investito significativamente in questo progetto?
Una possibile risposta è che gli ADS non rientrino nei sistemi nucleari “dual use”. Sono, in questo senso, fondate le critiche del compianto professor Baracca, secondo il quale l’idea di un “atomo per la pace”, ereditata dallo storico programma Atoms for Peace di Eisenhower, era una mistificazione strumentale.
La tecnologia di base per produrre energia elettrica e quella per costruire armamenti atomici sono infatti legate da due fattori chimico-fisici e industriali.
Il primo è il processo di arricchimento dell’uranio. Le tecniche e le centrifughe utilizzate per arricchire l’uranio a scopi civili, fino al 3-5% di uranio-235 per i reattori commerciali, sono le medesime necessarie a raggiungere l’arricchimento superiore al 90% richiesto per le testate nucleari.
Il secondo è la produzione di plutonio. Durante il normale funzionamento dei reattori civili a uranio, il bombardamento dei neutroni trasforma l’uranio-238 in plutonio-239. Quest’ultimo è il materiale fissile utilizzato anche per la produzione di armi atomiche. I reattori commerciali possono quindi produrre materia prima utilizzabile anche per scopi militari.
Erasmo Venosi
Fisico, già vice presidente della Commissione AIA del Ministero dell’Ambiente, componente del gruppo scientifico Energia e Clima del Parlamento Europeo e consulente di ClientEarth per la Centrale Federico II di Brindisi