Energia nucleare a prova di errore

A febbraio ho volato all'interno di una macchina che potrebbe rappresentare il futuro del nucleare. Ero in un tour di realtà virtuale presso lo Shanghai Institute of Applied Physics in Cina, che prevede di costruire nei prossimi anni un reattore sperimentale il cui progetto rende molto meno probabile un tracollo. All'interno del nucleo - un luogo super caldo e intensamente radioattivo dove nessun essere umano andrà mai - gli strati della centrale si staccarono davanti a me: il recipiente esterno di acciaio inossidabile, lo strato interno di una lega ad alta tecnologia e infine il combustibile nucleare stesso, decine di migliaia di sfere delle dimensioni di una palla da biliardo contenenti particelle di materiale radioattivo.

Dato un accesso senza precedenti al funzionamento interno del programma di ricerca e sviluppo nucleare avanzato della Cina, stavo assistendo alla nascita di una nuova tecnologia nucleare. Attraverso il reattore virtuale serpeggia un intricato sistema di tubi che trasportano il fluido che rende speciale questo sistema: un sale fuso che raffredda il reattore e trasporta il calore per azionare una turbina e produrre elettricità. Almeno in teoria, questo tipo di reattore non può subire il tipo di guasto catastrofico accaduto a Chernobyl e Fukushima, rendendo superflui i costosi e ridondanti sistemi di sicurezza che hanno fatto aumentare il costo dei reattori convenzionali. Inoltre, i nuovi impianti dovrebbero produrre pochi rifiuti e potrebbero persino consumare i rifiuti nucleari esistenti. Potrebbero funzionare con l'uranio, che alimenta il 99 per cento delle centrali nucleari del mondo, oppure potrebbero eventualmente funzionare con il torio, che è più pulito e più abbondante. L'obiettivo finale dello Shanghai Institute: costruire un reattore a sale fuso che possa sostituire la tecnologia degli anni '70 nelle centrali nucleari di oggi e aiutare a svezzare la Cina dal carbone che inquina l'aria di Shanghai e Pechino, inaugurando un'era di , abbondante energia a zero emissioni di carbonio.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2016

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Nei prossimi due decenni la Cina spera di costruire il la più grande industria nucleare del mondo . I piani includono fino a 30 nuove centrali nucleari convenzionali (oltre ai 34 reattori in funzione oggi) nonché una varietà di reattori di nuova generazione, inclusi reattori a sali fusi al torio, reattori raffreddati a gas ad alta temperatura (che, come -reattori di sale, sono sia altamente efficienti che intrinsecamente sicuri) e reattori veloci raffreddati al sodio (che possono consumare combustibile esaurito dai reattori convenzionali per produrre elettricità). I pianificatori cinesi vogliono non solo espandere notevolmente la capacità nucleare nazionale del paese, ma anche diventare il principale fornitore mondiale di reattori e componenti nucleari, una prospettiva che molti osservatori occidentali trovano allarmante.

Lo sforzo dell'Istituto di Shanghai per sviluppare reattori a sale fuso, una tecnologia che negli Stati Uniti è rimasta quasi dimenticata per decenni, riflette quanto siano audaci le ambizioni nucleari della Cina. Il governo ha già investito circa due miliardi di renminbi cinesi (300 milioni di dollari) negli ultimi cinque anni in ricerca e sviluppo sul sale fuso. Costruire impianti reali richiederà decine di miliardi in più. Come con altre tecnologie nucleari innovative in via di sviluppo in tutto il mondo, ci sono poche garanzie: sebbene le persone abbiano gestito piccoli reattori sperimentali a sale fuso, nessuno ne ha mai costruito uno su scala industriale e lo ha collegato alla rete. Eppure il governo cinese prevede di avere un impianto di dimensioni commerciali attivo e funzionante entro 15 anni, contribuendo a rilanciare l'industria dell'energia nucleare assediata.

I primi esperimenti con i reattori a sali fusi furono svolti presso l'Oak Ridge National Laboratory, nel Tennessee, sotto la guida del suo direttore Alvin Weinberg alla fine degli anni '50. Il programma cinese di oggi, infatti, è il frutto di una partnership unica e alquanto controversa tra Oak Ridge e lo Shanghai Institute. Il programma di ricerca statunitense è andato avanti per più di un decennio, ma alla fine è stato interrotto a favore della tecnologia utilizzata oggi nella stragrande maggioranza delle centrali nucleari. In retrospettiva, tale decisione ha contribuito non solo alla scomparsa di una promettente tecnologia nucleare, ma anche alla lunga stagnazione del settore.

Oggi, però, il mondo ha più che mai bisogno dell'energia nucleare se vogliamo limitare il cambiamento climatico. Secondo l'Agenzia internazionale per l'energia, il la capacità nucleare mondiale deve più che raddoppiare entro la metà del secolo se vogliamo rimanere entro 2 °C dal riscaldamento. Allo stato attuale, sembra improbabile. Diversi paesi, tra cui Cina e India, si sono imbarcati in massicci sviluppi di energia nucleare, ma la maggior parte comporterà grandi reattori convenzionali, una tecnologia troppo costosa per gran parte del resto del mondo. Anche i paesi, come la Germania, che possono permettersi l'energia nucleare la stanno eliminando gradualmente perché temono un altro disastro. Ciò rende le centrali nucleari a prova di guasto in fase di sviluppo presso l'Istituto di Shanghai di fondamentale urgenza.

Il mondo ha più che mai bisogno dell'energia nucleare se vogliamo limitare il cambiamento climatico.

Dopo il mio tour virtuale, Kun Chen, uno dei principali scienziati del programma sul sale fuso, mi ha riportato all'edificio amministrativo principale dell'istituto. La neve era caduta durante la notte e faceva un freddo pungente. Nell'auditorium una piccola folla di membri dello staff si era radunata per un discorso di Xu Hongjie, il direttore del programma del sale fuso. Era la settimana prima delle lunghe vacanze del capodanno lunare e quella notte si teneva il banchetto annuale dell'istituto. Xu ha parlato per più di due ore della storia della tecnologia del sale fuso e delle sue prospettive per il futuro.

Questo è stato il sogno della Cina per mezzo secolo, ha detto. In precedenza, ci mancavano le conoscenze e le competenze necessarie per trasformarlo in realtà. Ora abbiamo le risorse, la tecnologia e l'esperienza. Ora possiamo farlo.

Reazioni a catena

Alvin Weinberg arrivò per la prima volta a Oak Ridge nel 1945, subito dopo che i suoi laboratori erano stati costruiti sulle colline del Tennessee settentrionale per produrre uranio e plutonio per uso militare. Un veterano del Progetto Manhattan, Weinberg è diventato direttore del laboratorio nazionale in rapida crescita nel 1955 e mantenne la carica fino al 1973. Fu un fisico nucleare pionieristico e un filosofo dell'energia nucleare che usò l'espressione patto faustiano per descrivere la tensione tra la sete di energia abbondante della società industrializzata e l'estrema vigilanza necessaria per mantenere l'energia nucleare al sicuro. Per rendere questa fonte di energia pulita ed estremamente economica, secondo lui, il legame tra l'energia nucleare e le armi nucleari dovrebbe essere interrotto. E il modo per spezzare quel legame era il reattore di sale fuso al torio.

Sotto la guida di Weinberg, un team di giovani chimici, fisici e ingegneri entusiasti ha gestito un piccolo reattore sperimentale a sale fuso dal 1965 al 1969. Quel reattore a Oak Ridge funzionava con uranio; L'obiettivo finale di Weinberg era quello di costruirne uno che funzionasse esclusivamente a torio, che, a differenza dell'uranio, non può essere facilmente trasformato in una bomba. Ma l'esperimento del sale fuso fu abbandonato all'inizio degli anni '70. Una delle ragioni principali era che Weinberg riuscì ad alienare i suoi superiori avvertendo dei pericoli dell'energia nucleare convenzionale in un momento in cui dozzine di tali reattori erano già in costruzione o in fase di progettazione.

Entro la fine del secolo, gli Stati Uniti avevano costruito 104 reattori nucleari, ma la costruzione di nuovi si era quasi interrotta e la tecnologia è rimasta bloccata negli anni '70. Poiché i reattori convenzionali richiedono vasi di contenimento enormi e costosi che possono esplodere in condizioni estreme e poiché utilizzano ampi sistemi di raffreddamento esterni per assicurarsi che il nucleo a combustibile solido non si surriscaldi e provochi una reazione incontrollata che porta a una fusione, sono estremamente caro. Due nuovi reattori in costruzione ora in Georgia potrebbero costare 21 miliardi di dollari, il 50 percento rispetto alla stima iniziale di 14 miliardi di dollari. Tutto questo per una tecnologia vecchia di 40 anni.

Oggi, però, mentre il cambiamento climatico accelera e i funzionari governativi e gli scienziati cercano una tecnologia nucleare senza i costosi problemi che hanno bloccato la versione convenzionale, il sale fuso sta vivendo una rinascita. Aziende come Energia Terrestre , Potenza transatomica , Moltex , e Libera l'energia stanno gareggiando per sviluppare nuovi reattori a sale fuso. Sono in corso programmi di ricerca su varie forme della tecnologia presso università e istituti in Giappone, Francia, Russia e Stati Uniti, oltre a quello dello Shanghai Institute. Oltre al lavoro per lo sviluppo di reattori a combustibile solido raffreddati dal sale fuso (come quello che ho visitato virtualmente a Shanghai), ci sono progetti ancora più radicali che utilizzano anche materiali radioattivi disciolti nel sale fuso come combustibile (come fece l'esperimento di Weinberg ).

Come tutte le centrali nucleari, i reattori a sale fuso eccitano gli atomi in un materiale radioattivo per creare una reazione a catena controllata. La reazione libera calore che fa bollire l'acqua, creando vapore che aziona una turbina per generare elettricità. I reattori a combustibile solido raffreddati con sale fuso possono funzionare a temperature più elevate rispetto ai reattori convenzionali, il che li rende più efficienti, e funzionano a pressione atmosferica, il che significa che non richiedono vasi costosi del tipo che si è rotto a Chernobyl. I reattori a sale fuso che utilizzano combustibile liquido hanno un vantaggio ancora più interessante: quando la temperatura nel nocciolo raggiunge una certa soglia, il liquido si espande, il che rallenta le reazioni nucleari e lascia raffreddare il nocciolo. Per sfruttare questa proprietà, il reattore è costruito come una vasca da bagno, con un tappo di scarico sul fondo; se la temperatura nel nucleo diventa troppo alta, il tappo si scioglie e il carburante defluisce in un serbatoio schermato, tipicamente sotterraneo, dove viene immagazzinato in modo sicuro mentre si raffredda. Questi reattori dovrebbero essere in grado di sfruttare più energia disponibile nel materiale radioattivo rispetto a quelli convenzionali. Ciò significa che dovrebbero ridurre drasticamente la quantità di scorie nucleari che devono essere gestite e immagazzinate.

Poiché non richiedono enormi strutture di contenimento e richiedono meno carburante per produrre la stessa quantità di elettricità, questi reattori sono più compatti delle centrali nucleari di oggi. Potrebbero essere prodotti in serie, nelle fabbriche e combinati in array per formare centrali elettriche più grandi.

Tutto ciò dovrebbe renderli più economici da costruire. A differenza dell'eolico e del solare, che sono diventati molto meno costosi nel tempo, le centrali nucleari lo sono diventate molto di più. Secondo la US Energy Information Administration, il costo aggiustato per l'inflazione per la costruzione di una centrale nucleare è passato da $ 1.500 per kilowatt di capacità all'inizio degli anni '60 a oltre $ 4.000 per kilowatt entro la metà degli anni '70. Nel suo ultimo calcolo, nel 2013, l'EIA ha rilevato che la cifra era salita a oltre $ 5.500, più costosa di una centrale solare o di un parco eolico onshore e molto più di una centrale a gas naturale. Quel costo iniziale è amplificato dalle grandi dimensioni dei reattori; alla media citata dall'EIA, un impianto da un gigawatt costerebbe 5,5 miliardi di dollari, un investimento rischioso per qualsiasi azienda.

Questi costi iniziali sono bilanciati dal fatto che gli impianti nucleari sono relativamente economici da gestire: nei nuovi impianti il ​​costo livellato dell'elettricità, che misura il costo dell'energia generata nel corso della vita dell'impianto, è di $ 95 per megawattora, secondo alla VIA, paragonabile al costo dell'elettricità delle centrali a carbone e inferiore all'energia solare ($ 125 al megawattora). Tuttavia, gli impianti a gas naturale sono molto più economici da costruire e anche il costo dell'elettricità che producono (75 dollari al megawattora, secondo la VIA) è inferiore. L'inasprimento delle normative sulle emissioni di carbonio rende il nucleare più attraente, ma l'abbassamento dei costi di costruzione è fondamentale per il futuro dell'energia nucleare a zero emissioni di carbonio.

Questo è il passo che viene fatto da un nuovo gruppo di startup che lavorano su reattori nucleari avanzati, molti dei quali finanziati da investitori della Silicon Valley. Transatomic Power, ad esempio, è stata fondata da una coppia di dottorandi del MIT, Leslie Dewan e Mark Massie, che hanno progettato una centrale da 520 megawatt (circa le dimensioni di una centrale a carbone media oggi) che pensano possa essere costruita per 2 miliardi di dollari, o $ 3.846 per kilowatt di capacità. Ciò è in linea con il costo di costruzione di una centrale solare, ma avrebbe l'enorme vantaggio di poter produrre energia in modo continuo, non solo quando splende il sole. Terrestrial Energy, che ha recentemente vinto una borsa di ricerca dal governo canadese per costruire un prototipo di reattore, afferma che il suo reattore a sale fuso potrebbe eventualmente essere costruito per un minimo di $ 2.000 al kilowatt.

Ma anche se i progetti di sale fuso hanno stimolato i giovani tecnologi inventivi, ottenere una nuova tecnologia per l'energia nucleare concessa in licenza e costruita negli Stati Uniti rimane una prospettiva scoraggiante. La semplice richiesta di una licenza dalla Nuclear Regulatory Commission può richiedere anni e costare centinaia di milioni di dollari, motivo per cui alcune di queste startup potrebbero non decollare mai. Inoltre, anche 2 miliardi di dollari sarebbero un sacco di soldi per gli investitori e le utility da spendere per una tecnologia non provata con discutibili vantaggi finanziari. Ecco perché il programma più vicino alla produzione di un reattore funzionante è nella Repubblica popolare cinese.

Pensare in grande

Anche se l'esperimento originale con la tecnologia del sale fuso stava finendo negli Stati Uniti negli anni '70, un piccolo gruppo di ricercatori dello Shanghai Institute of Applied Physics, parte dell'Accademia cinese delle scienze, stava avviando la propria indagine sull'alimentazione a torio reattori a sali fusi. Ma la Cina, che non avrebbe avviato la sua prima centrale nucleare fino al 1991, non aveva l'esperienza e il denaro per sviluppare macchinari sofisticati e materiali costosi nei reattori avanzati. Nel 21° secolo, come tutti gli altri paesi con energia nucleare, la Cina faceva affidamento sui reattori convenzionali. Ma le braci del concetto brillavano ancora nelle menti degli scienziati nucleari cinesi.

Le linee temporali sono aggressive, almeno per gli standard della lenta industria nucleare.

Dal punto di vista cinese, il torio ha un vantaggio particolare: mentre la Cina continentale ha una piccola percentuale dell'uranio mondiale, ne ha in abbondanza. Avere un'abbondante fonte di energia priva di carbonio risolverebbe molti dei dilemmi energetici della Cina in una volta sola. Agli occhi del governo centrale, non siamo qui per realizzare tecnologie mature: dobbiamo creare qualcosa di nuovo, qualcosa di strategico, afferma Kun Chen, lo scienziato del sale fuso che ha guidato il mio tour virtuale a Shanghai. Devi pensare in grande.

Formatosi presso la prestigiosa University of Science and Technology of China, a Hefei, Chen ha conseguito un dottorato di ricerca presso l'Università dell'Indiana e ha lavorato per diversi anni presso l'Argonne National Laboratory (che, come Oak Ridge, fa parte del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti). Ma è tornato in Cina per costruire un reattore che cambierà il mondo.

Ne ha sentito parlare nel 2009, quando ha visitato Shanghai per presentare un seminario presso l'Istituto di Fisica Applicata. Uno scienziato gli parlò del reattore a sali fusi al torio, un progetto non ancora finanziato o annunciato. Il nostro team ha ricevuto la maggior parte dei documenti tecnici dal Web: sono stati pubblicati dal team di Oak Ridge, ricorda Xu Hongjie, il direttore del programma del sale fuso, scuotendo la testa per l'ammirazione o lo stupore per l'apertura degli americani. Hanno pubblicato tutto lì gratuitamente.

Su sollecitazione di Xu, Chen si unì al Istituto di Shanghai nel 2010, e oggi è incaricato di collaborare con Oak Ridge. Il laboratorio statunitense sta contribuendo al progetto con la ricerca su materiali, sistemi di controllo e simulazioni al computer e ha realizzato un grande impianto di analisi del sale fuso finanziato dall'Accademia cinese delle scienze. Mentre alcuni scienziati e sostenitori dell'energia nucleare si oppongono con veemenza all'idea di aiutare la Cina a costruire un'industria nucleare leader a livello mondiale, molti ingegneri di Oak Ridge non vedono l'ora di vedere i reattori a sale fuso costruiti da qualche parte. Una delle cose importanti da capire è che un certo numero di persone chiave nei reattori a sale fuso si stanno ritirando molto velocemente o muoiono, afferma David Holcombe, che dirige la collaborazione di Oak Ridge con lo Shanghai Institute. Non puoi semplicemente importare un nuovo gruppo di personale se vogliamo mantenere questa capacità. La Cina sta fornendo i finanziamenti che ci consentono di trasferire tale conoscenza, di acquisire esperienza pratica nella costruzione e nel funzionamento di questi reattori.

Sono stato colpito dalla fiducia e dall'idealismo dei giovani scienziati che lavorano all'istituto, un ottimismo che non si vedeva nei circoli nucleari statunitensi da decenni.

Per iniziare, lo Shanghai Institute prevede di adottare un approccio ibrido, utilizzando il sale fuso per raffreddare un nucleo a combustibile solido simile a quelli delle centrali nucleari convenzionali. Quindi, afferma Chen, il team passerà ai combustibili liquidi per realizzare appieno il potenziale della tecnologia in termini di sicurezza ed efficienza. All'inizio il carburante sarà l'uranio, ma gli ingegneri cinesi prevedono di passare in seguito al torio.

Le linee temporali sono aggressive, almeno per gli standard dell'industria nucleare. Lo Shanghai Institute mira ad avviare un impianto a combustibile solido su scala commerciale entro il 2030 e un reattore dimostrativo a combustibile liquido da 100 megawatt entro il 2035. Gran parte del lavoro attuale, mi ha detto Chen, si concentra sulla soluzione delle complesse sfide idrauliche associate al sale fuso altamente corrosivo. Sono stato colpito dalla fiducia e dall'idealismo dei giovani scienziati che lavorano all'istituto, un ottimismo che non si vedeva nei circoli nucleari statunitensi dai tempi di Weinberg.

Nel mio ultimo giorno a Shanghai, Kun Chen ed io abbiamo passeggiato per i terreni dell'istituto. La neve era quasi scomparsa, ma il vento gelido era ancora forte. Mi ha mostrato l'ultimo progetto di costruzione del campus: un edificio di tre piani, grande quanto un magazzino, per ospitare il programma del sale fuso al torio. Tutti i laboratori di chimica, tutte le officine meccaniche, tutti i computer, tutti gli uffici, i circuiti di prova, le pompe e i prototipi saranno ospitati qui quando l'edificio aprirà entro la fine dell'anno. All'epoca era solo un guscio, ma era un simbolo dell'impegno della Cina per la prossima era nucleare. Il sogno degli scienziati americani a Oak Ridge, mezzo secolo fa, sta prendendo forma qui, a migliaia di chilometri di distanza.

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