Filiere tecnologiche: Light water o gas-­‐grafite?

Alla  fine  degli  anni  ’50  due  erano  le  filiere  tecnologiche  che  sembravano  avere   maggiori  prospettive  di  sviluppo  commerciale:  la  filiera  dei  reattori  light  water  di   tipo   americano   e   la   filiera   dei   reattori   gas-­‐grafite,   che   veniva   studiata   sperimentalmente   proprio   in   quegli   anni   dalle   comunità   scientifiche   inglese   e   francese.    

La  filiera  light  water  americana    

La  filiera  di  reattori  “light  water”  americana  era  caratterizzata  tecnologicamente   dall’avere   comunissima   acqua     (H2O)   sia   come   elemento   chimico   di  

raffreddamento  utilizzato  per  trasferire  il  calore  dal  nocciolo  del  reattore,  sia  come   moderatore   utilizzato   per   controllare   il   livello   energetico   dei   neutroni.   Essa   era   stata   la   prima   filiera   ad   essere   sviluppata   dalla   Marina   Statunitense   per   la   propulsione  sottomarina  ed  era  quella  su  cui,  alla  fine  degli  anni  ‘50,  gli  americani   avevano   maturato   un   maggiore   expertise   vista   l’ingentissima   quota   di   capitali   pubblici  utilizzata  per  finanziarne  gli  studi500_{.      I  reattori  di  questa  filiera  potevano}  

essere   ricondotti   a   due   tipi   di   design   di   base:   il   reattore   ad   acqua   pressurizzata   (Pressurized   Water   Reactor   o   PWR),   caratterizzato   dai   più   alti   rendimenti   energetici  dovuti  ad  una  più  elevata  temperatura  al  suo  interno,  ed  il  più  comune   reattore   ad   acqua   bollente   (Boiling  Water  Reactor   o   BWR),   caratterizzato   da   una   minore   spesa   di   manutenzione   e   da   una   semplicità   maggiore   di   gestione501_{.   In}  

entrambi   i   design,   l’uranio   arricchito   necessario   per   sostenere   la   fissione   doveva   essere   racchiuso   all’interno   di   un   nocciolo   metallico   capace   di   sopportare   le   elevatissime   temperature   e   l’altissimo   flusso   neutronico   interno   al   reattore.   Il                                                                                                                  

500  _{Robin   Cowan,   “Nuclear   power   reactors:   a   study   in   technological   lock-­‐in”,   in   The   Journal   of}  

Economic  History  Vol.  50,  No.  3,  (1990),    pp.  541-­‐567.  

501  _{Robert   F.   Mozley,   The   politics   and   technology   of   Nuclear   Proliferation,   (Seattle   and   London:}  

nocciolo,  generalmente  costruito  con  acciai  speciali  o  con  una  resistentissima  lega   di   zirconio,   preveniva   che   il   moderatore   ed   il   liquido   refrigerante   entrassero   in   contatto   con   gli   elementi   di   fissione,   contaminando   l’acqua.   Esso   doveva   essere   forte  a  sufficienza  da  contenere  la  pressione  interna  generata  sia  dall’espansione   del  diossido  di  uranio,  sia  dai  prodotti  gassosi  che  scaturivano  dalla  fissione,  come   ad   esempio   il   krypton502_{.   Al   posto   dell’uranio   metallico,   allo   stato   naturale,   era}  

necessario  l’utilizzo  di  uranio  arricchito  U235    o  diossido  di  uranio  UO2:  esso,  data  

l’altissima  temperatura  del  nocciolo  e  le  radiazioni  al  suo  interno,  si  sarebbe  infatti   espanso  ad  una  velocità  superiore  dell’uranio  naturale  ed  avrebbe  inoltre  generato   una   reazione   più   forte   venendo   a   contatto   con   l’acqua503_{.   Quest’ultima   era   fatta}  

circolare   intorno   alle   barre   di   combustibile   per   raffreddarle.   La   stessa   acqua   poteva  essere  utilizzata  anche  come  moderatore  per  rallentare  il  flusso  di  neutroni   prodotto   dalla   fissione:   neutroni   lenti   avrebbero   infatti   avuto   più   chances   di   interagire  con  altri  nuclei  di  U235    provocando  un’espansione  dell’intero  processo  di  

fissione.   Nei   reattori   ad   acqua   pressurizzata   PWR   l’acqua   veniva   immessa   all’interno  del  reattore  ad  una  pressione  pari  a  circa  150  atmosfere:  ciò  le  avrebbe   consentito  di  raggiungere  un  punto  di  ebollizione  considerevolmente  più  alto  delle   temperature   che   si   sviluppavano   all’interno   di   un   reattore,   mediamente   stabili   intorno   ai   300°   Celsius.   Quest’acqua   caldissima   veniva   fatta   circolare   intorno   ad   uno  scambiatore,  che  trasferiva  il  calore  dell’acqua  ad  altra  acqua  stoccata  al  suo   interno   ad   una   pressione   considerevolmente   inferiore   (circa   60   atmosfere):   il   vapore   ad   alta   pressione   così   prodotto   era   utilizzato   per   spingere   turbine   che   avrebbero  prodotto  energia  elettrica504_.    

502  _{El  Wakil,  “Nuclear  power  engineering”,  (New  York:  Mc  Graw-­‐Hill  Book  Company,  1962).}  

503  _Ivi.    

504  _{Per  spingere  turbine  in  modo  efficiente  era  necessario  che  il  vapore  raggiungesse  temperature}  

molto  elevate  La  temperatura  del  vapore  era  determinata  dalle  caratteristiche  fisiche  del  materiale   che   racchiudeva   l’uranio:   maggiore   sarebbe   stata   la   sua   capacità   di   resistere   alle   altissime   temperature  che  si  sprigionavano  nel  nocciolo,  maggiore  sarebbe  stata  l’efficienza  del  reattore.  Era   tuttavia  necessario  monitorare  costantemente  le  temperature  che  si  raggiungevano  nel  nocciolo,  in   quanto  se  l’uranio  in  fissione  avesse  superato  una  data  temperatura  si  sarebbero  potuti  generare   pericolosi   guasti   che   avrebbero   compromesso   anche   la   capacità   degli   ingegneri   presenti   nella   centrale  di  attivare  la  procedura  per  l’interruzione  della  fissione.   In  R.  F.  Mozley,  The  politics  and  

Il  reattore  ad  acqua  bollente  BWR  invece,  pur  operando  in  base  a  principi  simili,   non  prevedeva  l’inclusione  nella  centrale  di  acqua  pressurizzata:  l’acqua  introdotta   nel   reattore   ed   utilizzata   come   moderatore   poteva   bollire   dopo   aver   raccolto   il   calore  del  nocciolo,  ed  il  risultante  vapore  sarebbe  stato  utilizzato  per  spingere  le   turbine.   In   questi   reattori,   più   semplici   sia   a   livello   di   design   sia   di   competenze   gestionali,   la   temperatura   di   superficie   del   diossido   di   uranio   incapsulato   nel   nocciolo   era   considerevolmente   più   bassa   di   quella   che   si   raggiungeva   in   un   reattore   ad   acqua   pressurizzata,   e   di   conseguenza   la   sicurezza   operativa     dell’impianto   poteva   considerarsi   relativamente   maggiore505_{.   Entrambi   i   design}  

erano   caratterizzati   da   una   peculiarità:   essi   erano   stati   progettati   ed   ottimizzati   per  lavorare  con  uranio  arricchito  come  combustibile  fissile:  qualora  essi  fossero   stati   riforniti   di   uranio   naturale   in   forma   metallica,   difficilmente   avrebbero   raggiunto   la   fissione   e   comunque,   pur   raggiungendola,   non   avrebbero   avuto   caratteristiche  di  resa  tali  da  giustificarne  gli  ingenti  costi  di  costruzione.  Per  avere   dunque  accesso  a  questa  tecnologia,  agli  europei  non  rimaneva  che  dotarsi  di  un                                                                                                                  

proprio   impianto   di   arricchimento   sviluppando   la   tecnica   della   centrifugazione   gassosa  oppure  acquistare  il  combustibile  fissile  già  arricchito  ed  ottimizzato  che   gli   statunitensi   offrivano   ad   EURATOM   tramite   la   sua   agenzia   per   gli   approvvigionamenti.   Inoltre   questi   reattori   avevano   dalla   loro   parte   un   indubbio   vantaggio   in   termini   di   controllo   della   proliferazione:   essi   producevano   una   quantità   di   plutonio   sensibilmente   minore   di   quella   generata   dalla   filiera   gas-­‐ grafite.    

La  filiera  gas-­‐grafite  franco  britannica.      

L’altra   filiera   tecnologica   era   rappresentata   dai   reattori   sviluppati   dalle   comunità  scientifiche  francese  e  britannica.  Essa  si  fondava  sull’utilizzo  di  grafite  al   posto   dell’acqua   come   moderatore   dei   neutroni   termici   presenti   nel   nocciolo.   La   grafite   e   le   barre   di   combustibile   potevano   essere   raffreddate   con   elio   o   con   diossido  di  carbonio:  entrambi  i  gas  potevano  essere  utilizzati  per  fornire  calore  ai   boiler  presenti  nella  centrale  i  quali  avrebbero  avuto  il  compito  di  fornire  energia   alle  turbine.    

In  una  variante  di  questo  design  il  combustibile,  contenuto  in  piccoli  contenitori   rivestiti  di  ceramica,  poteva  essere  diffuso  all’interno  della  grafite:  il  tutto  sarebbe   stato   interamente   raffreddato   dal   gas.506  _{In   un   reattore   di   questa   filiera   era}  

possibile   raggiungere   temperature   molto   più   alte   di   quelle   che   si   raggiungevano   nei  reattori  pressurized  water  (PWR).  In  questi  ultimi,  infatti,  bisognava  aumentare   la   pressione   dell’acqua   per   prevenire   che   questa   raggiungesse   lo   stato   di   ebollizione  a  contatto  con  le  barre  di  combustibile:  questa  pressione  doveva  essere   considerevolmente   maggiore   di   quella   necessaria   a   contenere   un   gas   alla   stessa   temperatura.  Sebbene  il  gas  non  avesse  un’efficacia  pari  a  quella  dell’acqua  nella   conduzione  del  calore,  le  grandi  dimensioni  dei  reattori  a  grafite  permettevano  che   grandi   quantità   di   gas   fossero   usate   per   il   raffreddamento507_{.   Questi   reattori}  

dunque   fornivano   due   importanti   vantaggi   rispetto   alla   filiera   ad   acqua   leggera   sostenuta   dagli   statunitensi:   in   primis,   in   un   reattore   moderato   a   grafite   gli   elementi  di  combustibile  potevano  esser  rimossi  singolarmente  dal  reattore  senza   provocarne   lo   shutdown   o   la   perdita   di   criticità.     Secondariamente   la   grafite   non   assorbiva   neutroni   come   l’acqua   e   poteva   operare   senza   difficoltà   con   uranio   naturale  come  combustibile:  ciò  faceva  sì  che  non  fosse  necessario  sviluppare  un   centro  d’arricchimento  nazionale  o  che  non  bisognasse,  di  conseguenza,  dipendere   dagli   approvvigionamenti   americani   di   combustibile   fissile508_{.   Questa   tecnologia,}  

tuttavia,  era  foriera  di  uno  svantaggio  cruciale.  Alla  fine  degli  anni  ’50  la  filiera  gas-­‐ grafite  veniva  testata  da  Gran  Bretagna  e  Francia  in  due  diversi  design:  i  britannici   avevano  infatti  in  costruzione  il  primo  Advanced  Gas  Cooled  Reactor  (AGR)  presso   Sellafield   nella   centrale   di   Windscale509_{,   mentre   i   francesi   stavano   costruendo   il}  

primo   dei   tre   reattori   EdF  presso   Chinon510_{.   Non   essendoci   un   accordo   tra   i   due}  

paesi,  né  una  condivisione  delle  spese,  ognuno  dovette  accontentarsi  di  realizzare   un   prototipo   industriale   di   medie   dimensioni,   non   potendo   disporre   di   budget                                                                                                                  

506  _{John  M.  Kallfelz  e  Robert  A.  Karam,  Advanced  Reactors:  Physics,  Design  and  Economics  (London:}  

Pergamon  Press,  1975),  pag.75.  

507  _Ivi.    

508  _{John  M.  Kallfelz,  Analytic  Reactor  Physics  and  design  investigations,  (Atlanta:  Georgia  Institute  of}  

Technology,    1984).    

509  _{Ronald  Cohn,  Jesse  Russell,  Advanced  Gas  Cooled  Reactor,  (Berlin:  VSD,  2012).}    

510  _{Gabrielle  Hecht  The  radiance  of  France.  Nuclear  Power  and  National  Identity  after  World  War  II,}  

sufficienti   per   procedere   più   speditamente   alla   fase   commerciale.   Inoltre,   poichè   questi  reattori  erano  strutturati  ingegneristicamente  per  produrre  principalmente   plutonio  per  i  programmi  militari  ed  energia  elettrica  solo  come  by-­‐pass  product,   per   chiari   motivi   militari   entrambi   i   paesi   furono   a   lungo   restii   a   cedere   la   tecnologia  che  avevano  sviluppato  o  a  condividerne    le  caratteristiche  tecniche  con   i  propri  vicini.      

Un  confronto  tra  filiere?      

Queste   due   filiere,   sebbene   non   fossero   le   uniche   disponibili   sul   mercato   o   le   uniche  realizzabili  tecnicamente,  furono  quelle  che  riscossero  maggiore  consenso   da  parte  della  comunità  scientifica  internazionale,  diventando  di  fatto  competitor   dirette  sui  mercati  globali  a  partire  dalla  prima  metà  degli  anni  ‘60.  Tanti  furono  i   tentativi  di  effettuare  comparazioni  tra  le  due  filiere:  nessuno  tuttavia  è  mai  stato   in   grado   di   fornire   stime   univoche   ed   incontrovertibili   che   giustificassero   la   prevalenza   di   una   determinata   filiera   sull’altra.     A   scapito   della   potentissima   campagna   di   propaganda   internazionale   che   gli   Stati   Uniti   avevano   creato   per   promuovere  la  loro  tecnologia  in  tutto  il  mondo  già  a  partire  da  Atoms  for  Peace,511  

nella   comunità   scientifica   internazionale   ci   furono   sempre   dubbi   notevoli   sulla   superiorità   sia   tecnica   che   economica   della   filiera   ad   acqua   leggera.   Come   Robin   Cowan   ed   altri   scienziati   fanno   notare,   è   estremamente   difficile   dimostrare   la   prevalenza   di   questa   filiera   rispetto   ai   reattori   gas-­‐grafite:   già     negli   anni   ‘50     a   seguito  di  un  dibattito  molto  animato  sui  meriti  relativi  dell’uranio  arricchito  (light   water)  e  dell’uranio  naturale  (gas  grafite)  la  rivista  Nucleonics  affermava:    

“to the observer of this debate it seems that enriched reactors must rely heavily upon their development potential to do much better than match the power costs of natural uranium

systems512_”.

511  _{Per  approfondire  l’argomento  si  rimanda  al  testo  di  Joseph  E.  Pilat,  Robert  E.  Pendley  e  Charles}  

K.  Ebinger  (Eds.),  Atoms  for  Peace:  An  Analysis  After  Thirty  Years,  (Boulder:  Westview  Press,  1985)  e     a  Arnold  Kramish,  The  Peaceful  Atom  in  Foreign  Policy,  (New  York:  Harper  &  Row,  1963).

512  Nucleonics,   15   giugno   (1957)   pag.   71   così   come   citato   in   R.Cowan,   “Nuclear   power   reactors:   a  

Inoltre  i  costi  stimati,  raccolti  durante  gli  anni  ‘50  e  successivamente  affinati,  in   nessun  modo  permettevano  di  affermare  che  la  filiera  light  water  fosse  quella  più   efficiente   in   circolazione.   La   filiera   gas-­‐grafite   aveva   una   più   bassa   densità   di   potenza  volumetrica513  _{di  quanta  non  l’avesse  la  filiera  Light  Water,  come  i  tecnici}  

americani   sostenevano.   Ma   mentre   questo   fattore   veniva   presentato   da   questi   ultimi  come  un  aggravio  dei  costi  ed  una  riduzione  della  flessibilità    nel  design  del   reattore,   costituiva   invece   un   punto   a   favore   dei   reattori   gas-­‐grafite.   Nell’eventualità   di   una   perdita   del   liquido   di   raffreddamento   dovuta   ad   un   incidente,  infatti,  il  nocciolo  avrebbe  avuto  una  più  ampia  capacità  di  contenimento   del  danno,  abbassando  i  transienti  di  temperatura  e  dando  maggiori  possibilità  di   reazione  ai  tecnici  in  loco  che  immediatamente  sarebbero  potuti  intervenire.  L’uso   di   un   raffreddamento   a   gas,   inoltre,   aveva   il   vantaggio   di   essere   privo   dei   mutamenti   di   stato   dell’elemento   refrigerante   a   fronte   di   cambiamenti   di   temperatura   o   pressione.   Ciò   mostra   come   l’intera   fase   di   raffreddamento   della   filiera  gas-­‐grafite  fosse  meglio  studiata  e  più  efficiente  nel  caso  di  guasti  al  nocciolo   del  reattore,  mentre  la  filiera  ad  acqua  leggera  non  avesse  simili  caratteristiche  di   sicurezza514_{.  Un  altro  elemento  di  preoccupazione  che  aveva  sempre  condizionato}  

il  dibattito  ed  il  confronto  teorico  tra  le  due  filiere  era  proprio  il  nocciolo  d’acciaio   speciale   del   reattore   light   water   pressurizzato   (PWR).   Il   requisito   di   sicurezza   fondamentale  di  un  simile  impianto  era,  ed  è  ancora  oggi,  che  il  nocciolo  non  fosse   mai  posto  in  situazioni  di  criticità  che  lo  ponessero  a  rischio  di  rottura.  Se  infatti  si   fosse   verificata   una   rottura   nell’involucro   d’acciaio   esterno   al   nocciolo,   la   pressione  al  suo  interno  avrebbe  fatto  sì  che  lo  squarcio  si  sarebbe  propagato  ad   una   velocità   superiore   a   quella   del   suono,   non   lasciando   ai   tecnici   che   controllavano   la   fissione   la   possibilità   di   fare   altro   se   non   fuggire   dalla   centrale.   Progettare  e  costruire  un  simile  involucro  con  acciai  speciali  richiedeva  tecnologie                                                                                                                  

513  _{Per  potenza  volumetrica  s’intende  il  rapporto  tra  potenza  produttiva  e  dimensioni  del  nocciolo.}  

La   potenza   volumetrica   di   un   reattore   è   una   delle   misurazioni   più   utilizzate   per   confrontare  

l’efficienza  produttiva  di  reattori  tecnologicamente  diversi.    

514  _{Per   una   discussione   tecnica   più   dettagliata   sui   meriti   dei   reattori   della   filiera   gas-­‐grafite   così}  

come   raccolti   per   sommi   capi   in   questo   paragrafo   si   rimanda   agli   studi   di   Harold   Agnew,   "Gas-­‐ Cooled   Nuclear   Power   Reactors"   in   Scientific   American,   numero   244,   (1981);   Alvin   Weinberg   e   Irving  Spiewak,  "Inherently  Safe  Reactors  and  a  Second  Nuclear  Era"  in  Science  del  29  giugno  1984;     Eliot  Marshall,  "The  Gas  Reactor  Makes  a  Comeback"  in  Science  del  29  maggio  1984,  così  come  citati   in  R.  Cowan,  Nuclear  power  reactors:  a  study  in  technological  lock-­‐in,  cit.,  pp.  541-­‐567.  

industriali   avanzatissime   che   in   quel   periodo   solo   pochissimi   paesi   avevano   sviluppato.  I  reattori  della  filiera  gas-­‐grafite,  invece,  non  avevano  questo  problema   grazie  ad  una  sistematica  ridondanza  ingegneristica  del  nocciolo:  l’AGR  britannico,   infatti,   utilizzava   a   copertura   del   nocciolo   in   acciaio   un   involucro   di   cementi   speciali   testati   e   prevedeva   delle   ridondanze   meccaniche   e   delle   coperture   metalliche   rimovibili   tali   da   poter   controllare   con   maggior   serenità   l’attività   all’interno  del  nocciolo  ed  accorgersi  di  pericoli  ed  attività  insolite  al    suo  interno.   In   termini   di   esperienza   operativa,   i   reattori   light  water   non   facevano   registrare   performances    di  gran  lunga  superiori  a  quelle  di  altre  tecnologie,  pur  avendo  anni   ed   anni   di   sperimentazione   alle   spalle,   quasi   il   triplo   di   quelli   della   filiera   gas-­‐ grafite.   In   termini   di   emissione   radioattiva,   i   reattori   della   filiera   light   water   sottoponevano  i  tecnici  che  lavoravano  a  stretto  contatto  con  esso  ad  una  quantità   pari  a  circa  dieci  volte  quelle  emesse  dai  reattori  della  filiera  gas-­‐grafite.  Inoltre  il   fattore   di   carico   annuale515  _{di   un   reattore   era   sostanzialmente   uguale   per   le   due}  

filiere   e   si   assestava   intorno   al   63%.   Ci   sono   e   c’erano   già   allora   considerevoli   ragioni   per   ritenere   che   altre   tecnologie   avrebbero   avuto   importanti   vantaggi   di   costruzione  rispetto  alla  filiera  light  water  e  che,  se  dotate  delle  stesse  possibilità   economiche,   avrebbero   potuto   portare   allo   sviluppo   di   reattori   qualitativamente   migliori  sia  in  termini  di  rendimenti  che  di  sicurezza516_{.  Ma  mentre  non  è  possibile}  

documentare   in   modo   definitivo   la   superiorità   dei   reattori   light   water   è   tuttavia   possibile   affermare   a   cavallo   tra   gli   anni   ’50   e   gli   anni   ’60     la   loro   posizione   dominante    non  fosse  dovuta  ad  un‘unanime  convinzione  nella  loro  superiorità  sia   tecnica   sia   economica   quanto   a   “fattori   esogeni”   quali   l’assistenza   americana   nell’installazione  e  nel  raggiungimento  della  criticità,    le  forniture  di  combustibile  a   costi  irrisori  e  la  maggiore  conoscenza  che  gli  europei  ne  avevano517_.    

515  _{Ovvero   il   rapporto   tra   il   totale   di   energia   prodotta   in   un   anno   e   la   quota   di   energia   che   esso}  

sarebbe   stato   in   grado   di   produrre   se   fosse   stato   operativo   per   un   anno   a   pieno   carico   senza  

interruzioni.    

516  _{R.  Cowan,  Nuclear  power  reactors:  a  study  in  technological  lock-­‐in,  cit.,  pp.  541-­‐567.}