CONSIDERAZIONI FINALI E
PROSPETTIVE FUTURE
1. Risultati ottenuti
A conclusione della tesi si può dire che sono stati raggiunti gli obiettivi che erano stati prefissati.
Per bruciare gli attinidi minori, scopo della tesi, si possono intravedere le seguenti strade:
- Impiego di un reattore con spettro epitermico, oppure veloce sopra i 500 keV1
- Impiego di elementi di combustibile che consentano di raggiungere alte fluenze
- Impiego di elementi di combustibile con fertile torio
- Adozione di opportuni cicli “in cascata”
Dall’analisi di quanto sopra, corroborata da calcoli preliminari di vita, è stato individuato il ciclo LWR – HTR – GCFR illustrato nel cap. 8, che utilizza parzialmente le strategie suddette e rappresenta una novità specialmente perché i GCFR sono ancora in fase di studio iniziale.
Attraverso una serie di calcoli di trasmutazione isotopica sono state definite la qualità e la quantità delle scorie residue alla fine del ciclo e l’energia complessivamente prodotta.
Ne risulta che, nonostante il rapporto scorie/energia sia già, con un ciclo once through, molto basso, esso è comunque riducibile attraverso l’adozione di cicli simbiotici come quello sopra indicato che consentono di “bruciare le scorie con le scorie”, producendo nel contempo energia.
Si mettono in luce i seguenti risultati particolari:
- Il Np237 brucia bene nei reattori HTR e continua a diminuire nei GCFR, per
cui un ciclo simbiotico che coinvolga entrambi questi tipi di reattore ne permette una sostanziale riduzione (del 69% circa)
- L’Am241 viene consumato quasi per intero nell’HTR mentre nel reattore
veloce si assiste ad un suo modesto accumulo: globalmente però anch’esso diminuisce essendo la distruzione nel reattore termico a gas superiore alla formazione nel GCFR: in totale si ha una diminuzione
- Nel GCFR si assiste inoltre, a differenza che nei reattori “a monte”, alla
decrescita di Pu242 e Am243, diretti precursori del Cm244
- Resta il problema del Cm244, che è la più problematica fra le scorie, la cui
quantità addirittura aumenta nel reattore HTR
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Uno spettro veloce costituito da neutroni per la quasi totalità sopra i 500 keV con ogni probabilità non è realizzabile nella pratica, per quanto pesanti siano i nuclei di materiale impiegato nel reattore: infatti, i neutroni di fissione hanno pur sempre energia media di circa 2 MeV ed energia più probabile di 1 MeV. Essi non sono pertanto esenti da interazioni con i materiali circostanti, soprattutto scattering anelastico, che li rallentano subito, mediamente, ad energie intorno ai 200 keV.
Per quanto riguarda i valori del rapporto scorie/energia, essi sono stati quantificati nel cap. 8, tab. 8.6.3, ma per chiarezza si riportano in questa sede quelli più interessanti:
- Una centrale a gas da 1000 MWe produce 3·106 t/anno di CO2 con un
rapporto scorie/energia di 3.42·105 g/MWh
- Una centrale a carbone da 1000 MWe produce 6·106 t/anno di CO2 con
rapporto scorie/energia (SO2 e ceneri incluse) di 7.31·105 g/MWh
- Un reattore LWR con ciclo once through produce 30 t/anno di scorie2 con un
rapporto scorie/energia di 3.42 g/MWh
- Il recupero integrale di U e Pu di un LWR per fabbricare MOX permette di abbassare il rapporto scorie/energia a 0.57 g/MWh
- Un ciclo LWR + PBMR (quest’ultimo alimentato da tutti i TRU uscenti dal primo) produce 0.79 t/anno di scorie con un rapporto scorie/energia di 0.13 g/MWh
- Un ciclo LWR – PBMR – GCFR produce 0.65 t/anno di scorie con un rapporto scorie/energia di 0.11 g/MWh
Bisogna però fare la seguente osservazione. Ogni reattore LWR alla fine del suo ciclo, se trattato col sistema once through, scarica 30 t di combustibile esausto ogni anno in quanto bisogna comprendere anche l’uranio depleto che non viene separato. Considerando 17 reattori, si ha un totale di 510 t di scorie.
Usando successivamente 1 PBMR a valle di ciascun LWR si scaricano ogni anno, avendo separato l’uranio irraggiato, 1.5 t per ciascun reattore, per un totale di 25.5 t di scorie.
Ricorrendo al ciclo simbiotico con in cascata un GCFR, e caricando nell’unico reattore il materiale di cui sopra, ottengo alla fine circa 3 t di scorie, cioè i soli prodotti di fissione, in quanto gli HM vengono riciclati. Essi infatti, con opportuna aggiunta, per esempio di uranio impoverito, consentono di caricare un nuovo GCFR, e così via.
Last but not least bisogna ricordare che si sono ottenuti globalmente 5.9 GTEP di
energia, per la quale usando mezzi convenzionali, si sarebbero dovute impiegare 62
MTEC3 (ovvero 62 milioni di tonnellate di carbone equivalenti) o 320 milioni di barili
di olio4, emettendo 405 milioni di tonnellate di CO2, con buona pace del protocollo di
Kyoto.
2. Considerazioni finali
Si è dimostrato che è possibile, e ragionevole, cambiare l’ottica sotto cui vedere le scorie: esse effettivamente possono essere considerate più una risorsa che un problema.
D’altra parte, non esiste nessun sistema, biologico o tecnologico, che produca senza consumare risorse e produrre rifiuti. In questo senso, l’energia nucleare è in assoluto la fonte di energia più pulita, specialmente in virtù del basso rapporto scorie prodotte/energia erogata.
In merito ad alcune fra le innumerevoli obiezioni all’energia nucleare, vi sono quelle del tipo “anche l’uranio è destinato a finire” (dagli antinuclearisti) oppure “perché
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Di cui in realtà le vere scorie, cioè i prodotti di fissione, sono solo 1 t/anno; tuttavia in questo tipo di ciclo si “butta via” tutto
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1 TEC equivale a 0.7 TEP
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pensare a nuove tipologie di reattori, visto che gli LWR funzionano benissimo?” (da parte dei sostenitori dei reattori ad acqua), ecc.
E’ quindi utile sottolineare qualche altro punto emerso nei capitoli precedenti: - Le risorse di combustibile nucleare, nelle due opzioni uranio e torio, se sfruttate
integralmente non comportano problemi di approvvigionamento, anche a lungo termine (al momento, con le risorse già note, la disponibilità può essere infatti garantita per oltre 1000 anni)
- La IV Generazione costituisce un importante statement politico. Essa recupera e rinnova concetti di reattore ideati fin dalle origini mai sviluppati e messi in secondo piano dalla più immediata tecnologia dei reattori ad acqua
- E’ ragionevole che i nuovi reattori affianchino, senza pretendere di sostituirli, i reattori ad acqua (che hanno ormai anni ed anni di esperienza con ottimi risultati), coprendo gli spazi lasciati liberi da questi ultimi, per ampliare lo spettro dell'applicazione dell'energia nucleare e contribuendo alla chiusura del ciclo
L'applicazione dei reattori a gas innovativi, sia termici che veloci (HTR, GCFR), alla chiusura del ciclo del combustibile costituisce una innovazione, soprattutto perché essi presentano spettri neutronici che si diversificano e che possono essere opportunamente sfruttati per la riduzione delle scorie.
I benefici che si possono ottenere dai cicli simbiotici del combustibile, resi possibili dalla loro flessibilità, sono i seguenti:
- Sfruttamento razionale delle risorse minerarie
- Minimizzazione del rapporto scorie prodotte/energia erogata
- Miglioramenti in termini di radiotossicità a lungo termine
- Miglioramenti in termini di attività a lungo termine
- Miglioramenti dal punto di vista della resistenza alla proliferazione
Questi fatti, in sostanza, giocano a favore della tanto auspicata sostenibilità dell’energia nucleare, ovvero del principale scopo, oltre alla sicurezza, della IV Generazione.
Un commento infine sui motivi che possono influire sulla scelta, come bruciatore di attinidi, fra un sistema GCFR ed un ADS.
Dagli elementi forniti dalla breve analisi qui condotta, non sembra possibile giudicare ictu oculi se sia preferibile l’uno o l’altro sistema. Tuttavia, si possono fare alcune considerazioni:
- Gli ADS sono estremamente complessi, dato che accoppiano un acceleratore di particelle ad alta energia con un reattore nucleare; quindi, i costi di impianto e di gestione di un sistema del genere dovrebbero essere più elevati rispetto ad un reattore di tipo critico
- Il reattore GCFR invece, oltretutto in ciclo diretto, possiede un layout estremamente semplice e compatto ed i costi d’impianto saranno conseguentemente contenuti
- L’uso di He come refrigerante, usato nei GCFR, che disgiunge quasi per intero la neutronica dalla termoidraulica, garantisce una flessibilità che nessun altro
fluido può permettere; occorrerà tuttavia stimare in futuro quanto la potenza di pompaggio incida sulla produzione di energia
- Entrambi questi tipi di sistema (ADS e GCFR) hanno gli stessi problemi nell’ambito della scelta, nello studio del comportamento chimico, della fabbricazione e del trattamento dei materiali combustibili e strutturali
- Un reattore “tradizionale” rende disponibile tutta l’energia elettrica che produce (a parte, ovviamente, l’alimentazione dei sistemi ausiliari), mentre nell’ADS un’ulteriore, non trascurabile, parte dell’energia dovrà essere destinata al funzionamento dell’acceleratore
- Per quanto elevati possano essere i loro costi d’impianto, nel ciclo generale questi reattori “spazzini” dovrebbero incidere poco a causa del loro basso rapporto numerico (almeno 1:10) rispetto ai reattori a monte
- Infine, un risolutivo apporto alla decisione sarà portato dalla definizione di quello che si vuole ottenere da questi reattori:
la sola distruzione delle scorie
la distruzione delle scorie più la produzione di energia
Nel primo caso evidentemente sarà privilegiato l’ADS, soprattutto per problemi di dinamica e grazie alla possibilità di usare tranquillamente combustibile fertile-free, mentre nel secondo chiaramente sarà conveniente utilizzare il reattore GCFR.
3. Programma futuro
Come naturale approfondimento del ciclo qui proposto, per mettere in atto il cosiddetto full actinides recycle, bisognerà in primo luogo individuare le caratteristiche del ciclo di equilibrio e precisamente:
- Composizione del combustibile da aggiungere a plutonio e attinidi minori provenienti dal ciclo precedente (es. solo uranio depleto? Uranio o torio come fertile? Uranio depleto più TRU provenienti da HTR o LWR? ecc.)
- Durata del ciclo all’equilibrio in relazione al burnup “metallurgico” del combustibile (il reattore teoricamente potrebbe restare critico per lunghi tempi a causa dell’ottima economia neutronica; non è detto che il materiale resista all’alta fluenza conseguente);
- Intervallo di raffreddamento del combustibile scaricato prima del riciclo: esso
dovrà essere tale da non far aumentare troppo l’Am241 per decadimento del Pu241
e allo stesso tempo dovrà consentire un certo decadimento del Cm244 in modo da
ottenere una sua riduzione netta ad ogni passaggio attraverso il reattore.
Inoltre, non è affatto sicuro che, come attualmente risulta, la quantità di Cm244
continui ad aumentare seppur molto lentamente: i calcoli finora eseguiti fanno intuire che molto dipenderà dalla scelta del combustibile nell’ambito dei cicli multipli del GCFR e quindi la situazione andrà valutata caso per caso. Ovviamente, alte fluenze
risultano benefiche ai fini del bruciamento dello stesso Cm244.
Quello che manca, di essenziale importanza e complessità, che esula dallo scopo di questa tesi di laurea, sono:
- l’analisi della dinamica del reattore caricato con i combustibili di tipo innovativo;
- lo studio del comportamento dei materiali ad alto contenuto di MA e sottoposti ad alte fluenze;
- l’analisi economica e realizzativa degli impianti di fabbricazione e riprocessamento dei nuovi combustibili (altamente radioattivi e forti emettitori di neutroni);
- last but not least, l’analisi economica dell’intero ciclo scelto.
Riguardo l’economicità, si ribadisce che si tratta di un aspetto imprescindibile; tuttavia esso è nel contempo di complessità tale da non poter qui essere analizzato anche se solo sommariamente perché i dati di cui si dispone al riguardo sono ancora piuttosto incerti ed imprecisi.
Comunque da una valutazione, seppure molto grossolana, si può dedurre che la quantità di energia prodotta (cfr. tab. 8.6.3) è tale da fornire un ingente capitale, nel quale possono certamente essere contenuti i costi degli impianti coinvolti.
Infatti il costo dei reattori LWR capofila non va considerato, in quanto rientra già nel loro conto economico. La quantità di scorie da inserire nei reattori HTR è molto minore del carico iniziale e quindi sono sufficienti reattori più piccoli con un costo limitato. La chiusura finale del ciclo è realizzata da un solo reattore veloce di media taglia.
Il lavoro che resta da fare a livello internazionale è molto: in fin dei conti, ancora non si sa se il reattore GCFR (così come altri concetti appartenenti alla Generation IV Iniziative) verrà mai realizzato. Le analisi preliminari, per quanto approssimate, sono tuttavia significative ed importanti ed indicano che in realtà vale la pena di impiegare tempo e danaro nello studio di questa tecnologia.
