Mar. Mag 24th, 2022

Sviluppi della tecnologia elettronucleare

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di Ugo Spe’zia

SpecialEurasia published the fourth report of our project “Geopolitics of Nuclear Energy in Eurasia” titled “Sviluppi della tecnologia elettronucleare” in partnership with ASRIE Analytica and CeSEM – Centro Studi Eurasia Mediterraneo.

Abstract

La produzione elettronucleare si è sviluppata nei paesi industriali dalla metà degli anni Cinquanta ad oggi attraverso la progressiva evoluzione delle tecnologie, che puntano oggi alla realizzazione dei reattori della “IV generazione”. Il nucleare contribuisce in maniera significativa alla copertura del fabbisogno elettrico in 33 paesi. La quota nucleare è pari al 20% negli USA, al 21% in Russia e al 26,4% nell’Unione Europea (dove è la prima fonte di produzione elettrica dopo il carbone), con punte del 71% in Francia, del 53% in Slovacchia, del 48% in Ungheria e quote del 30-40% in Bulgaria, Belgio, Slovenia, Repubblica Ceca, Finlandia, Svezia e Spagna. Le previsioni di sviluppo a medio-lungo termine sono piuttosto incerte. Tuttavia, i vantaggi di tipo strategico ed economico, l’ampia disponibilità di combustibile nucleare e i programmi varati in molti paesi inducono a prevedere che il nucleare resterà anche in futuro una delle principali fonti per la produzione elettrica.

Nuclear power production has developed in industrial countries since the mid-1950s through the progressive evolution of technologies, which today aim at the “IV generation” rectors. Nuclear power contributes significantly to covering electricity needs in 33 countries. The nuclear share is 20% in the USA, 21% in Russia and 26.4% in the European Union, with peaks of 71% in France, 53% in Slovakia, 48% in Hungary and shares ranging between 30 and 40% in Bulgaria, Belgium, Slovenia, the Czech Republic, Finland, Sweden and Spain. Medium to long-term development forecasts are rather uncertain. However, the strategic and economic advantages, the wide availability of nuclear fuel and the programs launched in many countries lead to predict that nuclear power will remain one of the main electricity generation technologies in the future too.

La tecnologia elettronucleare

La produzione di energia elettrica da fonte nucleare2 iniziò il 27 giugno 1954 nell’Unione Sovietica con l’entrata in funzione della centrale di Obninsk (Russia) equipaggiata con un reattore LWGR3 ed avente una potenza di 5 MWe4. Due anni dopo, nell’ottobre 1956, entrò in esercizio a Sellafield (Cumbria, Regno Unito) la centrale nucleare di Calder Hall, equipaggiata con un reattore di tipo GCR5 ed avente una potenza di 50 MWe. La terza centrale elettronucleare ad entrare in funzione fu nel dicembre 1957 la centrale di Shipingport (Pennsylvania, USA) equipaggiata con un reattore di tipo PWR6 avente una potenza di 60 MWe derivato da quelli sviluppati per la propulsione navale.

Lo sviluppo delle centrali nucleari per usi civili Nei paesi ad economia di mercato fu promosso dall’iniziativa Atoms for Peace avviata dal presidente USA Dwight D. Eisenhower con uno storico discorso pronunciato l’8 dicembre 1953 davanti all’Assemblea generale dell’ONU, nel quale egli annunciò l’apertura (disclosure) delle tecnologie nucleari ai paesi alleati chiedendo contemporaneamente l’istituzione di un’Agenzia internazionale incaricata di promuovere e verificare gli usi pacifici delle tecnologie trasferite7. All’iniziativa di Eisenhower fece seguito l’istituzione il 29 luglio 1957 della International Atomic Energy Agency (IAEA) dell’ONU, il cui statuto fu approvato da 81 paesi dell’ONU nell’ottobre 1956.

Per effetto dell’iniziativa statunitense e della parallela apertura delle tecnologie nucleari ai paesi del blocco sovietico da parte dell’URSS, a partire dalla fine degli anni Cinquanta numerosi paesi avviarono programmi per la costruzione di centrali elettronucleari. Il varo dei programmi fu accompagnato dallo sviluppo di concezioni impiantistiche notevolmente diverse tra loro, che originarono le diverse “filiere” di reattori. Ciascuna filiera includeva i reattori che, pur differendo tra loro nei particolari, conservavano le medesime caratteristiche impiantistiche fondamentali, quali il tipo di combustibile, il moderatore8 e il refrigerante9.

Alla fine degli anni Sessanta si erano ormai affermate nel mondo cinque filiere principali di reattori:

  • BWR, Boiling Water Reactor, reattore moderato e refrigerato ad acqua bollente, sviluppato negli USA dalla General Electric Co.;
  • PWR, Pressurized Water Reactor, reattore moderato e refrigerato ad acqua in pressione, sviluppato negli USA dalla Westinghous Electric Co.;
  • GCR, Gas Cooled Reactor, reattore moderato a grafite e refrigerato a gas, sviluppato nel Regno Unito dalla Atomic Energy Commission (UKAEA) con la denominazione Magnox, dal nome della lega con cui erano realizzate le camicie delle barrette di combustibile;
  • PHWR, Pressurized Heavy Water Reactor, reattore moderato ad acqua pesante e refrigerato ad acqua leggera in pressione, sviluppato dalla Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL) e per questo chiamato anche CANDU (acronimo di CANadian Deuterium Uranium);
  • LWGR, Light Water Graphite Reactor, reattore moderato a grafite e refrigerato ad acqua bollente sviluppato in URSS indicato anche con la sigla RBMK (acronimo di Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalnyy, reattore di potenza a canali).

Le suddette filiere hanno animato l’intenso sviluppo conosciuto dal comparto elettronucleare mondiale dalla seconda metà degli anni Sessanta ad oggi.

La successiva evoluzione delle configurazioni impiantistiche ha dato luogo alla classificazione dei reattori nucleari in “generazioni”.

  • I reattori di I generazione (GEN I) si sono sviluppati, a partire dalle prime realizzazioni prototipali, dagli anni Cinquanta alla fine degli anni Sessanta. Per questo sono detti anche “reattori prototipali”. Alla I generazione appartengono reattori di tutte le filiere dianzi menzionate (BWR, PWR, GCR, PHWR e RBMK) con impianti aventi potenza unitaria fino a qualche centinaio di MWe. Ne sono esempi i reattori RBMK di Obninsk (URSS), il reattore GCR-Magnox di Calder Hall (UK), il reattore PWR di Shippingport (USA), il reattore BWR di Dresden (USA) e il reattore CANDU di Rolphton (Canada). A questa generazione appartengono anche i primi tre reattori costruiti in Italia: il GCR-Magnox di Latina, il BWR del Garigliano e il PWR di Trino.
  • I reattori di II generazione (GEN II) si svilupparono tra la fine degli anni Sessanta e l’inizio degli anni Novanta come evoluzione di quelli della I generazione, puntando all’ottimizzazione delle configurazioni impiantistiche per l’utilizzo industriale e commerciale, con potenze unitarie tipiche di 500-1000 MWe. Per questo sono definiti anche “reattori commerciali”. Tra gli impianti italiani appartiene a questa generazione la centrale nucleare di Caorso (BWR). Le centrali di Montalto di Castro (BWR) e di Trino II (PWR del Progetto Unificato Nucleare), anche esse della II generazione, non entrarono mai in funzione in seguito alla moratoria nucleare decisa dal governo nel 1987 dopo l’incidente di Chernobyl.
  • I reattori di III generazione (GEN III), detti anche “reattori avanzati”, si svilupparono in sede progettuale a partire dalla seconda metà degli anni Ottanta, dopo l’incidente di Chernobyl (1986). Si tratta di reattori ad acqua (BWR e PWR) derivanti dall’evoluzione dei reattori di II generazione, nei quali è ottimizzata la scala dimensionale e sono incorporate caratteristiche di sicurezza intrinseca atte ad impedire l’insorgenza di transitori incidentali. I principali esempi sono il System 80 (un PWR sviluppato dalla Combustion Engineering-ABB), l’ABWR (Advanced Boiling Water Reactor, sviluppato da General Electric-Toshiba-Hitachi), l’APWR (Advanced Pressurized Water Reactor) e l’AP600, entrambi sviluppati da Westinghouse, e infine il VVER 1200, un reattore PWR di concezione sovietica.
  • L’evoluzione progettuale dei reattori della III generazione dei primi anni Duemila, con l’ulteriore ottimizzazione della scala dimensionale e l’incorporazione di ulteriori caratteristiche di sicurezza intrinseca e passiva, ha portato ai reattori della cosiddetta III generazione avanzata (GEN III+), detti anche “reattori evolutivi”. Si tratta anche in questo caso di reattori ad acqua (PWR e BWR) come l’ESBWR (Enhanced Simplyfied Boiling Water Reactor, sviluppato da General Electric-Hitachi), l’AP1000 (Advanced Pressurized, sviluppato da Westinghouse-Toshiba) e l’EPR (Enhanced Pressurized Reactor, sviluppato dalla francese Areva).
  • I reattori di IV generazione (GEN IV) sono attualmente oggetto di studio nell’ambito dell’iniziativa internazionale denominata Generation IV International Forum (GIF), avviata su iniziativa USA alla quale hanno aderito finora quattordici paesi. Si tratta di reattori innovativi di diversa concezione (sei diverse filiere di riferimento) destinati ad essere proposti sul mercato non prima del 2040 e finalizzati a massimizzare lo sfruttamento del combustibile nucleare (U, Pu, Th), ad incrementare il fattore di utilizzazione, il rendimento e la vita utile degli impianti, a ridurne i costi di costruzione (attraverso la modularità e la prefabbricazione) e ad incorporare caratteristiche sostanziali di sicurezza intrinseca e passiva.

Lo sviluppo della tecnologia e l’evoluzione del mercato hanno portato progressivamente alla riduzione del numero dei modelli proposti e alla concentrazione dell’offerta dei reattori nelle mani di una decina di gruppi industriali internazionali, in grado di progettare e realizzare centrali con la formula “chiavi in mano”, con modelli operativi fondati sulla proprietà dei brevetti industriali, sulla centralizzazione della fase progettuale, sul main contracting e sullo sharing degli appalti limitato alla produzione dei singoli componenti e alla realizzazione delle opere civili in sito.

Il parco elettronucleare mondiale

La produzione elettronucleare ha conosciuto una intensa fase di sviluppo a partire dalla fine degli anni Sessanta, allorché la realizzazione dei reattori della II generazione determinò una notevole crescita del parco nucleare installato. La crescita del numero delle installazioni è proseguita a ritmi molto elevati fino alla fine degli anni Ottanta con la comparsa dei reattori della III generazione e, sia pure con ritmi meno pronunciati, anche negli anni Novanta e Duemila, con la cantierizzazione in Finlandia, Cina e Francia e l’entrata in funzione dei primi impianti della III generazione avanzata (GEN III+).

Sullo sviluppo del sistema elettronucleare mondiale influirono positivamente le crisi dei prezzi del petrolio verificatesi negli anni 1974-75 per effetto delle decisioni assunte dai paesi dell’OPEC in seguito alla guerra del Kippur, e nel 1979-80 per effetto dello scoppio della guerra tra Iran e Iraq. Entrambi questi eventi motivarono nei paesi industriali l’avvio di politiche di diversificazione dal petrolio che condussero a sostituire con il nucleare la quota parte di energia elettrica prodotta in precedenza utilizzando l’olio combustibile. Impulsi di segno opposto sono venuti dagli incidenti nucleari accaduti nel 1979 a Three Mile Island (Pennsylvania, USA, un reattore PWR danneggiato), nel 1986 a Chernobyl (Ucraina, URSS, un reattore RBMK danneggiato) e nel 2011 a Fukushima Dai-Ichi (Giappone, tre reattori BWR danneggiati).

I suddetti eventi hanno costretto a rivedere le caratteristiche costruttive e le pratiche di gestione e dei reattori nucleari e hanno convinto alcune utility e alcuni paesi a riesaminare i loro programmi nucleari. Ma il parco nucleare ha continuato a crescere sia in termini numerici che di potenza installata, aumentata di circa il 60% tra il 1986 (Three Mile Island) e il 2021. Nel mondo sono attualmente in esercizio commerciale 439 reattori nucleari in 33 paesi diversi, per una potenza complessiva di 391 GWe. Sono inoltre in costruzione 53 nuovi reattori in 19 paesi, per una potenza complessiva di 56,1 GWe, mentre la realizzazione di altri 67 reattori è in fase di pianificazione in 8 paesi.

La competizione tra le diverse filiere di reattori ha portato alla progressiva affermazione dei reattori ad acqua leggera e, tra questi, della filiera PWR su tutte le altre: oggi circa il 70% dei reattori in esercizio (302 su 439) e l’80% dei reattori in costruzione (43 su 53) e pianificati (54 su 67) appartengono a questa filiera.

L’energia nucleare copre oggi quote significative del fabbisogno elettrico nei 33 paesi che hanno impianti nucleari in esercizio. Il nucleare contribuisce alla copertura del fabbisogno elettrico per il 20% negli USA, per il 21% in Russia e per il 26,4% nell’Unione Europea, con punte del 71% in Francia, del 53% in Slovacchia, del 48% in Ungheria e quote comprese tra il 30 e il 40% in Bulgaria, Belgio, Slovenia, Repubblica Ceca, Finlandia, Svezia e Spagna.

Il controllo dei rischi di proliferazione

La diffusione delle tecnologie nucleari comporta la necessità di gestire i rischi di proliferazione nucleare, impedendo che la tecnologia e le materie nucleari acquisite per usi civili siano utilizzate per scopi militari o terroristici. Questo compito compete all’IAEA, che opera attraverso due strumenti fondamentali: il Trattato di non proliferazione (TNP) e il Regime di salvaguardia.

Il TNP ebbe origine il 24 agosto 1967, allorché USA e URSS, dopo complesse trattative, presentarono all’Assemblea generale dell’ONU due bozze separate ma identiche (così volevano le regole non scritte della guerra fredda allora in atto).

Dopo un intenso dibattito, l’Assemblea generale dell’ONU adottò il Trattato nella seduta del 12 giugno 196810. Sottoscritto e ratificato inizialmente da USA, Regno Unito, URSS e altri 59 paesi, il trattato entrò in vigore il 5 marzo 1970.

Il TNP11, cui hanno finora aderito 93 paesi,

  • proibisce agli stati che non dispongono di armi nucleari (“stati non-nucleari”) di ricevere o fabbricare tali armi o di procurarsi tecnologie e materiale utilizzabile per costruirle;
  • proibisce agli stati che dispongono già di armi nucleari (“stati nucleari”) di cedere agli stati non-nucleari armi nucleari e tecnologie o materiali utili alla loro costruzione;
  • ammette l’utilizzo delle tecnologie nucleari solo per scopi pacifici sotto lo stretto controllo e l’approvazione dell’International Atomic Energy Agency dell’ONU;
  • impone che il trasferimento di materiali e tecnologie nucleari per usi pacifici avvenga sotto il controllo dell’IAEA, che ha il potere di investire di eventuali violazioni il Consiglio di sicurezza dell’ONU.

Parte fondamentale dell’attuazione del TNP è rappresentata dall’Accordo di salvaguardia (Safeguard Agreement12), stabilito nel 1972, in forza del quale l’IAEA effettua i controlli sulle attività e sulle materie nucleari nei diversi ambiti nazionali. Si tratta di un accordo bilaterale che l’IAEA sottoscrive con ciascuno degli stati aderenti nel quale si stabiliscono le modalità di svolgimento delle verifiche di ottemperanza al TNP. Per gli stati dell’Unione Europea l’Accordo di salvaguardia è un accordo trilaterale stabilito tra lo stato aderente, l’IAEA e l’Euratom.

Nel 1997, con il concorso dell’Euratom, l’Accordo di salvaguardia è stato ampliato con l’adozione del Protocollo aggiuntivo13. Quest’ultimo prevede che gli stati firmatari forniscano dettagliate informazioni non solo sulle attività nucleari, ma anche sulle attività che, pur non trattando materie nucleari, facciano comunque uso di componenti, anche di tipo convenzionale, connessi al ciclo del combustibile nucleare. Obiettivo del protocollo è verificare se i suddetti materiali siano utilizzati in modo diverso rispetto allo scopo dichiarato e se esistano eventualmente materiali non dichiarati. In applicazione del Protocollo aggiuntivo, i paesi devono sottoscrivere la cosiddetta Expanded declaration, nella quale devono fornire all’IAEA anche precise indicazioni su quelle attività che, pur non strettamente nucleari, siano in qualche modo correlate a queste ultime, notificando all’Agenzia tutte le installazioni civili e militari situate in prossimità dei siti dichiarati.

I controlli dell’IAEA operano essenzialmente attraverso il meccanismo della “contabilità” del materiale nucleare localizzato nei siti dichiarati, nonché attraverso l’effettuazione di ispezioni dirette nei suddetti siti, l’apposizione di sigilli e il posizionamento di telecamere di sorveglianza da remoto collegate con la sala-controllo dell’IAEA sita a Vienna.

Un aspetto particolare del sistema di controllo riguarda le tecnologie e i materiali cosiddetti dual use, ovvero suscettibili di trovare applicazione per fini proliferanti pur non essendo specificamente di tipo nucleare. Questi materiali sono inseriti in una trigger list pubblicata dall’IAEA nel febbraio 197814, che costituisce lo strumento base per il controllo dei trasferimenti internazionali delle tecnologie cosiddette sensibili, ovvero suscettibili di impieghi per lo sviluppo di armi nucleari.

La protezione delle installazioni nucleari in esercizio e delle materie nucleari, durante le fasi di utilizzazione, stoccaggio e trasporto in ambito nazionale e internazionale, sono oggetto della Convention on the Physical Protection of Nuclear Material (Convenzione sulla Protezione Fisica delle Materie Nucleari)15. Entrata in vigore nel 1987 ed emendata nel 200816, la Convenzione obbliga i paesi contraenti ad assumere, sotto il controllo dell’IAEA (nell’Unione Europea i controlli sono demandati dall’IAEA all’Euratom) i provvedimenti necessari affinché i materiali e le installazioni nucleari siano adeguatamente protetti contro tentativi di intrusione, attentato, sottrazione e diversione. I livelli minimi di protezione dei materiali sono specificati all’Allegato 1 alla convenzione stessa.

Eventuali violazioni del TNP e degli Accordi di salvaguardia sono sottoposti dall’IAEA al Consiglio di sicurezza dell’ONU, che può interviene con l’emanazione di specifiche Risoluzioni contro i paesi inadempienti.

Aspetti economici e strategici

La fonte nucleare è l’unica fonte energetica che consenta di sostituire integralmente (almeno potenzialmente) il ricorso ai combustibili fossili per produrre energia elettrica su vasta scala, con la conseguente riduzione delle emissioni di CO2 e dei vincoli strategici, evidenziatisi a partire dalla metà degli anni Settanta, legati alla dipendenza dell’economia dal petrolio e dal gas naturale.

I suddetti obiettivi non possono essere conseguiti unicamente attraverso il ricorso alle fonti rinnovabili di energia. Queste ultime, e segnatamente l’eolico e il fotovoltaico (le più utilizzate), sono infatti fonti aleatorie che, data la necessità di garantire l’equilibrio, in qualsiasi condizione, della rete elettrica, richiedono la compresenza di impianti convenzionali (idroelettrici, termoelettrici o nucleari) in grado di sostituirne la produzione in caso di necessità (assenza di sole e di vento). L’investimento in impianti eolici e fotovoltaici è in tal senso da considerarsi aggiuntivo, e non sostitutivo, rispetto all’investimento in impianti convenzionali, stante la necessità di assicurare la copertura della domanda elettrica senza sbilanciamenti della rete.

Le centrali elettronucleari costituiscono pertanto uno strumento indispensabile per rallentare i vincoli ambientali, economici e strategici associati all’uso delle fonti fossili. Ma altri vantaggi derivano dalla struttura dei costi di produzione dell’energia elettronucleare.

Le installazioni nucleari hanno, a parità di potenza installata, un costo di impianto molto maggiore del costo degli impianti convenzionali e tempi di costruzione molto più lunghi. Ciò rende molto elevata la componente di costo del kWh dovuta dai costi di impianto. Ma questa componente di costo è ampiamente compensata dalla riduzione dei costi del combustibile.

Il costo del kWh da fonti fossili dipende infatti per il 13% dai costi di impianto e per il 70% in media (45% per il carbone, 75% per il gas. 85% per l’olio combustibile BTZ) dai costi del combustibile.

Per il nucleare il rapporto si inverte: il costo del kWh dipende per il 70% dai costi di impianto e per il 13% dai costi del combustibile. Il nucleare consente dunque di ridurre ulteriormente i vincoli economici e strategici per i paesi che non dispongono di fonti energetiche proprie e che importano fonti fossili.

Occorre inoltre considerare che, mentre per i paesi importatori di fonti fossili i costi del combustibile costituiscono un esborso netto verso l’estero, gli ingenti costi di impianto propri del nucleare (tipicamente, 5 miliardi di euro per una centrale da 1500 MWe) costituiscono invece un investimento effettuato in sede nazionale, con notevoli ricadute sull’economia e sul PIL del paese.

La ridotta dipendenza del costo di produzione del kWh nucleare dal costo del combustibile (13%) determina altri vantaggi di ordine economico e strategico. Il costo di produzione del kWh nucleare è infatti pressoché insensibile ad eventuali oscillazioni dei mercati delle fonti energetiche primarie. Un raddoppio (+100%) del costo del combustibile nucleare si tradurrebbe infatti in un aumento del costo del kWh nucleare limitato al 13%, mentre un analogo incremento del costo delle fonti fossili si tradurrebbe in incrementi del costo di produzione del kWh pari all’85% per l’olio combustibile, al 72% per il gas naturale e al 45% per il carbone.

Contrariamente agli impianti termoelettrici e idroelettrici, gli impianti nucleari hanno una limitata capacità di modulazione e di inseguimento delle variazioni del carico. Questa caratteristica li rende idonei, e particolarmente convenienti sul piano economico, quando operano a potenza pressoché costante e sono utilizzati per la copertura del carico elettrico di base, affidando ad impianti di altro tipo il compito di inseguire le variazioni periodiche della domanda elettrica.

Questo apparente svantaggio diventa un vantaggio qualora il parco di produzione elettrica comprenda impianti idroelettrici. In tal caso gli impianti elettronucleari possono essere dimensionati non sul carico di base, ma sul carico medio. Gli impianti nucleari possono così funzionare costantemente alla massima potenza, utilizzando l’energia elettrica prodotta in eccesso rispetto alla domanda per pompare acqua nei bacini idroelettrici e utilizzando successivamente la produzione idroelettrica per inseguire le variazioni del carico.

La disponibilità di combustibile

Il mercato mondiale dell’uranio, combustibile oggi utilizzato nella totalità dei rettori in esercizio commerciale, è caratterizzato da un andamento piuttosto stabile e prevedibile17. Tenendo conto del fatto che i reattori hanno ormai raggiunto una vita utile di 60-100 anni, l’approvvigionamento dell’uranio si realizza prevalentemente attraverso la stipula di contratti di fornitura a lungo termine sottoscritti direttamente dal proprietario della miniera e dall’utility proprietaria delle installazioni nucleari18. Il prezzo dell’uranio è quindi stabilito nell’ambito di contratti di fornitura a lungo termine. Il prezzo contrattato in borsa (prezzo spot) riguarda solo lo scambio di partite limitate di combustibile.

Dopo aver raggiunto un massimo di 60 $/libbra di U3O8 a cavallo tra gli anni Settanta e Ottanta, il prezzo internazionale dell’uranio (contratti a lungo termine) è sceso fino a 10 $/libbra nel 1990.

Negli ultimi trent’anni il prezzo dell’uranio ha manifestato variazioni connesse principalmente alle variazioni della domanda e delle previsioni di fabbisogno a lungo termine. Rimasto per molto temo pressoché stabile tra i 10 e i 15 $/libbra, il prezzo ha iniziato a crescere nel 2005 in seguito al varo dell’ingente programma nucleare cinese, raggiungendo tra il 2007 e il 2008 il massimo storico di 140 $/libbra, per poi decrescere a 40 $/libbra nel biennio successivo. Tra il 2010 e il 2011, gli ingenti acquisti di uranio operati dalla Cina hanno fatto crescere nuovamente il prezzo fino a circa 75 $/libbra. L’andamento del prezzo si è tuttavia invertito nel 2011 in seguito al disastro della centrale nucleare di Fukushima Dai-ichi e dal 2014 oscilla leggermente intorno ai 30 $/libbra U3O8.

Le risorse minerali di uranio sono ben distribuite a livello mondiale, con la presenza di giacimenti in tutti i continenti e concentrazioni significative in Australia, Kazakhstan, Canada, Russia e Namibia. Le miniere in produzione sono attive in 18 paesi, mentre altre miniere, pur avviate in passato, oggi non sono coltivate, data la sovrabbondanza di capacità produttiva.

A livello mondiale, la quantità di uranio estraibile dalle miniere a costi inferiori a 130 $/kgU è stimata in circa 6 milioni di tonnellate, mentre l’uranio estraibile a costi inferiori a 260 $/kgU è stimato in circa 8 milioni di tonnellate. Al tasso attuale di utilizzo, e con i reattori dell’attuale generazione, queste risorse sono sufficienti per circa 250 anni.

L’entrata in funzione dei reattori veloci della IV generazione (previsto intorno al 2040), grazie all’utilizzo dell’uranio-238 (tecnologia già studiata in diversi paesi negli anni Settanta-Ottanta), consentirà di moltiplicare le risorse esistenti per un fattore 60. I nuovi reattori potranno inoltre utilizzare come combustibile il torio, che sulla Terra è tre volte più abbondante dell’uranio. Le risorse di combustibile nucleare sono quindi praticamente infinite. Si ritiene pertanto che la scarsità di combustibile nucleare non costituirà mai un problema.

Oltre alle risorse minerarie, esistono altre risorse di uranio chiamate risorse secondarie e risorse non convenzionali. Tra le risorse secondarie si annoverano gli stock di uranio accumulati in passato, stimati in circa 86.000 tU, l’uranio accumulato nelle cosiddette fuel banks (banche del combustibile) istituite dall’IAEA e l’uranio derivante dal ri-arricchimento delle cosiddette “code” residue degli impianti di arricchimento. L’uranio depleto, miscelato con il plutonio derivante dagli impianti di ritrattamento, è inoltre utilizzato per produrre combustibile di tipo MOX (acronimo di Mixed OXide, ovvero ad ossidi misti di uranio e plutonio). Altri significativi stock di uranio derivano dallo smantellamento delle testate nucleari dismesse in attuazione dei trattati di riduzione degli armamenti nucleari. Nel periodo 1993-2013 il programma Megatons to Megawatt avviato da USA e Russia ha immesso sul mercato circa 14.000 tonnellate di uranio a basso arricchimento idoneo all’alimentazione dei reattori civili, per un controvalore di circa 12 miliardi di dollari.

Tra le risorse non convenzionali di uranio si annoverano anche i minerali fosfatici e altri minerali, nonché l’uranio disciolto nell’acqua di mare. L’acqua degli oceani, in particolare, contiene 4,5 miliardi di tonnellate di uranio, che attualmente in Giappone viene estratto con processi su scala sperimentale ad un costo di circa 220 $/kg. Si prevede che entro un decennio l’affinamento delle tecnologie di estrazione renderà competitiva anche questa fonte, che renderà la disponibilità di uranio pressoché illimitata.

Prospettive di sviluppo

In molti paesi (Francia, Slovacchia, Ucraina, Ungheria, Bulgaria, Belgio, Slovenia, Repubblica Ceca, Finlandia, Svizzera, Svezia, Corea del Sud) la penetrazione dell’energia elettronucleare ha raggiunto i livelli massimi consentiti dalla struttura e dalla dimensione dei sistemi elettrici nazionali, con quote di copertura del fabbisogno elettrico interno comprese tra il 30 e il 70%. In questi paesi i programmi nucleari puntano a mantenere le quote di produzione raggiunte, attraverso la costruzione di nuovi impianti destinati a sostituire quelli che saranno messi gradualmente fuori servizio alla fine della vita tecnica.

In altri paesi, dove la penetrazione del nucleare ha raggiunto quote comprese tra il 10 e il 20% (Spagna, Russia, Romania, USA, Canada, Regno Unito), esistono programmi di costruzione di nuovi impianti che puntano ad elevare la quota di produzione elettronucleare.

Programmi nucleari di notevoli dimensioni sono in corso di attuazione in Medio Oriente (Emirati Arabi Uniti), Asia (Cina, India, Corea del Sud, Bangladesh, Giappone), Russia, Ucraina e Turchia. La Cina, in particolare, ha oggi 13 reattori in costruzione e sta pianificando la messa in cantiere di 150 nuovi reattori nei prossimi quindici anni.

Numerosi paesi che non hanno impianti nucleari in esercizio stanno pianificando a livello di politica industriale la realizzazione di nuovi impianti.

Esiste infine un ristretto numero di paesi che hanno deciso, su basi politico-ideologiche, di non ricorrere all’energia nucleare (Austria), di fermare immediatamente i reattori nucleari in esercizio (Italia) o di porre gradualmente fuori servizio gli impianti in funzione (Germania).

A fronte delle suddette tendenze, le previsioni di sviluppo del nucleare a medio e lungo termine sono controverse. Ma nel 2021 sia l’IAEA che la IEA hanno rivisto verso l’alto le stime di sviluppo al 2050. Nell’ipotesi di basso sviluppo il comparto nucleare mondiale dovrebbe incrementare di poco la potenza in esercizio rispetto al livello attuale. Nello scenario di sviluppo intermedio è previsto un incremento del 50% della potenza installata rispetto ai livelli attuali. Infine, nello scenario di sviluppo sostenuto, la potenza nucleare installata è destinata a raddoppiare con orizzonte 2050.

1 UGO SPEZIA è Ingegnere nucleare, dirigente industriale, già Direttore Sicurezza Industriale SOGIN Società Gestione Impianti Nucleari SpA. Già Segretario Generale dell’Associazione Italiana Nucleare (AIN) e Membro della Giunta esecutiva del Forum Atomico Europeo (Foratom). Membro della Società Italiana per il Progresso delle Scienze (Roma) e dell’Accademia Europea delle Scienze e delle Arti (Salisburgo).

2 IAEA, International Nuclear Energy Agency (2021). Nuclear Power Reactors in the World., Reference Data Series No. 2, 2021.

3 Light WaterGas Reactor, reattore moderato ad acqua leggera e refrigerato a gas (CO2).

4 MWe, mega watt elettrici, milioni di watt elettrici.

5 Gas Cooled Reactor, reattore moderato a grafite e refrigerato a gas (CO2).

6 Pressurized Water Reactor, reattore moderato e refrigerato ad acqua leggera in pressione.

7 IAEA. Atoms for Peace Speech. Address by Mr. Dwight D. Eisenhower, President of the United States of America, to the 470th Plenary Meeting of the United Nations General Assembly. Tuesday, 8 December 1953.

8 Materiale utilizzato nel reattore per rallentare i neutroni.

9 Fluido termovettore utilizzato per asportare e trasferire il calore generato nel nocciolo.

10 ONU, Assemblea Generale, Risoluzione n. 2373 (XXII), 12 giugno 1968.

11 IAEA, Documento INFCIRC/140, 22 aprile 1970.

12 IAEA, Documento INFCIRC/153(Corrected), giugno 1972.

13 IAEA, Documento INFCIRC/540, settembre 1997.

14 IAEA, Documento INFCIRC/254 Rev. 12, 13 novembre 2013.

15 IAEA, Documento INFCIRC/225 Rev. 5, Nuclear Security Series No. 13, Vienna 2011.

16 L’emendamento del 2008 modifica il titolo della convenzione in Convention on the Physical Protection of Nuclear Material and Nuclear Facilities.

17 IAEA-NEA, Uranium 2020 – Resources, Production and Demand, OECD 2020, NEA No. 7551.

18 Nell’Unione Europea l’approvvigionamento di uranio è coordinato dalla European Supply Agency (ESA) dell’Euratom.

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