Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria

Corso di Pianificazione Energetica Prof. ing. Francesco Asdrubali

a.a. 2013-14

ENERGIA NUCLEARE

Nei paesi industrializzati l’energia nucleare svolge un ruolo fondamentale nel soddisfacimento del fabbisogno di energia elettrica in condizioni di sostenibilità economica e ambientale.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007

Produzione elettrica (2006)

Unità in esercizio

Unità in costruzione

Unità in progetto

Unità in opzione

TWh % Ee N MWe N MWe N MWe N MWe 2.658 16 439 371.642 33 26.838 94 101.595 223 194.695

Carbone 40% Gas 19% Nucleare 16% Idroelettrico 16% Olio combustibile 7% Altre rinnovabili 2%

Nucleare 33% Carbone 30% Gas 20% Idroelettrico 11% Olio combustibile 4% Altre rinnovabili 2%

Contributi alla produzione elettrica nel mondo: Contributi alla produzione elettrica in Europa (27 paesi):

Fonte: IAEA, 2008

La maggior parte dei paesi industriali ricava dal nucleare quote consistenti della produzione elettrica.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007

Fonte: IAEA, 2008

Media mondiale 16%

Media OCSE 24%

Media europea 33%

Il disastro di Chernobyl, pur motivando approfondite riflessioni in tutti i paesi che avevano impianti nucleari in esercizio, non ha bloccato l’evoluzione dei programmi.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Sviluppo del parco nucleare

371.642

26.838

101.595

194.695

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

IN ESERCIZIO IN COSTRUZIONE IN PROGETTO IN OPZIONE

Fonte: IAEA, 2008

Potenza in esercizio al 31.12.1986

+48,8%

Potenza in esercizio al 17.10.2007

Potenza elettronucleare in costruzione nel mondo al 17.10.2007.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Sviluppo del parco nucleare

Fonte: IAEA, 2008

La consapevolezza del ruolo che l’energia nucleare svolge per assicurare il soddisfacimento dei fabbisogni energetici in modo sostenibile sul piano economico e ambientale è riflessa in alcune recenti prese di posizione in ambito politico internazionale:

Marzo 2007 - Unione Europea - Risoluzione sulla limitazione delle emissioni di gas serra con orizzonte 2020. L’energia nucleare, insieme alle fonti rinnovabili, è indicata come mezzo per il conseguimento degli obiettivi di riduzione. Aprile 2007 - Vertice dei Ministri delle finanze del G7 - Dichiarazione congiunta - “Al fine di assicurare la sicurezza delle forniture di energia e di contrastare i cambiamenti climatici (…) le azioni di diversificazione possono fondarsi su tecnologie energetiche avanzate come le rinnovabili, il nucleare e il carbone pulito”. Giugno 2007 - Vertice G8 di Heiligendamm - Dichiarazione congiunta - “La prosecuzione dello sviluppo dell’energia nucleare può contribuire alla sicurezza degli approvvigionamenti riducendo contemporaneamente l’inquinamento atmosferico e contrastando i cambiamenti climatici”. Ottobre 2007 - Parlamento europeo - Documento nel quale si dichiara che l’energia nucleare sarà indispensabile nel medio termine “per ragioni economiche e ambientali” al soddisfacimento del fabbisogno di energia dell’Europa. Novembre 2007 - International Panel on Climate Change (IPCC) dell’ONU - Rapporto di sintesi conclusivo approvato a Valencia il 17 novembre 2007 - Per soddisfare la domanda energetica mondiale, e in particolare quella dei paesi emergenti, è necessario un mix produttivo che includa anche l’energia nucleare.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Posizioni politiche sull’energia nucleare

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Contributo alla produzione di energia elettrica al 31.12.2011

Fonte: IAEA-Nuclear Power Reactors in the World 2012

Produzione elettrica (2011)

Unità in esercizio Unità in costruzione

TWh N MWe N MWe 2.518 437 370.402 63 60.057

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

L’incidente di Fukushima Daiichi (Marzo 2011)

■ 11 marzo 2011: un terremoto del IX grado della scala Richter ha colpito il Nord-Est del Giappone, con epicentro nei pressi dell'isola di Honshu. Il sisma ha innescato uno tsunami dell’altezza di 43-49 metri che ha colpito la centrale nucleare di Fukushima Daiichi. L’ impianto-costituito da 6 reattori-produceva una potenza pari a 4.696 MW. In risposta allo tsunami, le Unità 1, 2 e 3 (che operavano in quel momento) hanno subito un arresto automatico mentre le Unità 4, 5 e 6 erano già state spente per controlli periodici. Per l’emergenza, è stato disattivato il nucleo e attivato il sistema di raffreddamento. Tuttavia l’impatto dell’onda sulla centrale ha provocato danni al sistema di raffreddamento, rendendo impossibile il controllo dei reattori.

■ A causa del raffreddamento insufficiente, il volume di acqua nel reattore è vaporizzato, esponendo così la parte superiore delle barre di combustibile. Il vapore ha reagito, con l'alta temperatura, con la lega di zirconio dell’involucro delle barre di combustibile e l’idrogeno generato si è diffuso nell’ambiente circostante (il vessel e l’edificio in cui era localizzato il reattore). L'idrogeno reagendo con l'ossigeno nell'atmosfera, ha provocato l’esplosione delle Unità 1 e 2.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Dopo l’incidente di Fukushima Daiichi (Marzo 2011)

■ Prima dell’incidente di Fukushima Daiichi, nel mondo erano attivi 442 reattori, per una potenza totale installata di 379 MWe. I reattori in costruzione erano 65 (+ 17% della capacità già installata) mentre erano in programma altri 159 (+ 47%). La potenza elettrica generata nel 2010 è stata pari a 2.630 TWhe. ■Dopo un anno dall’incidente (Febbraio 2012), i reattori in esercizio sono 437 per una potenza installata di 370 MWe (-2%), a causa delle modifiche apportate ai programmi nucleari di vari Paesi.

Fonte: World Energy Council 2012

■ Le implicazioni a lungo termine dell’incidente di Fukushima rimangono piuttosto incerte, dato che molti i governi continuano a rivedere i loro piani di sfruttamento dell'energia nucleare. Per eventuali scenari, si possono analizzare gli effetti socio-economici conseguenti ai precedenti incidenti nucleari (Three Mile Island e Chernobyl), dato che hanno influenzato lo sviluppo del nucleare per i decenni successivi.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Dopo l’incidente di Fukushima Daiichi (Marzo 2011)

I costi del nucleare

• Tra coloro che avversano il nucleare, una delle principali argomentazioni è l’elevato costo del kWh elettrico prodotto e gli ingentissimi investimenti per la realizzazione delle centrali.

Il costo di produzione del kWh di fonte nucleare è stato valutato fra il 1997 e il 2007 in oltre una decina di approfonditi studi nazionali e internazionali. Il governo finlandese ha commissionato nel 2000 uno studio (poi aggiornato nel 2003) sul costo di produzione del kWh dalle diverse fonti al fine di orientare le proprie scelte di politica energetica. Le risultanze dello studio mostrano la convenienza del nucleare rispetto alle altre fonti di produzione elettrica prese in esame, convenienza che si accentua se si considera il costo delle emissioni e l’incremento del costo delle fonti fossili intervenuto dal 2003 ad oggi.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Caratteristiche economiche dell’energia nucleare

Studio comparativo OCSE 2006 in 15 paesi a prezzi del gas e del petrolio 2004.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Caratteristiche economiche dell’energia nucleare

Grazie all’aumento della efficienza complessiva degli impianti, negli ultimi decenni la produzione di energia nucleare è aumentata più del numero e della potenza complessiva degli impianti in esercizio. Incrementi della potenza installata e dell’energia prodotta nel periodo 1990-2006:

potenza nucleare installata: +44 GWe = + 13,5% energia elettrica prodotta: +757 TWh = + 40%

• Nel periodo 1970-2006 il fattore di utilizzazione degli impianti nucleari è aumentato di oltre il 60%(media mondiale).

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Aumento dell’efficienza degli impianti nucleari

1970 2006

53%

85% F.U.

Ricerche in corso

Le attuali ricerche nucleari possono dividersi in due filoni, uno a breve e media scadenza, che i tecnici indicano con il nome di “Generation III +”, riferendosi alla filiera di reattori interessati, e l’altro con il termine “Generation IV”, a lunga scadenza, vale a dire a partire dal 2030 per l’inizio commerciale.

Interessanti sono inoltre le ricerche volte a realizzare cicli chiusi di combustibile, impiegando ritrattamenti di quello esaurito e recuperi dell’uranio non fissionato.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Il programma nucleare francese

Il miglioramento della tecnologia, dell’efficienza e della sicurezza dei reattori procede tuttora a livello internazionale con obiettivi di breve, medio e lungo termine.

Obiettivi a breve termine (0-5 anni). Realizzazione di reattori di terza generazione avanzata (III+) finalizzati ad aumentare la sicurezza, a migliorare lo sfruttamento del combustibile, a migliorare l’efficienza e ad allungare la vita media degli impianti. I reattori di questo tipo comprendono impianti già offerti sul mercato internazionale, come l’EPR (Areva-Siemens), l’APWR (Toshiba-Westinghouse) e l’ABWR (General Electric). Due reattori di tipo EPR da 1.650 MW ciascuno sono attualmente in costruzione in Finlandia e in Francia. Obiettivi a medio termine (5-10 anni). Iniziativa Global Nuclear Energy Partnership (GNEP) finalizzata allo sviluppo a medio termine di reattori multiscopo di piccola taglia esportabili nei paesi emergenti e con ciclo del combustibile gestito centralmente dal paese esportatore, al fine di garantire la sicurezza ed evitare ogni rischio di proliferazione nucleare. All’iniziativa GNEP hanno finora aderito 16 paesi. Obiettivi a lungo termine (20 anni). Iniziativa Generation IV International Forum (GIF) finalizzata allo sviluppo di reattori di quarta generazione in grado di migliorare lo sfruttamento del combustibile (reattori veloci, in grado di utilizzare l’uranio 238), aumentare il rendimento degli impianti (reattori ad alta temperatura) e ridurre la produzione di scorie ad alta attività (separazione e trasmutazione delle scorie mediante irraggiamento negli stessi reattori). All’iniziativa GIF hanno finora aderito dodici paesi, oltre all’Euratom.

La gestione del combustibile nucleare a ciclo chiuso (ritrattamento), in alternativa allo smaltimento del combustibile esaurito tal quale si va affermando in tutto il mondo per ragioni connesse con l’ottimizzazione dello sfruttamento del combustibile nucleare e con la riduzione della produzione di materiali ad alta attività. In tal modo l’energia ricavabile dall’uranio naturale aumenta dallo 0.6% allo 0.8%. Con l’impiego dei reattori veloci e con ricicli multipli si arriverà al 70%, con un aumento di cento volte e una disponibilità per millenni. Il ritrattamento del combustibile scaricato dai reattori consente di separare:

l’uranio 238 (95% del combustibile scaricato) l’uranio 235 non fissionato (1%) il plutonio prodotto nel reattore (1%) i residui ad alta attività (3%)

Uranio e plutonio (97% del combustibile nucleare esaurito) sono riutilizzabili (riciclabili) per fabbricare combustibile fresco (di tipo MOX, Mixed OXides UO2 + PuO2). La crescente adozione del combustibile MOX risponde anche all’esigenza di valorizzare sul piano energetico (e di distruggere nell’unico modo possibile) gli stock di plutonio derivanti dallo smantellamento delle testate nucleari.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Impiego dei combustibili MOX

Fabbisogno mondiale di uranio nel 2006 (IAEA 2007):

fabbisogno totale: 66.529 t fabbisogno soddisfatto con nuove risorse: 39.655 t fabbisogno soddisfatto con materiali in giacenza: 26.874 t

Risorse minerarie esistenti (“Red Book” IAEA-NEA 2006):

risorse uranifere estraibili a costi non superiori a 130 $/kg: 4,7 Mt risorse estraibili a costi superiori a 130 $/kg: 9,7 Mt

Altre risorse esistenti (CISAC 2005):

uranio depleto in giacenza (impianti di arricchimento): 1,2 Mt uranio ad alto arricchimento in giacenza (negoziati di disarmo): 1.842 t plutonio ad alto arricchimento in giacenza (negoziati di disarmo) 248 t plutonio civile ad alto arricchimento in giacenza: 249 t

Durata al tasso attuale di utilizzazione:

solo risorse minerarie: 70 anni risorse minerarie e altre risorse esistenti (MOX): 360 anni solo risorse minerarie utilizzando reattori veloci: 4.200 anni

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Situazione delle risorse uranifere

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Il reattore EPR e il programma nucleare francese

La scelta di gestire il combustibile nucleare in ciclo chiuso e di minimizzare la produzione di scorie è chiaramente delineata nel programma nucleare francese, che si riconduce alle seguenti fasi:

allungamento della vita operativa dei reattori oggi in funzione; aumento della resa energetica del combustibile con largo impiego del MOX; sviluppo di una filiera EPR destinata a funzionare con il 100% di combustibile MOX; graduale sostituzione dei reattori con i nuovi EPR prima e con reattori veloci a sodio poi; uso di reattori veloci per la trasmutazione delle scorie.

Le scorie radioattive • Sono distinte in scorie a bassa e medio radioattività e ad

alta radioattività e lunghissima durata (centinaia di migliaia di anni).

• Le prime dopo poche centinaia di anni sono quasi del tutto decaduti e quindi non più pericolosi; per questo i loro depositi sono superficiali o sub-superficiali (alla profondità di poche decine di metri).

• Le seconde, che hanno un volume venti volte minore (6 t/a per una centrale da 3 MW), dopo raffreddamento in depositi superficiali ed eventuale “vetrificazione” degli attinidi, potrebbero essere inseriti in un deposito geologico profondo in particolari formazioni (argilla, sali, graniti) ove per milioni di anni l’acqua, che potrebbe rivelarsi pericolosa, non è mai affluita.

Depositi definitivi per materiali a bassa e media attività (il 95% dei materiali radioattivi prodotti negli impianti nucleari) sono in esercizio in quasi tutti i paesi industriali.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Gestione dei materiali radioattivi

Forsmark (Svezia) Oskarshamn (Svezia) Gorleben (Germania) Konrad (Germania)

Morseleben (Germania) Yucca Mountain (USA) WIPP (USA)

L’Aube (Francia)

La Manche (Francia)

El Cabril (Spagna)

Per i materiali ad alta attività (solo il 5% dei materiali radioattivi prodotti) è in fase di studio in molti paesi lo smaltimento geologico, in cui la funzione di isolamento dei materiali è affidata a formazioni profonde di argilla, salgemma o granito già stabili per milioni di anni. L’unico deposito geologico attualmente in funzione si trova nel New Mexico (USA), e ha lo scopo di ospitare i materiali derivati dai programmi militari. Il motivo per il quale nessun altro paese ha finora realizzato depositi geologici è che al momento non sono necessari, dato che i materiali ad alta attività prodotti negli impianti nucleari continuano ad essere stoccati presso gli stessi impianti nucleari, ove si “raffreddano” per il decadimento dei radionuclidi a vita più breve prima entro piscine e poi, dopo un adeguato raffreddamento, entro contenitori a secco

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Gestione dei materiali radioattivi

Il problema delle scorie ad alta attività è in via di soluzione sistematica attraverso le ricerche sulla separazione e sulla trasmutazione delle componenti ad alta attività e a lunga vita. Le tecniche in fase di sviluppo in Francia, Regno Unito e Stati Uniti consentiranno di ridurre il tempo di decadimento degli attinidi a circa 300 anni, analogo a quello dei materiali a media attività.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Gestione dei materiali radioattivi

RADIOATTIVITÀ NATURALE DEL MINERALE DI URANIO

Il riciclo di uranio e plutonio riduce il periodo di decadimento di un fattore 100 La separazione e la trasmutazione degli attinidi minori riduce il periodo di decadimento di un fattore 1000 La fattibilità del processo di trasmutazione è stata già dimostrata nell’ambito del programma francese Atalante

Il problema dei rifiuti ad alta attività si pone per quantitativi molto limitati, inferiori di molti ordini di grandezza ai quantitativi di rifiuti tossico-nocivi prodotti nelle centrali termoelettriche convenzionali e più in generale nelle attività industriali comunemente accettate.

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Impatto ambientale degli impianti nucleari

Centrale nucleare da 1.000 MWe: combustibile movimentato 20 t rifiuti ad alta attività 2 t rifiuti a bassa e media attività 20 t radioattività (effluenti a lunga vita) 0.5.1020Bq

Centrale termoelettrica da 1.000 MWe: combustibile movimentato da 1 a 2 Mt CO2 da 4 a 7 Mt CO da 600 a 2.000 t ossidi di zolfo da 4.500 a 120.000 t ossidi di azoto da 4.000 a 27.000 t particolati in atmosfera da 1.500 a 5.000 t ceneri da 25.000 a 100.000 t metalli pesanti nelle ceneri da 1 a 400 t radioattività (a lunga vita) da 1 a 50 109Bq

2 carri ferroviari all’anno

1.000 carri ferroviari al giorno

L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO

Impatto ambientale degli impianti nucleari

Progetto europeo EXTERNE: valutazione dei “costi esterni” associati all’uso delle diverse tecnologie di produzione elettrica

ovvero, monetizzazione degli impatti sulla salute, sull’ambiente e sulle attività economiche,

inclusi gli effetti di possibili incidenti, tenendo conto di tutto il ciclo produttivo. Risultati (valori medi dei costi esterni valutati in 15 paesi): carbone 8,5 c € / kWh olio combustibile 7,0 gas 2,5 biomassa 1,5 fotovoltaico 0,6 nucleare 0,5 idroelettrico 0,5 eolico 0,1

E in Italia?

Nome Tipo Stato Località Potenza

nominale (MW)

Prima connessione

alla rete

CAORSO BWR Arresto

permanente CAORSO 860 23-mag-78

E. FERMI (TRINO)

PWR Arresto permanente

TRINO VERCELLESE

260 22-ott-64

GARIGLIANO

BWR Arresto permanente

SESSA AURUNEA

150 1-gen-64

LATINA

GCR Arresto permanente

BORGO SABOTINO

153 12-mag-63

Le centrali nucleari presenti in Italia

E in Italia? Prima dell’incidente di Fukushima (2011): • 1986: disastro di Chernobyl • 1987: un referendum bloccò in Italia le quattro

centrali nucleari esistenti (Latina, Trino Vercellese, Caorso e Garigliano).

• 2007: a 20 anni dal referendum del 1987, si incrina il fronte del “no” al nucleare. Secondo un sondaggio di ottobre 2007 dell’Istituto Swg, il 57% degli italiani si dice pronto a puntare sull’energia nucleare. Lo schieramento del no, maggioritario nel 2005 (52%), è sceso al 34%.

E in Italia? • Nel 2007, i numeri segnalavano la fine dell’onda

emotiva scatenata da Chernobyl, ma, come ha dimostrato anche il caso di Scanzano (il deposito di lungo periodo per scorie radioattive che doveva sorgere in Basilicata), appena si riparla seriamente di nucleare gli italiani insorgono.

• E infatti, secondo un altro sondaggio di Ipr marketing del 2007, il 56% degli italiani si sarebbe opposto alla realizzazione di un centrale nucleare nel proprio comune (ancora una volta la sindrome, NIMBY!).

E in Italia?

• Nel novembre del 2007 – a riprova di un mutato e più maturo approccio della nostra classe politica ai problemi energetici – l’Italia è entrata a far parte del club dei 16 Paesi che mirano alla ricerca e allo sviluppo industriale dell’energia nucleare, insieme a USA, Russia, Cina, Francia e Giappone (Global Nuclear Energy Partnership).

E in Italia? • Inoltre, tra società civile, mondo scientifico e politica,

sembra stia avanzando uno schieramento trasversale di apertura, seppure condizionata, al nucleare e in molti partiti prevale l’idea che sia stato un errore rinunciare nel 1987 al nucleare. Errore che ha pagato l’intera collettività, sulla quale sono stati ribaltati i costi dello smantellamento delle centrali nucleari, e che pagano tuttora le imprese italiane: le statistiche Eurostat relative al luglio 2007 mostrano che i prezzi dell’elettricità all’industria in Italia sono superiori del 45% rispetto alla media europea e più del doppio rispetto alla Francia, che, come è noto, ha una ingente produzione di energia elettrica da fonte nucleare.

E in Italia? • Nel 2011, in risposta all’incidente nucleare

di Fukushima, il governo ha deciso di modificare i precedenti piani per reintrodurre il nucleare nella generazione di potenza elettrica.

• Un referendum nel giugno 2011 ha istituito un divieto permanente sul ripristino della potenza nucleare.

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