L’energia nucleare Alcune riflessioni sui pro e sui contro N. Colonna Istituto Nazionale Fisica Nucleare Sezione di Bari Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Il problema dell’energia Consumo di energia nel mondo Anno Aumento della popolazione mondiale (10 miliardi nel 2050) Miglioramento generale degli standard di vita (soprattutto nei paesi emergenti) Aumento costante del consumo di energia nel mondo (+ 40 % nel 2020): Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

La produzione di energia nel mondo Nucleare: 2658 TWh (23 EJ) L’80 % dell’energia attualmente consumata nel mondo è prodotta da combustibili fossili Problemi associati allo sfruttamento dei combustibili fossili: approviggionamento (picco di produzione entro 2020); ambientali (cambiamenti climatici in genere per CO2 + inquinamento atmosferico). Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), 2007 La produzione di CO2 Lo sfruttamento dei combustibili fossili porta ad un aumento della CO2 nell’atmosfera, causa di “effetto serra” (aumento della temperatura terrestre). Necessario (e sempre più urgente) sviluppare fonti di energia pulita, sicura e a basso costo. La parola d’ordine e’ DIVERSIFICARE: risparmio e maggiore efficienza energetica (fondamentale nel breve termine, soprattutto nei paesi più sviluppati); fonti rinnovabili: solare, eolico, biomasse, etc… (sviluppo nel medio termine); Nucleare (soprattutto nei paesi emergenti, in particolare Cina, India, Brasile, etc…). , Report of the Intergovernmental Panel on Climate Changes (IPCC), 2007 www.ipcc-wg1.unibe.ch/publications/wg1-ar4/wg1-ar4.html “Le Forze Nascoste”, Rotary International, Campobasso, 14 Marzo 2010 Nicola Colonna

I reattori nucleari nel mondo Attualmente, sono operativi nel mondo 440 reattori nucleari, per una potenza installata complessiva di 356 GWe (in media 800 MWe per reattore). Chernobyl Three Mile Island Numero di reattori Anni Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

I reattori nucleari nel mondo Nucleare: 2658 TWh (23 EJ) Un terzo dei reattori attualmente in funzione si trovano in Europa Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Fabbisogno coperto (%) In costruzione (programmati) Stato Numero di reattori Fabbisogno coperto (%) In costruzione (programmati) Belgio 7 54 Bulgaria 2 44 (2) Rep. Ceca 6 31 Finlandia 4 28 1 Francia 59 78 1 + (1) Germania 17 32 Ungheria 38 Lituania 69 Olanda Romania 9 Russia 16 3 + (8) Slovacchia 5 57 Slovenia 40 Spagna 8 20 Svezia 10 48 Svizzera 37 Ucraina 15 UK 19 18 Europa 196 35 6+(14) In Europa il nucleare copre più di un quarto del fabbisogno di energia elettrica (più che negli Stati Uniti e in Giappone). Attualmente, è insieme al carbone la fonte principale di energia elettrica. Produzione energia elettrica Europa - 27 Nicola Colonna

Possono essere stoccati in siti costruiti dall’uomo. Energia (E=mc2) neutroni I frammenti di fissione restano radioattivi per qualche centinaio di anni. Possono essere stoccati in siti costruiti dall’uomo. Frammenti di fissione neutrone Nucleo di uranio (235U) 131I (t1/2 = 8 giorni) 137Cs (t1/2 = 30 anni) 90Sr (t1/2 = 29 anni) I nuclei transuranici restano radioattivi per centinaia di migliaia di anni. Rappresentano la parte più pericolosa delle scorie nucleari, da smaltire in “depositi geologici” (siti stabili per milioni di anni, tipo miniere di sale). neutrone Nuclei transuranici Nucleo di uranio (238U) 237Np (t1/2 = 2 milioni di anni) 239Pu (t1/2 = 24110 anni) 243Am (t1/2 = 7370 anni) I reattori di IV Generazione utilizzeranno i transuranici come combustibile

Come funziona un reattore 1. Le reazioni di fissione producono calore che trasforma l’acqua in vapore. 2. Il vapore fa muovere delle turbine che producono energia elettrica. 3. Il vapore viene poi raffreddato e si ritrasforma in acqua che viene pompata nuovamente nel reattore (e il ciclo ricomincia). Il reattore è all’interno di una struttura di contenimento (acciao e cemento). Da un kg di uranio naturale si ricavano 160 MWh (20 tonnellate di carbone). 2 1 3 Fabbisogno mensile di un migliaio di famiglie Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) I reattori attuali I sistemi attuali sono “once through”: il combustibile passa una sola volta attraverso il nocciolo del reattore Deposito di scorie Reattore nucleare Miniere di uranio Come funzionano i reattori attuali (Generazione II e III): L’uranio è estratto dalle miniere (Canada, Australia, Nigeria, Kazakistan, etc…), viene “arricchito”, e preparato in barre di combustibile. Le barre vengono inserite nel nocciolo del reattore, e producono energia per 12-18 mesi. Le barre sono rimosse, ed il “combustibile spento” è inserito in fusti (sigillati) da stoccare in opportuni siti (quelli temporanei sono spesso vicini al reattore). Un reattore da 1 GWe produce in un anno circa 2 tonnellate di scorie ad alta radioattività (+ 20 ton. a bassa radioattività) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Vantaggi del nucleare: i gas serra Il vantaggio principale è la bassa emissione di CO2 o di altri inquinanti (SO2, polveri sottili, …) Nucleare: 2658 TWh (23 EJ) Per soddisfare la domanda energetica mondiale (in particolare quella dei paesi emergenti), minimizzando le conseguenze sul clima, è necessario un mix di fonti che includa anche l’energia nucleare (Intergov. Panel on Climatic Change, IPCC-ONU, Valencia, 17 Nov. 2007). Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Vantaggi del nucleare (2) Altri aspetti positivi: disponibilità del combustibile le principali miniere di uranio si trovano in Canada e Australia indipendenza da aree soggette a turbolenze politiche (paesi arabi produttori di petrolio) bassa incidenza del combustibile sul costo del kWh il raddoppio del prezzo dell’uranio si traduce in un aumento del 10% sul kWh (mentre il raddoppio del petrolio produce un 70% di aumento). in futuro potrebbe essere usato per produrre idrogeno, sostituendo il petrolio anche nei trasporti l’idrogeno e’ un vettore (e non una fonte) di energia, e per produrlo (per esempio dalla dissociazione dell’acqua) occorre spendere energia. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Limiti del nucleare attuale Sicurezza Fatti grossi passi avanti: sistemi passivi (non richiedono intervento umano) sistemi attivi ridondanti training continuo degli operatori (simulazioni) I reattori in costruzione hanno un rischio di incidente al nocciolo inferiore a 10-7 per reattore per anno (dal 2001 si considera anche la possibilità di impatto di un aereo). In caso di incidente, sistemi per mitigare (o limitare) gli effetti: doppio contenitore del nocciolo volume di espansione del combustibile fuso Non esiste la sicurezza assoluta (come in nessun’altra attività umana). Incidenti possono verificarsi per eventi eccezionali imprevisti (Fukushima), per imperizia umana (Chernobyl, Goiania), o per malfunzionamento (Three Mile Island). Il problema di un incidente nucleare è che può interessare vaste aree ed un gran numero di persone. Inoltre, i suoi effetti possono essere duraturi nel tempo. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

I limiti del nucleare (2) Scorie radioattive Problema nell’individuare siti geologici per le scorie a lunga vita media. Produzione di scorie Negli Stati Uniti hanno stimato che, continuando ad usare reattori tradizionali, sarebbe necessario individuare un deposito geologico (tipo Yucca Mountain, Nevada) ogni 20 anni. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Altre limiti del nucleare attuale Bassa efficienza nell’uso dell’uranio nei reattori attuali, solo il 3 % dell’uranio è utilizzato per produrre energia le riserve di uranio potrebbero esaurirsi entro 50-100 anni (o anche meno ci dovesse essere una forte crescita del nucleare nei prossimi anni) se si utilizzasse il 100 % dell’uranio, ce ne sarebbe a sufficienza per 3000 anni !! Tempi di costruzione lunghi e grosso investimento iniziale ci vogliono dai 10 ai 15 anni per scelta sito, progetto, costruzione e collaudo tipicamente un reattore costa dai 2 ai 4 miliardi di Eu (in parte per interessi) Costi elevati (e non facilmente quantificabili) per lo smantellamento delle centrali a fine ciclo e per lo stoccaggio delle scorie. Proliferazione possibilità di utilizzare le tecnologie e il materiale per il nucleare civile per scopi militari (vedasi caso dell’Iran). Nel breve periodo: problema della gestione e smaltimento delle scorie Nel lungo periodo (> 50 anni): esaurimento delle risorse di Uranio Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

I reattori di IV Generazione Principio fondamentale dei reattori di IV Generazione è il riutilizzo totale o parziale del combustibile spento (le attuali scorie nucleari). Reattori a ciclo chiuso. Recycling Riciclo Scorie residue Miniere di uranio Principali scopi dei reattori di IV Generazione: minima produzione di scorie; utilizzo ottimale delle risorse di uranio; bassi investimenti iniziali e rapidità di costruzione; massima sicurezza e non-proliferazione; produzione di idrogeno (per uso nei trasporti) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Scelta dei siti Criteri generali indicati dalla IAEA (e recepiti dagli organismi nazionali): Bassa sismicità e stabilità idrogeologica dell’area; Resistenza ad altri rischi ambientali esterni (inondazioni, tsunami, etc…); Vicinanza a fonti di acqua per il raffreddamento del reattore (anche acqua di mare); Bassa intensità di attività umane nella regione. L’insieme dei criteri sopra indicati rende di non facile soluzione l’individuazione di siti idonei in Italia. Inoltre, necessario ri-acquisire il know how (competenze) tecnologiche (preparazione di esperti, agenzie di supervisione e controllo, etc…). Necessità ed urgenza della scelta nucleare in Italia tutta da dimostrare (non così in Cina o altri paesi emergenti) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Il nucleare da fusione L’energia è ottenuta dalla fusione di due nuclei leggeri (idrogeno), come avviene nel Sole. Non sono prodotte scorie !! 2H 3H He Per innescare la reazione di fusione, necessario raggiungere temperature altissime. Confinamento magnetico: progetto ITER. Fusione inerziale con laser: progetto NIF. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Sommario Il nucleare (da fissione) contribuisce a soddisfare la richiesta di energia nel mondo e potrebbe aiutare a ridurre la dipendenza dai combustibili fossili (in particolare nei paesi emergenti). In Europa, attualmente fornisce ~30 % dell’energia elettrica. Il principale vantaggio rispetto ai combustibili fossili è la bassa emissione di gas serra (CO2) e altri inquinanti, e la scarsa incidenza del costo del combustibile sul kWh. Resta irrisolto il problema delle scorie. Richiede grossi investimenti iniziali (quasi sempre a garanzia pubblica), tempi di costruzione lunghi (10 anni), e alti costi a fine ciclo. Rischio di incidenti gravi molto basso (e per lo più collegato ad eventi eccezionali), ma gli effetti possono essere disastrosi e duraturi nel tempo. In Italia, diversi motivi rendono la scelta più complicata che altrove. Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Grazie per l’attenzione Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

La situazione italiana L’Italia non è l’unico paese europeo a non avere il nucleare (Austria, Danimarca, Grecia, Irlanda, Portogallo, Polonia, Turchia), ma è l’unico paese del G8 a non averlo. Da considerare nella discussione: fabbisogno energetico, costi, possibili alternative, etc… numero e tipo di centrali (gradualità, Gen III+ o IV, grandi o piccole, etc…) scelta sito (specificità del territorio e “consenso informato” delle popolazioni). Alcuni dati sui reattori proposti per l’Italia: EPR (European Pressurized Reactor) 1.6 GWe Contributo singolo reattore 3.3 % del fabb. energia elettr. Costo previsto 4.5 miliardi di Euro Tempo necessario 10-15 anni (incluso scelta sito) Competenze necessarie in parte da ricostruire Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

Fra i paesi più industrializzati, la Francia produce la minor quantità di CO2 per abitante, e per energia consumata I dati si riferiscono al 2007

Le generazioni passate e … future Jacine Kadi Breeding factors ?? (Aiche o altro) Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna

L’incidente di Fukushima Salone degli Affreschi, Bari, 18 Aprile 2011 N. Colonna (INFN) Nicola Colonna