Nucleare nel mondo: il Belgio

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Per la serie “Nucleare nel Mondo” pubblichiamo questo contributo del nostro socio Fabio Nouchy sull’industria nucleare del Belgio. Il Belgio è uno dei pionieri nello sviluppo dell’energia nucleare. Anche se è entrato quasi casualmente nella storia atomica, per via del radio e dell’uranio trovati nelle miniere dell’allora “Congo Belga”, questo piccolo Stato ha poi partecipato nello straordinario sviluppo degli usi pacifici dell’atomo già a partire dagli Anni ’50.  Il Belgio è infatti il terzo paese dell’Europa occidentale, dopo il Regno Unito e la Francia, ad aver ottenuto una reazione nucleare a catena controllata in un reattore. L’11 maggio 1956, la prima reazione a catena controllata è stata ottenuta con il reattore di ricerca BR 1 (Belgian Reactor 1) al Centro degli Studi dell’Energia Nucleare, oggigiorno conosciuto come SCK CEN, che è ancora un fulcro vitale di esperimenti legati alle applicazioni nucleari vicino al villaggio di Mol, nella provincia di Anversa.  Molto presto dopo questo primo successo, il Belgio ha deciso di costruire un reattore di ricerca dedicato ai test sui materiali (il BR 2) e un terzo reattore sperimentale con l’obiettivo di produrre elettricità (BR 3).  Per quest’ultimo l’intenzione originale era di installarlo sul sito dell’Expo 58 a Bruxelles, sito dell’emblematico Atomium, ma il sito del SCK CEN fu poi scelto per ovvie considerazioni pratiche. Con una capacità di 11,2 MWe, il BR3 è stato collegato alla rete già nell’ottobre 1962. Questo primo reattore ad acqua pressurizzata (PWR) in Europa  doveva servire, tra l’altro, a formare il personale delle future centrali di Doel e Tihange. Dal 1963 in poi, fu anche usato per testare il combustibile MOX (Miscela di Ossidi di Uranio e Plutonio) in condizioni reali. Nel 1987 è stato definitivamente spento dopo 11 cicli di funzionamento e fu allora designato come impianto pilota per la ricerca sullo smantellamento dei reattori da parte della Commissione Europea, operazione che è stata completata recentemente. La prima centrale nucleare commerciale costruita dai Belgi in collaborazione con i Francesi si trova nella zona di Givet, a Chooz, sulle rive della Mosa. Questo impianto PWR, con il reattore più potente del mondo all’epoca (242 MWe), ha iniziato a fornire elettricità alla rete nel 1967 ed è stato chiuso definitivamente nel 1991. La centrale di Chooz A ha permesso ai Belgi e ai Francesi di acquisire know-how ed esperienza sia nella fabbricazione di attrezzature per i futuri impianti nucleari che nella gestione di una centrale.  Dopo la messa in funzione di Chooz A, i Belgi hanno deciso di lanciare il loro programma di energia nucleare. Sono stati scelti due siti: Doel sulla riva sinistra della Schelda, a valle di Anversa, e la zona industriale di Tihange sulla riva destra della Mosa, a monte di Liegi.  I primi reattori sono stati messi in funzione a livello industriale nel 1975 (Doel 1, Doel 2 e Tihange 1). Tra il 1982 e il 1985, a queste tre unità si sono aggiunte Doel 3, Tihange 2, Doel 4 e Tihange 3. All’epoca della messa in funzione dei primi reattori, tre quarti della produzione di elettricità del Belgio erano generati dal carbone, mentre negli anni ’80 la quota nucleare è passata in media intorno al 66%.  Ora, nel 2021, l’elettricità prodotta da fissione atomica rimane attorno al 50% del fabbisogno di elettricità, ponendo il Belgio tra i paesi europei con le più basse emissioni di gas a effetto serra, accompagnato dall’aumento dell’eolico offshore. Un cambiamento importante è però incombente, siccome la legge del 31/01/2003 prevede una chiusura di tutte le centrali alla fine del loro limite legale, fissando di fatto una data di chiusura a 40 anni dalle prime operazioni. A causa di mancanza di alternative di approvvigionamento elettrico, si è già derogato ben due volte a questa legge (nel 2013 e 2015), portando la vita legale dei reattori di Tihange 1 e di Doel 1 e Doel 2 a 50 anni di operazioni.  L’attuale accordo di governo prevede però di prendere in considerazione ciecamente la chiusura prevista dalla legge del 2003. Tale applicazione comporterebbe una chiusura di tutti e 7 i reattori belgi tra il 1° ottobre 2022 e il 1° dicembre 2025 e il dibattito su come rimpiazzare la loro capacità di 6 GW è molto acceso. Oltre a una dose massiccia di importazioni, la speranza di poter garantire la stabilità energetica riposa su nuove costruzioni di centrali a gas, l’opzione più flessibile sul mercato per poter compensare le fluttuazioni delle energie rinnovabili a intermittenza (eolico e solare). Ma la storia del nucleare in Belgio è ben più estesa della produzione di elettricità, e quando si parla di medicina nucleare, raggiunge una dimensione di eccellenza. Tornando al BR2, il reattore ad alto flusso neutronico che è stato commissionato nel 1961, oltre alla ricerca sul comportamento dei materiali e dei combustibili sotto irradiazione, è anche usato per produrre radioisotopi a fini medici e industriali, rifornendone tra il 20 e il 25% del fabbisogno mondiale. Un’ultima applicazione per la quale il BR2 sarà presto utilizzato è la produzione di Plutonio-238 per alimentare i generatori termoelettrici a radioisotopi per le missioni di esplorazione spaziale. Gran parte dei radioisotopi per scopi medici prodotti al BR2 sono poi ripresi dall’l’Istituto nazionale dei RadioElementi (IRE), sul sito di Fleurus, che dagli anni ‘70 ha cominciato la produzione di Molibdeno-99 per fini diagnostici e Iodio-131 a fini terapeutici. Oggi l’IRE gode di una reputazione di leader internazionale nel campo, mentre sviluppa nuove tecniche e radioisotopi, come il Gallio-68 e il Lutezio-177.  Un’altra azienda belga, la Ion-Beam Applications (IBA) situata a Louvain-La-Neuve, è diventata la leader mondiale nella produzione di ciclotroni, ossia acceleratori di ioni più compatti e precisi per poter creare dei fasci ben controllati. L’applicazione maggiormente degna di nota è quella del trattamento dei tumori, dove i ciclotroni possono portare benefici rispetto ad altre tecniche grazie alla loro maggiore precisione, che comporta un minore danno alle cellule sane circostanti al tumore. Guardando ancora oltre verso il futuro, il progetto MYRRHA del SCK CEN, ossia il “reattore di ricerca versatile per applicazioni ad alta…

Il progetto Myrrha e i reattori di IV generazione

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Riceviamo e volentieri pubblichiamo questo contributo di Davide Ramelli, neo laureato in Ingegneria Energetica presso l’Università di Roma La Sapienza, in cui presenta i contenuti della sua tesi, che verte sui reattori di IV generazione e sul progetto Myrrha. In questo elaborato è stato condotto uno studio su una nuova tipologia di reattori nucleari, ancora in fase di sperimentazione. Si tratta di reattori nucleari di IV generazione. Lo scopo di questa nuova tecnologia è quello di rendere i reattori nucleari più efficienti e al contempo più sicuri. Nell’elaborato vengono presentate le sei tipologie candidate allo sviluppo e alla produzione su scala globale e un progetto chiamato MYRRHA con lo scopo di associare un acceleratore di particelle ad una tipologia di reattore studiata nella parte introduttiva dell’elaborato. L’innovazione proposta dalla tecnologia di IV generazione è quella di una migliore gestione dei neutroni di fissione. I neutroni di fissione posseggono una differenziazione, possono essere neutroni termici o neutroni veloci. Per neutroni termici si intende neutroni che vengono rallentati all’interno di materiali chiamati moderatori, composti da materiali a basso numero atomico, fino a basse energie ottimali per ottenere fissioni termiche dell’isotopo 235U presente in natura circa allo 0,7% del materiale Uranio. Viene effettuato questo procedimento al fine di garantire una maggiore probabilità che la fissione avvenga. Questa tipologia di neutroni viene impiegata fin dai primi impianti nucleari. Per neutroni veloci si intendono dei neutroni che non vengono rallentati fino a basse energie, ma ad energie più elevate ottimali per provocare fissioni veloci dell’isotopo 238U, presente in natura a circa il 38% del materiale uranio, oltre ad una maggiore probabilità, rispetto ai neutroni termici, di rendere fissili materiali fertili. Con la tecnologia di IV generazione, vengono proposte delle migliorie e delle innovazioni riguardanti proprio la gestione dei neutroni. Come descritto nell’elaborato, la tecnologia di IV generazione propone due metodologie diverse per la gestione neutronica e conseguentemente nuove tipologie di impianti più sicuri e più efficienti. La prima metodologia può essere considerata come un miglioramento degli impianti già esistenti in quanto consiste nello sfruttare dei neutroni termici e quindi operare un procedimento di fissione ‘’classico’’. Il miglioramento riguarda la struttura dell’impianto e nel particolare l’utilizzo di fluidi refrigeranti più efficienti al fine di innalzare il rendimento termico dell’impianto. La seconda metodologia riguarda invece lo sfruttamento di neutroni veloci, fino ad ora utilizzati in impianti sperimentali anche se di taglia industriale, in applicazioni impiantistiche nucleari. L’utilizzo dei neutroni veloci consente un maggiore sfruttamento del combustibile nucleare presente in natura oltre ad una migliore conversione di materiali fertili in materiali fissili. Questo procedimento garantisce un miglior controllo dei neutroni e quindi una maggiore sicurezza dell’impianto. Inoltre, si ha il vantaggio di un possibile autosostentamento del reattore producendo materiale fissile riutilizzabile. Fatta questa doverosa distinzione, nell’elaborato vengono analizzate le sei tipologie di impianti di IV generazione. Nel particolare viene analizzato il reattore LFR (Lead-cooled Fast Reactor), un reattore che sfrutta i neutroni veloci e raffreddato a piombo liquido, alla base del progetto MYRRHA. Il progetto MYRRHA consiste nella realizzazione di un reattore di IV generazione di tipo LFR ma con una fondamentale differenza. Una quantità di neutroni veloci viene prodotta esternamente da un acceleratore di particelle e iniettati all’interno del nocciolo. Questo garantisce un notevole livello di sicurezza in quanto, in caso d’incidente, è sufficiente arrestare l’acceleratore di particelle per rendere il reattore sotto-critico e bloccare la reazione di fissione a catena. Nell’elaborato viene anche analizzato il fluido refrigerante del reattore diverso dall’acqua utilizzata nei reattori termici. Tale fluido refrigerante è composto da metalli liquidi (quali Sodio, Piombo) che sotto forma di eutettici, quale la miscela Piombo-Bismuto, presenta un punto di fusione a minore temperatura. Essendo il punto di fusione più basso si dovrà fornire alla miscela meno calore per arrivare alla fusione ottenendo così un risparmio energetico. La scelta del Piombo in questo impianto non è casuale, infatti esso oltre a fungere da refrigerante ha un potere moderante di molto inferiore a quello dell’acqua, utilizzata nei reattori termici, rendendo disponibili neutroni veloci con una energia ottimale per la produzione della fissione veloce ed ha anche la funzione di schermatura delle radiazioni gamma emesse dalla fissione. Nella parte conclusiva dell’elaborato vi è una riflessione riguardante lo sviluppo futuro di questa tecnologia sia da un punto di vista tecnico che sociopolitico. Scarica la Tesi completa in formato PDF

Belgio: importante passo avanti per il nuovo reattore di ricerca

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Nuova pietra miliare nella realizzazione di Myrrha (Multipurpose Hybrid Research Reactor for High-tech Applications), il nuovo reattore di ricerca belga: il fascio di protoni destinato ad alimentarlo è stato accelerato per la prima volta attraverso il quadrupolo a radiofrequenza (RFQ). Myrrha è un reattore di ricerca subcritico, ovvero che non sfrutta una reazione a catena bensì si avvale di un fascio accelerato di protoni che colpiscono un bersaglio per produrre neutroni (spallation), ottenendo periodi di criticità in un nocciolo di uranio debolmente arricchito. Questo tipo di reattore sarà utilizzato per molteplici applicativi di ricerca, come lo studio della trasmutazione dei radionuclidi a lunga vita che compongono i rifiuti nucleari, la produzione di radioisotopi ad uso medico, ma anche lo studio di quesiti fondamentali in fisica atomica, fisica nucleare, fisica della materia e medicina nucleare. Il primo test di accelerazione è stato condotto a 1.5 MeV, rispetto ai 600 MeV del fascio protonico una volta che il reattore sarà operativo, nel 2034. La realizzazione di Myrrha, che sostituirà il vetusto reattore BR2, fa parte del progetto European Strategy Forum on Research Infrastructures. Oltre a Myrrha, altri due reattori di ricerca sono in fase di realizzazione in Europa: il Jules Horowitz Reactor a Cadarache (Francia) e il Pallas Reactor a Petten (Paesi Bassi).