L`ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO Contributo alla produzione di

Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di Pianificazione Energetica
Prof. ing. Francesco Asdrubali
a.a. 2012-13
ENERGIA NUCLEARE
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007
Nei paesi industrializzati l’energia nucleare svolge un ruolo fondamentale nel soddisfacimento del
fabbisogno di energia elettrica in condizioni di sostenibilità economica e ambientale.
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
Fonte: IAEA, 2008
Contributi alla
produzione elettrica
nel mondo:
Carbone
Gas
Nucleare
Idroelettrico
Olio combustibile
Altre rinnovabili 2%
40%
19%
16%
16%
7%
Contributi alla
produzione elettrica
in Europa (27 paesi):
Nucleare
Carbone
Gas
Idroelettrico
Olio combustibile
Altre rinnovabili 2%
33%
30%
20%
11%
4%
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Contributo alla produzione di energia elettrica al 17.10.2007
La maggior parte dei paesi industriali ricava dal nucleare quote consistenti della produzione elettrica.
Media europea 33%
Media OCSE
24%
Media mondiale 16%
Fonte: IAEA,
2008
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Sviluppo del parco nucleare
Il disastro
di Chernobyl,
pur motivando approfondite
riflessioni in
i paesi che(MWe)
avevano
POTENZA
ELETTRONUCLEARE
NEL MONDO
ALtutti
17.10.2007
impianti nucleari in esercizio, non ha bloccato l’evoluzione dei programmi.
450.000
400.000
371.642
Potenza in esercizio al 17.10.2007
350.000
+48,8%
300.000
Potenza in esercizio al 31.12.1986
250.000
194.695
200.000
150.000
101.595
100.000
50.000
26.838
0
IN ESERCIZIO
IN COSTRUZIONE
IN PROGETTO
Fonte: IAEA, 2008
IN OPZIONE
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Sviluppo del parco nucleare
Potenza elettronucleare in costruzione nel mondo al 17.10.2007.
Fonte: IAEA, 2008
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Posizioni politiche sull’energia nucleare
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
Contributo alla produzione di energia elettrica al 31.12.2011
Produzione
elettrica
(2011)
TWh
2.518
Unità in esercizio
N
437
MWe
370.402
Unità in costruzione
N
63
MWe
60.057
Fonte: IAEA-Nuclear Power Reactors in the World 2012
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
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Dopo l’incidente di Fukushima Daiichi (Marzo 2011)
■
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.
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.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Caratteristiche economiche dell’energia nucleare
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
Aumento dell’efficienza degli impianti nucleari
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:
energia elettrica prodotta:
+44 GWe = + 13,5%
+757 TWh = + 40%
• Nel periodo 1970-2006 il fattore di utilizzazione
degli impianti nucleari è aumentato di oltre
il 60%(media mondiale).
85%
F.U.
53%
1970
2006
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.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Impiego dei combustibili MOX
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
l’uranio 235 non fissionato
il plutonio prodotto nel reattore
i residui ad alta attività
(95% del combustibile scaricato)
(1%)
(1%)
(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
Situazione delle risorse uranifere
Fabbisogno mondiale di uranio nel 2006 (IAEA 2007):
fabbisogno totale:
fabbisogno soddisfatto con nuove risorse:
fabbisogno soddisfatto con materiali in giacenza:
66.529
39.655
26.874
t
t
t
Risorse minerarie esistenti (“Red Book” IAEA-NEA 2006):
risorse uranifere estraibili a costi non superiori a 130 $/kg:
risorse estraibili a costi superiori a 130 $/kg:
9,7
4,7
Mt
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
plutonio ad alto arricchimento in giacenza (negoziati di disarmo) 248
plutonio civile ad alto arricchimento in giacenza:
249
t
t
t
Durata al tasso attuale di utilizzazione:
solo risorse minerarie:
risorse minerarie e altre risorse esistenti (MOX):
solo risorse minerarie utilizzando reattori veloci:
70
360
4.200
anni
anni
anni
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.
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Gestione dei materiali radioattivi
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.
Forsmark (Svezia)
Morseleben (Germania)
Oskarshamn (Svezia)
Yucca Mountain (USA)
Gorleben (Germania)
Konrad (Germania)
WIPP (USA)
La Manche (Francia)
L’Aube (Francia)
El Cabril (Spagna)
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Gestione dei materiali radioattivi
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.
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
RADIOATTIVITÀ NATURALE
DEL MINERALE DI URANIO
La fattibilità del processo di
trasmutazione è stata già
dimostrata nell’ambito del
programma francese Atalante
L’ENERGIA NUCLEARE NEL MONDO
Impatto ambientale degli impianti nucleari
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.
Centrale nucleare da 1.000 MWe:
combustibile movimentato
rifiuti ad alta attività
rifiuti a bassa e media attività
radioattività (effluenti a lunga vita)
20 t
2t
20 t
20
0.5.10 Bq
2 carri ferroviari all’anno
1.000 carri ferroviari al giorno
Centrale termoelettrica da 1.000 MWe:
combustibile movimentato
CO2
CO
ossidi di zolfo
ossidi di azoto
particolati in atmosfera
ceneri
metalli pesanti nelle ceneri
radioattività (a lunga vita)
da
da
da
da
da
da
da
da
1
4
600
4.500
4.000
1.500
da
1
1
a
a
a
a
a
a
25.000
a
a
2
7
2.000
120.000
27.000
5.000
a
400
50
Mt
Mt
t
t
t
t
100.000
t
109Bq
t
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
olio combustibile
gas
biomassa
fotovoltaico
nucleare
idroelettrico
eolico
8,5 c € / kWh
7,0
2,5
1,5
0,6
0,5
0,5
0,1
E in Italia?
Le centrali nucleari presenti in Italia
Nome
Tipo
Potenza
nominale
(MW)
860
Prima
connessione
alla rete
23-mag-78
Stato
Località
Arresto
permanente
Arresto
permanente
CAORSO
TRINO
VERCELLESE
260
22-ott-64
BWR
Arresto
permanente
SESSA
AURUNEA
150
1-gen-64
GCR
Arresto
permanente
BORGO
SABOTINO
153
12-mag-63
BWR
CAORSO
PWR
E. FERMI
(TRINO)
GARIGLIANO
LATINA
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.