Come funzionano i primi mini reattori nucleari Nuward che arriveranno in Italia nel 2035

Edison, EDF e Nuward puntano a sviluppare una prima serie di 10 reattori modulari di piccola taglia (SMR) in Europa a partire dal 2030, con l’obiettivo di avere il primo impianto italiano operativo entro il 2035. Secondo uno studio realizzato nel 2024 da TEHA Group con Edison e Ansaldo Nucleare, considerando gli scenari di sviluppo del nuovo nucleare nell’Unione europea e in Italia, il mercato potenziale per la filiera industriale italiana potrebbe raggiungere i 46 miliardi di euro entro il 2050. Nuward è un reattore di terza generazione avanzata da 400 MW elettrici, appartenente alla famiglia degli SMR (Small Modular Reactor) e basato sulla tecnologia dei reattori ad acqua pressurizzata, chiamati PWR (Pressurized Water Reactor). Tra sigle, megawatt e impianti più compatti, sorgono due domande: come funziona e potrebbe davvero ridurre il costo dell’energia elettrica? Per rispondere, partiamo dal nucleo di un atomo e arriviamo all’elettricità che utilizziamo ogni giorno.

Spieghiamo prima cos’è il nucleo di un atomo e come produce energia

Ogni atomo possiede un nucleo formato da protoni e neutroni, attorno al quale si trovano gli elettroni. Quando parliamo di fissione nucleare intendiamo la divisione del nucleo di un atomo pesante in nuclei più piccoli. Nel caso dell’uranio-235, il processo può iniziare quando il nucleo assorbe un neutrone: diventa instabile e può scindersi, liberando energia e altri neutroni.

Da dove arriva l’energia? Basta dividere qualcosa in due per ottenerla? Qui entra in gioco un dettaglio sorprendente. Se confrontiamo la massa del nucleo di uranio e del neutrone iniziale con la somma delle masse a riposo dei prodotti finali, compresi i neutroni emessi, troviamo una piccolissima differenza: i prodotti hanno complessivamente meno massa a riposo del sistema di partenza. In parole semplici, una piccolissima quantità di massa si è trasformata in energia. E poiché la velocità della luce al quadrato è un numero enorme, anche una differenza di massa minuscola può liberare molta energia. Il bilancio torna: si conserva l’energia totale, includendo quella associata alla massa.

E come diventa calore? L’energia liberata si distribuisce soprattutto nel movimento dei frammenti, oltre che nei neutroni e nelle radiazioni. Quando viene depositata nel combustibile e nei materiali circostanti, li riscalda. Il difetto di massa spiega da dove proviene l’energia; il rallentamento dei frammenti spiega come una parte importante di essa si trasforma in calore.

I neutroni che vengono liberati possono provocare altre fissioni e ne deriva così una reazione a catena. Nel reattore viene regolata in modo che, a potenza stabile, ogni fissione ne provochi mediamente un’altra nella generazione successiva. Non serve che tutti i neutroni facciano centro: alcuni vengono assorbiti senza provocare fissione, altri sfuggono dal nocciolo.

L’uranio-238: come si arricchisce e come si arriva all’elettricità 

L’uranio naturale contiene soprattutto uranio-238 e una piccola quantità di uranio-235, circa lo 0,7%. Sono due isotopi: hanno entrambi 92 protoni, ma un numero diverso di neutroni (l’uranio-235 ne contiene 143, l’uranio-238 ne contiene 146). Tre neutroni in più possono sembrare poca cosa. Su questa scala, però, cambiano molto il comportamento del nucleo quando incontra un altro neutrone. L’uranio-235 è fissile: può subire fissione anche assorbendo neutroni lenti, detti termici, e può sostenere una reazione a catena nelle condizioni adatte. L’uranio-238 è fissionabile, ma non fissile: può subire fissione con neutroni sufficientemente energetici, mentre i neutroni termici non ne provocano normalmente la fissione.

I due termini si assomigliano, ma non sono intercambiabili: tutti i nuclei fissili sono fissionabili, mentre non tutti quelli fissionabili sono fissili. Per l’uranio-235 può bastare anche un neutrone lento; per provocare la fissione dell’uranio-238 serve un neutrone sufficientemente energetico. Anche lui dà il suo contributo. Può assorbire un neutrone e, attraverso successivi decadimenti, trasformarsi in plutonio-239, che è fissile. Per questo viene definito anche "fertile".

Una parte dell’energia prodotta durante la permanenza del combustibile nel reattore deriva proprio dal plutonio che si forma e viene successivamente fissionato. Significa aumentare la percentuale di uranio-235 rispetto a quella presente nell’uranio naturale. Nei combustibili convenzionali dei più diffusi reattori ad acqua leggera si utilizzano comunemente arricchimenti nell’ordine del 3–5% in U235.

Come si passa da questo calore all’elettricità? Immaginiamo una centrale nella quale si brucia gas per riscaldare acqua e produrre vapore. La combustione libera energia attraverso reazioni chimiche; nel reattore nucleare il calore nasce dalla fissione dei nuclei. Da questo punto di vista, il reattore prende il posto della sorgente di calore alimentata dalla combustione. Il vapore deve comunque fare il suo lavoro. Prima una pompa aumenta la pressione dell’acqua, poi il calore la fa evaporare e il vapore viene inviato alla turbina, dove si espande e la mette in rotazione. La turbina trascina un alternatore, che produce elettricità. Può essere trasferito all’acqua di mare, a quella di un fiume, oppure a un circuito che lo scarica nell’aria attraverso una torre di raffreddamento o, ancora, riutilizzato in parte nei processi industriali. Questo calore va smaltito perché il ciclo non riesce a convertirlo tutto in elettricità. L’acqua di raffreddamento resta normalmente separata da quella che passa nella turbina: si scambiano calore attraverso le pareti dello scambiatore.

Come funziona il mini reattore Nuward: l’acqua bolle all’interno?

È qui che il nome “acqua pressurizzata” comincia ad avere senso: la pressione elevata permette all’acqua di raggiungere temperature ben superiori ai 100 °C senza bollire. In un PWR, l’acqua del circuito primario rimane liquida, attraversa il nocciolo, si riscalda e porta il calore al generatore di vapore. Qui riscalda a sua volta l’acqua di un secondo circuito, senza mescolarsi con essa. Se l’acqua del secondario evapora e alimenta la turbina (il calore passa da un circuito all’altro; i flussi d'acqua, invece, rimangono ciascuno nel proprio percorso), l'acqua del primario fa un doppio lavoro: porta via il calore e rallenta i neutroni. Viene allora spontaneo domandarsi se non sia meglio lasciarli correre. Per rispondere al quesito bisogna ricorrere alla "sezione d’urto" (il nome sembra uscito da un manuale di carrozzeria, ma descrive quanto è probabile che un neutrone interagisca con un nucleo in un determinato modo): immaginiamo che il neutrone voglia andare a colpire il nucleo. Quanto più è grande il bersaglio efficace per la fissione, tanto più è probabile che avvenga quella reazione.

Non è semplicemente la dimensione geometrica del nucleo. È una misura della probabilità di interazione, che dipende dal tipo di nucleo, dal processo considerato e dall’energia del neutrone. Per l’uranio-235, il bersaglio efficace per la fissione è molto più grande alle energie dei neutroni termici che alle tipiche energie dei neutroni appena liberati dalla fissione; rallentarli rende quindi più probabile questa interazione e per farlo usiamo un moderatore: nel caso del Nuward è l’acqua leggera del primario, cioè acqua con idrogeno ordinario.

Il Nuward è un reattore a spettro termico. I neutroni nascono veloci, poi molti vengono rallentati dall’acqua e provocano fissioni a energie termiche. Un EPR di generazione III+ appartiene alla classe di circa 1.600-1.650 MW elettrici. Il Nuward oggi presentato avrebbe una produzione fino a 400 MW elettrici. La fisica della fissione e la tecnologia dei PWR sono già ben conosciute, pertanto la novità riguarda soprattutto il modo di organizzare, costruire e installare un impianto più compatto. SMR significa “Small Modular Reactor”, piccolo reattore modulare. L’idea è realizzare una quota maggiore di moduli in fabbrica, trasportarli e assemblarli nel sito della centrale. Con gli SMR si cerca di aumentare la prefabbricazione e semplificanre la logistica. Nuward dichiara l’obiettivo di trasferire in fabbrica o in officina il 60% delle operazioni normalmente eseguite sul sito.

La sicurezza del reattore e le differenze con Fukushima

Cosa succede quando si spegne il reattore? Verrebbe da pensare che se si interrompe la reazione il problema sia risolto. Manca però un passaggio. Le barre di arresto assorbono neutroni e interrompono la reazione a catena "autosostenuta". Il combustibile continua comunque a produrre calore, perché i prodotti di fissione radioattivi continuano a decadere: questo è il calore residuo. Diminuisce nel tempo, ma subito dopo l’arresto è ancora rilevante. Non è soltanto il calore rimasto in un oggetto caldo: c’è ancora una produzione di energia. Ecco perché spegnere il reattore non significa poter smettere di raffreddarlo. Come facciamo a raffreddarlo se manca l’elettricità?

Una risposta adottata è la sicurezza passiva: progettare funzioni di sicurezza che sfruttano fenomeni come gravità, circolazione naturale e scambio termico, riducendo la dipendenza da pompe alimentate elettricamente e da interventi immediati degli operatori. Per esempio, in un circuito opportunamente disposto, l’acqua calda meno densa può salire e quella più fredda scendere, instaurando una circolazione naturale. Questo movimento trasporta il calore verso una riserva d’acqua capace di assorbirlo. Il termine “passivo” riguarda specifiche funzioni di sicurezza: non significa che l’intera centrale funzioni senza elettricità o che non servano operatori.

Per il Nuward, la durata dell’autonomia e le condizioni garantite dovranno essere definite dalle specifiche del progetto e verificate dalle autorità di sicurezza. È questo il problema che si verificò a Fukushima? Nel 2011, dopo il terremoto, i reattori in funzione della centrale di Fukushima Daiichi si arrestarono automaticamente. Il combustibile continuò però a produrre calore residuo. Lo tsunami mise fuori servizio gran parte delle alimentazioni elettriche di emergenza e compromise sistemi e infrastrutture necessari al raffreddamento. La perdita prolungata della capacità di asportare calore portò alla fusione dei noccioli delle unità 1, 2 e 3.

Se avessimo il nucleare, l’energia elettrica costerebbe meno?

Potrebbe contribuire a ridurre i prezzi e renderli meno esposti alle oscillazioni del gas, soprattutto insieme alle rinnovabili. Prendiamo la Spagna: secondo i dati provvisori di Red Eléctrica per il 2025, escluso l’autoconsumo, il nucleare ha fornito il 19% dell’elettricità, circa un quinto, e le rinnovabili il 55,5%, soprattutto eolico, solare fotovoltaico e idroelettrico. I cicli combinati, prevalentemente alimentati a gas, hanno coperto il 16,8%: una quota minoritaria, ma ancora importante, alla quale si aggiunge il gas utilizzato da altre tecnologie, come la cogenerazione. Parliamo del mix elettrico, non di tutti i consumi energetici del Paese.

Il vantaggio di questa combinazione? Per produrre elettricità bisogna comprare meno combustibili fossili. Questo tende a ridurre l’esposizione agli aumenti legati alle crisi geopolitiche, soprattutto per il gas; inoltre, il costo marginale del nucleare, cioè quanto costa produrre un kWh in più con la centrale già disponibile, è normalmente inferiore a quello di una centrale a gas, che deve acquistare combustibile e quote di emissione di CO₂

non perderti questo articolo

Chi vincerà la corsa alla fusione nucleare: USA e Cina sono avanti, ma la gara non avrà un solo vincitore