Questo articolo del blog esamina se l'energia nucleare al torio potrebbe diventare una tecnologia energetica alternativa sicura, in grado di ridurre i rischi degli attuali reattori all'uranio.
L'industria nucleare, che utilizza reazioni di fissione dell'uranio, ha continuato a crescere puntando sulla "redditività economica" anche dopo l'incidente di Three Mile Island e il disastro di Chernobyl. Tuttavia, in seguito all'incidente di Fukushima in Giappone, le preoccupazioni sulla sicurezza si sono ulteriormente diffuse, portando a un rallentamento del suo slancio, con paesi come Germania e Taiwan che hanno annunciato politiche di abbandono graduale del nucleare. In questo contesto, una tecnologia sta guadagnando attenzione: il "reattore al torio", che genera elettricità utilizzando la reazione di fissione nucleare del torio al posto dell'uranio. I reattori al torio sono stati studiati insieme ai reattori all'uranio fino agli albori della tecnologia nucleare negli anni '1970, ma sono stati accantonati a causa delle condizioni tecnologiche e politico-economiche dell'epoca. Ora che i reattori all'uranio sono in declino, gli svantaggi dei reattori al torio di allora si sono trasformati in vantaggi, riportandoli alla ribalta. Esaminiamo i principi, le caratteristiche, le ragioni della loro rinnovata attenzione e i metodi per la realizzazione dei reattori al torio.
I reattori al torio differiscono fondamentalmente dai reattori all'uranio, a partire dal combustibile utilizzato e, di conseguenza, anche dalle reazioni che avvengono all'interno del nocciolo del reattore. Tutto il torio naturale esiste come torio-232 (²³²Th) con numero di massa 232. Quando un neutrone colpisce un nucleo di 232Th all'interno del reattore, il nucleo lo assorbe e si trasforma in 233Th. Questo materiale è altamente instabile e decade rapidamente in 233Pa. Il 233Pa decade poi lentamente, con un'emivita di circa 27 giorni, in 233U. Il 233U risultante, con numero di massa 233, subisce fissione anche con neutroni di energia relativamente bassa, in modo simile al 235U utilizzato nei reattori all'uranio. I reattori al torio generano energia elettrica dall'energia termica prodotta durante questo processo di fissione del 233U.
I reattori al torio offrono diversi vantaggi rispetto ai reattori all'uranio. In primo luogo, le riserve globali di torio sono quattro volte superiori a quelle di uranio. Inoltre, mentre i reattori all'uranio possono utilizzare solo 235U, presente in natura in quantità estremamente ridotte, i reattori al torio possono utilizzare l'intera forma naturale, il 232Th. I reattori all'uranio producono scorie altamente radioattive, come il plutonio, la cui tossicità persiste per decine di migliaia di anni, rendendo il loro smaltimento un problema importante. Tuttavia, i reattori al torio non producono scorie altamente radioattive. Le scorie radioattive che generano perdono la loro tossicità a livelli paragonabili a quelli delle normali miniere di carbone nel giro di poche centinaia di anni.
La caratteristica più significativa dei reattori al torio è la loro capacità di interrompere automaticamente le reazioni nucleari durante incidenti imprevisti come il disastro di Fukushima. Nei reattori all'uranio, la reazione nucleare avviene ininterrottamente, poiché i nuclei di uranio che assorbono neutroni subiscono fissione, rilasciando altri neutroni in un ciclo ripetuto. Questa è chiamata "reazione a catena". Tuttavia, nel processo di reazione di un reattore al torio, vengono prodotti meno neutroni di quelli inizialmente introdotti. In altre parole, a meno che non vengano forniti più neutroni dall'esterno o non vengano rilasciati più neutroni durante la reazione, la reazione nucleare si interrompe.
Decenni fa, quando i reattori al torio furono studiati per la prima volta, le loro caratteristiche – l'assenza di scorie altamente radioattive come il plutonio e l'interruzione delle reazioni senza l'apporto di neutroni – erano considerate difetti fatali. Durante la Guerra Fredda, uno degli scopi della costruzione di centrali nucleari era quello di ottenere materiali nucleari come il plutonio per le armi nucleari; i reattori al torio erano ben lontani da tale obiettivo. Inoltre, dal punto di vista di quell'epoca, in cui l'efficienza era il valore supremo, i reattori al torio – incapaci di sostenere la propria reazione e inclini a spegnersi – erano chiaramente percepiti come "tecnologia inferiore" rispetto ai reattori all'uranio. Tuttavia, in seguito divenne evidente che il vantaggio stesso dei reattori all'uranio – la loro capacità di sostenere una reazione a catena autosostenuta – avrebbe potuto trasformarsi in una catastrofe in caso di perdita del controllo umano. L'incidente di Chernobyl del 1986 ha esposto circa 5 milioni di persone in Russia e Ucraina alle radiazioni, mentre il disastro di Fukushima in Giappone, avvenuto qualche anno fa, ha causato quasi 800 morti e continua a minacciare la sicurezza del nostro approvvigionamento alimentare. A causa dei pericoli dei reattori all'uranio rivelati nel corso di decenni, quello che percepivamo come uno svantaggio dei reattori al torio si è trasformato in un vantaggio: la "sicurezza".
Da un punto di vista della sicurezza, il fatto che la reazione si interrompa in caso di interruzione dell'alimentazione di neutroni è effettivamente un vantaggio. Tuttavia, in condizioni normali, il reattore non deve mai spegnersi. Sono stati studiati due metodi principali per affrontare questo problema. Il primo metodo prevede l'utilizzo di un combustibile misto contenente sia torio che uranio o plutonio, materiali tradizionalmente utilizzati nei reattori esistenti. Uranio e plutonio emettono più neutroni di quanti ne assorbano, alimentando facilmente una reazione a catena. Questo compensa i neutroni persi durante il processo di reazione nucleare del torio. Tuttavia, questo approccio presenta dei limiti intrinseci. Sebbene tecnicamente meno impegnativi, tali reattori non sono veri e propri reattori al torio, ma piuttosto un sistema di compromesso, una via di mezzo tra i reattori uranio/plutonio esistenti e i reattori al torio. Di conseguenza, molti dei vantaggi intrinseci dei reattori al torio vengono persi. Il vantaggio di non utilizzare né produrre uranio e plutonio non viene sfruttato. Inoltre, mentre l'intensità della reazione a catena può essere controllata regolando il rapporto di miscelazione, la reazione nucleare in un reattore misto continuerà grazie ai neutroni rilasciati dalla reazione a catena anche in caso di incidente. In altre parole, questo metodo non sfrutta appieno i vantaggi di un reattore al torio; si limita a utilizzare torio che altrimenti non avrebbe alcuna utilità.
Il secondo metodo prevede un approccio basato su un "acceleratore di protoni", in cui i protoni vengono sparati ad alta velocità per collidere con metalli come il tungsteno, producendo grandi quantità di neutroni da utilizzare nelle reazioni nucleari. Un reattore al torio che utilizza questo metodo è altamente sicuro perché, in caso di incidente e di interruzione dell'alimentazione all'acceleratore di protoni, la reazione nucleare si arresta gradualmente. Nel 1995, il fisico italiano Carlo Rubbia propose per primo questo metodo, ma ricevette scarsa attenzione per anni. Generare abbastanza neutroni per sostenere una reazione a catena stabile richiede una potenza di uscita dell'acceleratore di circa 1 GeV, che richiede un'enorme potenza. La tecnologia attuale fatica a progettare acceleratori efficienti, portando a una situazione in cui l'energia consumata per far funzionare l'acceleratore è quasi uguale a quella prodotta dal reattore stesso. È come se la cura fosse peggiore del male. Pertanto, sviluppare un acceleratore altamente efficiente rappresenta una sfida importante per l'approccio basato sull'acceleratore di protoni. Inoltre, a causa della natura di questo metodo, la fissione nucleare avviene tramite neutroni ad altissima velocità. Nelle reazioni di fissione nucleare innescate da neutroni ad alta velocità, viene prodotto cadmio per unità di massa decine di volte in più rispetto alle reazioni innescate da neutroni a bassa velocità. Il cadmio è un cancerogeno di classe 1 e un metallo altamente tossico per l'uomo.
Oggi, mentre l'industria nucleare affronta la crisi, abbiamo esaminato i "reattori al torio" come potenziale tecnologia alternativa. I reattori al torio, che utilizzano il torio al posto dell'uranio come combustibile nucleare e subiscono un processo di reazione nucleare completamente diverso, presentano vantaggi rispetto ai reattori convenzionali. Tuttavia, sono ancora necessarie ricerche significative per commercializzare i reattori al torio. Paesi con abbondanti riserve di torio, come Stati Uniti e India, stanno guidando la ricerca sui reattori al torio. L'India, in particolare, sta attivamente promuovendo le esportazioni con il nome di "Advanced Heavy Water Reactor" (AHWR). In questa fase, in cui non solo l'energia nucleare, ma l'intero settore energetico sta attraversando una fase di transizione, una seria valutazione e ricerca sui reattori al torio vale decisamente la pena.
