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Il consumo di elettricità del mondo è stato di 25˙027 TWh nel 2019 (fonte: IEA, International Energy Agency) - era di 10˙897 nel 1990 - che corrisponde all'energia prodotta da 3172 centrali nucleari da 1000 MWe. Sappiamo però che le centrali nucleari attive nel mondo sono oggi 440, con una produzione totale annua di 2553 TWh nel 2020 (fonte: IAEA PRIS), cioè circa il 10,2% del consumo totale. Se la tendenza dal 1990 al 2020 fosse costante, potremmo aspettarci un bisogno di circa 2700 grandi reattori nucleari entro la fine di questo secolo.

Un'altra stima possibile è che considerando la popolazione mondiale nel 2022 di 7,9 miliardi di abitanti, considerando anche un tasso di crescita costante dell'1% all'anno, implicherebbe un pianeta popolato da più di 17 miliardi di utenti nel 2100. Se tutti consumassero 5000 kWh all'anno, come un paese sviluppato (anche se alcuni paesi presentano già oggi un consumo pro-capite che è più del doppio di questo), ciò implicherebbe un bisogno di elettricità di 85˙835 TWh: se l’energia nucleare fosse chiamata a coprirne solo il 25%, ciò implicherebbe la necessità di più di 3000 centrali nucleari nei prossimi 80 anni. Questo ovviamente moltiplicherebbe anche la necessità delle risorse di uranio per un fattore superiore a 6. Questi aspetti sono stati analizzati in dettaglio in una pubblicazione della NEA (Nuclear Energy Agency) edita nel 2013 (Transition Towards a Sustainable Nuclear Fuel Cycle), mostrando che le risorse di uranio si esaurirebbero entro la metà del prossimo secolo, se si adottasse l'attuale ciclo del combustibile aperto.

Per questo motivo, molti politici e analisti concentrano la loro attenzione e le loro speranze verso lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia virtualmente pulita, abbondante, affidabile, praticamente inesauribile e "democratica". Nonostante siamo fondamentalmente d'accordo con questo punto di vista e sosteniamo pienamente la ricerca in questo campo, dobbiamo anche ricordare alcuni fatti fondamentali riguardo a questa tecnologia:

• I progetti attualmente studiati si basano sulla reazione deuterio-trizio: essendo il trizio radioattivo con un'emivita di 12,3 anni, deve essere prodotto in loco al momento dell’utilizzo, tipicamente tramite cattura neutronica del litio. Ciò significa che metà dell'energia proviene da questo metallo, quindi il limite per lo sfruttamento di questa tecnologia è legato alla disponibilità di risorse di litio (che sono e saranno probabilmente in concorrenza con le richieste della tecnologia delle batterie);
• La fusione nucleare genera campi di neutroni molto potenti, che danneggiano la prima parete dei reattori a fusione e ne attivano i materiali rendendoli radioattivi. I materiali per la prima parete sono ancora in fase di sviluppo. La frequenza di manutenzione e le scorie generate sono ancora in fase di studio;
• Il trizio è un gas con una bassa radiotossicità, ma è molto attivo biologicamente (si comporta chimicamente come l'idrogeno), essendo quindi tossico come un gas nervino in linea di principio: gli incidenti e le loro conseguenze in questo tipo di impianti devono ancora essere determinati - sono attualmente sotto indagine;
• La fusione nucleare rappresenta una tecnologia molto complessa, di gran lunga più di quella degli attuali reattori a fissione: è ragionevole prevedere che lo sviluppo commerciale richiederà ancora almeno 50 anni;
• Inoltre, quando la tecnologia sarà pronta, i costi e la competitività con altre fonti rappresenteranno probabilmente un grande punto interrogativo da risolvere.

Tutti questi punti ci hanno portato a concludere che le tecnologie che sono disponibili o che possono essere sviluppate, nel peggiore dei casi, nei prossimi 10 anni, devono essere adeguatamente prese in considerazione e promosse - nonostante la ricerca attiva in questo campo sia molto importante.

Vogliamo anche sottolineare che l'attuale sfruttamento dei materiali fissili è molto inefficiente poiché si "brucia" (cioè si fissiona) solo lo 0,5% del materiale e si considera il resto come un rifiuto pericoloso. Noi pensiamo che uno sfruttamento molto più razionale delle risorse dovrebbe essere perseguito attraverso i seguenti passi:

• Conversione completa dell'uranio fertile (isotopo 238) in plutonio, che è un buon combustibile che a sua volta potrebbe essere usato per fertilizzare altro materiale fertile;
• Bruciare gli attinidi minori, che possono rappresentare un problema a lungo termine per quanto riguarda le scorie nucleari, da cui invece si può estrarre energia;
• Utilizzo delle risorse di plutonio per realizzare cicli basati sul torio, considerando che il torio è circa 3 volte più abbondante dell'uranio nella crosta terrestre;
• La recuperabilità delle scorie nucleari dovrebbe essere sempre considerata un'opzione: in caso di futura scarsità di risorse, l'uranio e il plutonio contenuti in quelle che oggi sono considerate scorie pericolose e inutili, possono rappresentare una risorsa.

Secondo noi, l'industria nucleare dovrebbe occuparsi delle scorie prodotte, non trasferendo ulteriormente il problema alle generazioni future, che è, dal nostro punto di vista, una scelta immorale. Per questo motivo, dopo un tempo di decadimento ragionevole, si dovrebbe sviluppare un sistema di trattamento delle scorie efficace e scientificamente valido insieme a:

• Depositi geologici sicuri;
• Tecnologie efficienti di separazione dei prodotti di fissione (per esempio, separazione e decadimento del cesio e dello stronzio, considerando eventualmente anche la produzione di energia);
• Le migliori opzioni disponibili offerte dalla tecnologia di trasmutazione nucleare (senza escludere pregiudizialmente i sistemi subcritici o critici).

Per raggiungere questi obiettivi, dovrebbe essere stabilito a livello mondiale un percorso di sviluppo efficace e aggressivo di sistemi innovativi, basati principalmente su reattori di quarta generazione (Gen IV) e veloci. I concetti più promettenti di piccoli reattori modulari (Small Modular Reactors, SMRs) (specialmente i progetti che implementano la sicurezza intrinseca e la difesa in profondità, rendendo la fusione del nocciolo un evento impossibile) dovrebbero essere fortemente spinti in avanti, al fine di costruire nel più breve tempo possibile alcuni prototipi e testarne il funzionamento sicuro e affidabile. I microreattori possono essere molto utili per la produzione di energia elettrica e termica, in particolare in aree remote del pianeta o in paesi in via di sviluppo dove le reti non possono permettersi grandi apporti di potenza (dell'ordine di migliaia di MW) di una centrale nucleare standard, quindi il loro sviluppo dovrebbe essere incoraggiato.

L'adozione di combustibili innovativi e orientati alla sicurezza, come ad esempio TRISO (TRi-structural ISOtropic particle fuel) o FCM (Fully Ceramic Microencapsulated fuel) tra gli altri, dovrebbe essere ulteriormente studiata e perseguita la loro applicazione in macchine realmente operative.

Anche le applicazioni non elettriche dell'energia nucleare dovrebbero essere studiate, con particolare attenzione alla desalinizzazione dell'acqua, alla produzione di idrogeno (come vettore di energia, cioè un mezzo usato per accumulare e trasportare energia prodotta con qualche altra fonte), e alla produzione di radioisotopi (fondamentale per molte applicazioni mediche e industriali).

Le applicazioni avanzate della scienza e della tecnologia delle radiazioni ionizzanti nel campo dell'industria (come le radiografie con neutroni) e della medicina (come la terapia a cattura di neutroni di boro (BNCT), in particolare per il trattamento di malattie oggi considerate incurabili e fatali, come i tumori al cervello) dovrebbero ricevere ulteriore impulso.

Un'attenzione importante potrebbe anche essere posta sulle applicazioni delle tecnologie nucleari per i trasporti, compresa l'esplorazione dello spazio, che potrebbe beneficiare notevolmente dei progressi in questo campo.

Per raggiungere questi risultati, si dovrebbe iniziare a sviluppare un'infrastruttura adeguata a livello mondiale, non solo tenendo conto dei sistemi di reattori, ma anche degli impianti di fabbricazione, delle infrastrutture di trasporto e degli impianti di riprocessamento del combustibile.
Nell'ottica di un approccio solidale, cooperativo e pacifico, i paesi sviluppati e avanzati dovrebbero fornire alle nazioni in via di sviluppo supporto tecnico e tecnologie per una produzione di energia sicura, abbondante e affidabile: pensiamo che l'energia nucleare possa essere una parte fondamentale (anche se certamente non l'unica) della soluzione per quella parte della popolazione mondiale che reclama la sua quota di energia necessaria a coprire i suoi bisogni fondamentali.

Siamo sicuri che il futuro degli esseri umani possa essere luminoso e pieno di speranza se vengono prese e attuate nel presente decisioni intelligenti e razionali, ricordando che, volenti o nolenti, siamo tutti una grande famiglia che vive in una bella pallina blu che galleggia intorno al nostro sole nell'universo.

"Non è troppo aspettarsi che i nostri figli godano nelle loro case di energia elettrica troppo economica per essere misurata, che conoscano le grandi carestie regionali periodiche nel mondo solo come questioni di storia, che viaggino senza sforzo sui mari e sotto di essi e attraverso l'aria con un minimo di pericolo e a grandi velocità, e che sperimentino una durata della vita molto più lunga della nostra, man mano che le malattie cedono e l'uomo arriva a capire cosa lo fa invecchiare." (Lewis Strauss, 1954)

Perspectives for a Rational Use of Advanced Nuclear Technologies for the Mankind Development in the 21^st Century

Position Paper of Atomi per la Pace – March 2022

The electricity consumption of the world was 25,027 TWh in 2019 (source: IEA, International Energy Agency) – it was 10,897 in 1990 – which corresponds to the energy produced by 3172 nuclear power plants of a 1000 MWe size. We know, however, that active nuclear plants in the world today are 440, with a total yearly production of 2553 TWh in 2020 (source: IAEA PRIS), i.e. ca. a 10.2% share of the total consumption. If the trend from 1990 to 2020 would be constant, we could expect a need of ca. 2700 large nuclear reactors by the end of the present century.

Another possible estimate is that considering the world population in 2022 of 7.9 billion inhabitants, also considering a constant growth rate of 1% per year, it would imply a planet populated by more than 17 billion users in 2100. If everyone would consume 5000 kWh per year, as a developed country (although some countries today already present a pro-capita consumption which is more than double than this), it would imply an electricity need of 85,835 TWh: if nuclear power would be called to cover only 25% of it, this would imply the need of more than 3000 nuclear plants in the next 80 years. This would obviously also multiply the need of the uranium resources by a factor of more than 6. These aspects were investigated in detail in a NEA (Nuclear Energy Agency) publication edited in 2013 (Transition Towards a Sustainable Nuclear Fuel Cycle), showing that uranium resources would run out by the half of the next century, if the  present once-through fuel cycle is adopted.

For this reason, many politicians and analysts focus their attention and hopes toward the development of nuclear fusion as a virtually clean, abundant, reliable, practically inexhaustible and ‘democratic’ source of energy. Despite we fundamentally agree with this view and fully support research in this field, we have also to recall some basic facts about this technology:

●       The designs currently investigated are based on the deuterium-tritium reaction: being tritium radioactive with a half-life of 12.3 years, it must be produced on spot, typically via neutron capture of lithium. This means that half of the energy comes from this metal, so the limit for the exploitation of this technology is linked to the availability of lithium resources (which are and will be likely in competition with battery technology requests);

●       Nuclear fusion generates very powerful neutron fields, which damage fusion reactors first wall and activate its materials making them radioactive. Materials for the first wall are still under development. The frequency of maintenance and generated waste is still under investigation;

●       Tritium is a gas with a low radiotoxicity, but is very biologically active (behaving chemically like hydrogen), being therefore toxic like a nerve gas in principle: accidents and their consequences in this kind of plants have still to be determined – they are currently under active investigation;

●       Nuclear fusion represents a very complex technology, by far more complex than current fission reactors: it is reasonable to expect that commercial development will still require at least 50 years;

●       Also, when the technology will be ready, costs and competitiveness with other sources will possibly represent a big question mark to solve.

All these points led us to conclude that technologies which are available or which can be developed, in the worst case, in the next 10 years, have to be properly taken into consideration and promoted - despite active research is very important in this field.

We want also to point out that the current fissile materials exploitation is very inefficient since they ‘burn’ (i.e. fission) only 0.5% of the material and consider the rest as a dangerous waste. We think that a much more rational resources exploitation should be pursued through the following steps:

●       Full conversion of fertile uranium (isotope 238) into plutonium, which is a good fuel which in turn could be used to fertilize other fertile material;

●       Burning of minor actinides, which can represent a long-term problem concerning nuclear waste, from which energy can be extracted instead;

●       Use of plutonium resources to implement thorium-based cycles, considering that thorium is ca. 3 times more abundant in Earth’s crust than uranium;

●       Nuclear waste retrievability should be always considered as an option: in case of future resources shortages, uranium and plutonium contained in what is today considered an hazardous and useless waste, can represent an asset.

In our opinion, the nuclear industry should take care of the produced waste, not transferring further the problem to future generations, which is, from our point of view, an immoral choice. For this reason, after a reasonable decay time, an effective and scientifically sound waste treatment system should be developed along with

- safe geological repositories;

- efficient fission products separation technologies (e.g., cesium and strontium separation and decay, eventually considering also energy production);

- the best available options offered by nuclear transmutation technology (not excluding both subcritical and critical systems).

To achieve these targets, an effective and aggressive development path of innovative systems, mainly based on Gen IV and fast reactors, should be established worldwide. Small Modular Reactors (SMRs) most promising concepts (especially the designs which implement the intrinsic safety and defense in depth, making the core meltdown an impossible event) should be strongly pushed forward, in order to build in the shortest time possible some prototypes and to test their safe and reliable operation. Microreactors can be very useful for electricity and thermal energy production, in particular in remote areas of the planet or in countries under development where grids cannot afford large power inputs (in the order of thousands of MW) of a standard nuclear power plant, so their development should be encouraged.

The adoption of innovative and safety-oriented fuels, like for example TRISO (TRi-structural ISOtropic particle fuel) or FCM (Fully Ceramic Microencapsulated fuel) among others, should be further investigated and their application in real operative machines pursued.

Non-electric applications of nuclear power should be investigated as well, with particular focus to water desalination, hydrogen production (as energy vector, i.e. a medium used to accumulate and transport energy produced with some source), and radioisotopes’ production (fundamental for many medical and industrial applications).

Advanced applications of ionizing radiation science and technology in the fields of industry (like neutron radiographies) and medicine (like Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), in particular for treatments of diseases which are today considered incurable and fatal, like brain cancers) should receive further boost.

An important focus could also be put on applications of nuclear technologies for transport applications, including space exploration, which could greatly benefit from progress in this field.

In order to achieve these results, a proper infrastructure should start to be developed worldwide, not only taking into account reactor systems, but also fabrication plants, transports infrastructure and fuel reprocessing facilities.

In view of a supportive, cooperative and peaceful approach, developed and advanced countries should provide developing nations with technical support and technologies for a safe, abundant and reliable energy production: we think that nuclear energy can be a fundamental part (although certainly not the only one) of the solution for a world population claiming its share of energy necessary to cover its basic needs.

We are sure that the future of the human beings can be bright and full of hope if smart and rational decisions are taken and implemented in the present, remembering that, willing or not, we all are a big family living in a nice small blue ball floating around our sun in the universe.

“It is not too much to expect that our children will enjoy in their homes electrical energy too cheap to meter, will know of great periodic regional famines in the world only as matters of history, will travel effortlessly over the seas and under them and through the air with a minimum of danger and at great speeds, and will experience a lifespan far longer than ours, as disease yields and man comes to understand what causes him to age.” (Lewis Strauss, 1954)