Nel nostro approfondimento del 27 giugno 2025 abbiamo parlato di centrali nucleari di grandi dimensioni (i Nuclear Power Plant – NPP) ripromettendoci di approfondire la tematica dei Small Modular Reactor (SMR) ed in particolare dei micro-reattori. Ed è esattamente quello che ci ripromettiamo di fare di seguito esaminando alcuni dei più promettenti ed avanzati progetti in corso.
Per cominciare dobbiamo introdurre alcuni concetti tecnici che ci permetteranno di capire meglio il singolo progetto ed apprezzare vantaggi e vantaggi dei micro-reattori. Sappiamo che il criterio di classificazione, per eccellenza, è la quantità di energia prodotta in un anno: gli SMR sono quei reattori che hanno una potenza fino a 300 MWe annui mentre i micro-reattori, che ne sono una sotto-categoria, arrivano al massimo a 20 MWe. E qui ci imbattiamo già nella prima definizione tecnica: i MWe, o megawatt elettrici, misurano la capacità di produzione elettrica (in MW, ovviamente) di un impianto e non vanno confusi con i megawatt termici (MWt) che misurano l’energia termica (anch’essa misurata in MW) da immettere in un impianto di produzione di energia elettrica; per semplificare, la prima misura l’output, la seconda l’input.
Un’altra caratteristica tecnica di fondamentale importanza è la tecnologia con cui si produce elettricità (o calore). I micro-reattori ne utilizzano sostanzialmente due nelle loro varianti o integrazioni: il ciclo di Brayton e quello di Rankine.
Il ciclo di Brayton è un ciclo termodinamico utilizzato per convertire il calore in lavoro meccanico che può essere utilizzato per azionare una turbina o altri dispositivi che utilizzano l’energia termica per produrre lavoro utile come ad esempio energia elettrica.
Il ciclo di Rankine è un ciclo termico utilizzato per generare vapore acqueo ad alta pressione da acqua a bassa temperatura. Può essere eseguito in circuiti aperti o chiusi, con i primi più comuni per le applicazioni industriali. In questo processo, il fluido termovettore (HTF), per esempio l’acqua, viene riscaldato bruciando combustibile per produrre vapore ad alta pressione e poi raffreddato mediante espansione in un condensatore. Quando si esegue il ciclo Rankine in un circuito aperto è necessario un condensatore, altrimenti si creerebbe una pressione tale che il sistema imploderebbe a causa del proprio peso.
La principale differenza tra il ciclo Brayton e il ciclo Rankine sta nel fatto che il primo funziona interamente con gas che vengono immessi al suo interno, mentre il secondo utilizza un liquido (o direttamente vapore) come uno dei suoi fluidi di lavoro. Nel ciclo Brayton l’aria viene compressa, riscaldata da un bruciatore a combustibile, quindi espansa attraverso una turbina per produrre lavoro meccanico che alimenta il compressore, mentre nel ciclo Rankine l’acqua viene riscaldata per formare vapore, che si espande attraverso una turbina per produrre lavoro meccanico che fa funzionare un generatore elettrico.
Le principali differenze vengono esposte nella Tabella 1.
Tabella 1. Differenze tra ciclo Brayton e Rankine.
La conversione di potenza dei micro-reattori in elettricità si basa nella maggior parte dei progetti sul ciclo di Brayton che adotta uno scambiatore di calore intermedio. Va sottolineato che in alcuni progetti di micro-reattori il trasporto di calore dal nucleo allo scambiatore di calore intermedio è ottenuto tramite tubi, il che segna una forte differenza rispetto agli attuali NPP.
Entrambe le tecnologie presentano ovviamente il problema del raffreddamento. La scelta del refrigerante è fondamentale perché influenza la rimozione del calore che, se non adeguatamente controllato, rappresenta un fattore critico. Le caratteristiche principali di un refrigerante dovrebbero essere:
• elevata capacità termica volumetrica,
• assenza di cambiamenti di fase in condizioni normali e accidentali (a meno che non si desideri l’ebollizione dell’acqua per un ciclo Rankine diretto),
• basso assorbimento di neutroni,
• possibilmente bassa pressione alle temperature operative,
• attivazione limitata in presenza di neutroni,
• compatibilità chimica con i materiali del nocciolo e strutturali,
• buona conducibilità termica.
I refrigeranti più adatti a catturare queste caratteristiche sono i sali fusi, il sodio e i refrigeranti a base di piombo. I sali fusi presentano i vantaggi del raffreddamento per convezione naturale, per raggiungere un’elevata differenza di temperatura nelle regioni del nocciolo, e delle elevate capacità termiche volumetriche. Tuttavia, la predisposizione alla corrosione e l’alto punto di fusione sono i problemi principali.
I vantaggi del sodio sono l’elevata conoscenza tecnica esistente, il basso punto di fusione, la possibilità di raggiungere un’elevata differenza di temperatura nelle regioni del nocciolo e la possibilità di utilizzare pompe elettromagnetiche o raffreddamento a circolazione naturale per ridurre il volume nel reattore. Tuttavia, le complicazioni che il sodio presenta sono la limitata possibilità di regolare la portata per migliorare la circolazione naturale e la sua reattività chimica con l’acqua e l’aria.
I vantaggi dei refrigeranti a base di piombo sono il raffreddamento per convezione naturale, la possibilità di aumentare le aree di flusso, l’elevata inerzia termica dovuta all’alto punto di ebollizione e l’elevata capacità termica volumetrica. Per quanto riguarda gli svantaggi annoveriamo l’alto punto di fusione, la corrosione e la produzione di composti volatili di polonio.
Ed infine il combustibile. Gli NPP lavorano generalmente a barre di uranio e generano elettricità utilizzando acqua leggera (LWR). Negli Stati Uniti gli NPP generano elettricità utilizzando combustibile a basso arricchimento di uranio (LEU). L’uranio a basso arricchimento ha un contenuto di uranio-235 superiore allo 0,7% e inferiore al 20%. Gli attuali reattori LWR utilizzano LEU con livelli di uranio-235 inferiori al 5%. Alcuni reattori avanzati sono attualmente in fase di progettazione per utilizzare LEU con livelli di uranio-235 compresi tra il 5% e il 20%. Il combustibile prodotto dall’uranio-235 arricchito a livelli compresi tra il 5% e il 20% è denominato combustibile HALEU e può migliorare l’utilizzo del combustibile e sostenere una migliore economia complessiva dell’impianto. Il combustibile HALEU previsto per i micro-reattori è solitamente incapsulato in forme di metallo o di ceramica ed è un combustibile di nuova generazione a particelle tri-strutturali isotropiche (TRISO).
Con lo sviluppo della tecnologia dei reattori avanzati, sia i reattori di potenza di nuova costruzione che quelli in funzione avranno bisogno di combustibile HALEU. L’infrastruttura del ciclo del combustibile nucleare degli Stati Uniti non è stata ancora adattata a fornire nuove fonti di HALEU e imballaggi qualificati che ne consentano il trasporto. Si può presumere che l’approvvigionamento commerciale non si concretizzerà fino a quando non si formerà un mercato dei micro-reattori. Il combustibile nucleare porta con sé il problema dello smaltimento (in realtà confinamento e quindi stoccaggio) dei residui (o scorie). A parte la soluzione dei reattori auto-fertilizzanti di cui parleremo in un prossimo approfondimento, i micro-reattori richiedono barriere più semplici ed economiche rispetto ai reattori di grandi dimensioni. Tale vantaggio è dovuto principalmente al termine sorgente più basso, alla bassa pressione del sistema in condizioni normali e alla ridotta probabilità di reazioni chimiche. Per quanto riguarda la configurazione con sali fusi come refrigerante, si verifica la dissoluzione del combustibile nel sale. Da un lato, i vantaggi sono dovuti al forte coefficiente di temperatura negativo, all’elevato grado di combustione e all’alto rapporto di conversione (se viene eseguita una pulizia continua del combustibile) e alla possibilità di ottenere un meccanismo di arresto ridondante relativo alla rimozione del combustibile in serbatoi subcritici. Dall’altro lato, la tecnologia non essendo ancora completamente matura potrebbe essere esposta alla perdita di refrigerante che comporterebbe, a sua volta, la perdita di combustibile attivo. Inoltre, l’investimento iniziale e la costruzione di un sistema integrato con depurazione chimica del sale sono considerevoli. Potrebbero sorgere problemi relativi alla mancanza di un edificio di contenimento, come normalmente previsto per gli NPP. Questo aspetto riduce il numero di barriere tra i materiali radioattivi e l’ambiente e pone il problema della difesa contro l’impatto di aeromobili, solitamente considerato nei NPP, ma che per i micro-reattori potrebbe avere un senso se consideriamo aeromobili anche i droni di piccole dimensioni.
Con queste generiche (e superficiali) conoscenze tecniche possiamo fornire un elenco dei progetti di micro-reattori attualmente più promettenti (si veda la Tabella 2). Ovviamente l’elenco è tutt’altro che esaustivo e – come già detto – si tratta dei progetti che riteniamo a torto o a ragione i più promettenti e sicuramente i più discussi. Per esempio eVinci e X-energy sono stati oggetto di un recente articolo comparso sul FT.
Tabella 2. Principali progetti di micro-reattori nucleari.
Come è facilmente immaginabile i micro-reattori presentano alcuni chiari vantaggi, ma altrettante sfide di sviluppo ed alcune peculiarità per quanto riguarda l’aspetto economico.
I principali vantaggi dei micro-reattori sono:
1. basse emissioni di anidride carbonica che li rendono di fatto una fonte di energia pulita, almeno sotto l’aspetto di emissioni di gas ad effetto serra.
2. Le dimensioni ridotte, per lo meno rispetto a quelle degli NPP. Questo consente loro di essere collegati ad una micro-rete per generare da 1 a 20 MWe. I micro-reattori sono concepiti principalmente per fornire calore di processo per applicazioni industriali, alimentare villaggi remoti dove la rete elettrica non è disponibile o per installazioni militari che necessitino di calore e energia affidabili. I micro-reattori possono rappresentare un’opzione per ripristinare rapidamente l’energia elettrica in aree danneggiate da calamità naturali (ad esempio dopo uno tsunami, un uragano o un terremoto) o per aiuti umanitari, ad esempio per sostenere gli ospedali o l’approvvigionamento idrico delle comunità locali. Grazie alle loro dimensioni ridotte, la maggior parte dei componenti può essere assemblata in fabbrica (modularità). Ciò consente di aumentare la velocità di produzione delle stesse, ridurre i costi di capitale e i tempi di installazione in loco, eliminando alcuni dei problemi tipici dei NPP. In sintesi, i micro-reattori possono funzionare dove i reattori di grandi dimensioni non possono. Rappresentano una scelta alternativa quando è necessaria una fonte di energia pulita a costi moderati invece di un reattore di grandi dimensioni.
3. La struttura dell’impianto più semplice. Ad esempio, la tecnologia dei tubi di calore consente di sviluppare una struttura compatta e semplice, evitando le pompe di raffreddamento del reattore e tutti i sistemi ausiliari associati. Il carico termico può essere regolato consentendo un più facile adattamento autonomo al carico e, grazie all’elevata temperatura di esercizio, è possibile ottenere una conversione di potenza più efficiente. Alcuni progetti adottano sistemi di sicurezza passivi che prevengono il rischio di surriscaldamento o fusione del nocciolo. Inoltre, diversi modelli di micro-reattori garantiscono una lunga durata del nocciolo, in grado di funzionare senza rifornimento per 10 anni o più. In questo modo, si riduce la probabilità di incidenti legati alla manipolazione e al movimento del combustibile e, idealmente, si aumenta il fattore di capacità. La combinazione di tutte queste caratteristiche rende possibile la progettazione di operazioni semiautonome e impianti autoregolanti all’interno di un involucro di sicurezza robusto e ben definito. Inoltre, alcuni modelli di micro-reattori richiedono pochi lavoratori in loco per supportare le operazioni. Per la manutenzione del modulo si tiene conto della possibilità di effettuare trasporti periodici di ritorno in fabbrica per l’ispezione e la revisione.
4. Facilità di installazione in loco. I micro-reattori possono essere collegati e generare energia in pochi giorni, il che rappresenta una notevole riduzione dei tempi di implementazione rispetto a NPP che solitamente richiedono anni. Inoltre, possono essere facilmente e rapidamente rimossi dal sito e sostituiti con dei nuovi o trasportati in un altro sito. Questa caratteristica è utile per ridurre i tempi e i costi di installazione, che sono significativi per gli NPP, e rende i micro-reattori unici per la possibilità di impiegarli in aree che necessitino di ripristinare l’energia elettrica in caso di calamità naturali o blackout del sistema. Molti micro-reattori sono progettati per adattarsi ai container standard ISO. Ciò consente una più facile trasportabilità su rotaia, camion, navi e persino aerei cargo. La facilità di trasporto ed installazione dei micro-reattori (già alimentati) dalla fabbrica al sito operativo pone anche alcune questioni relative alle normative e ai controlli durante la fase di trasporto.
Le sfide principali per i micro-reattori sono sostanzialmente tre.
1. Le centrali nucleari esistenti funzionano con uranio-235 arricchito solitamente fino al 5%. Tuttavia, è necessario un arricchimento maggiore per ottenere dimensioni più ridotte con un rapporto potenza/volume più elevato e un periodo di ricarica più lungo. A questo serve il HALEU, che potrebbe raggiungere un arricchimento compreso tra il 5% e il 20%. Si prevede inoltre che l’HALEU consentirà di ottimizzare il sistema per una maggiore durata del nocciolo e di aumentare l’efficienza e un migliore utilizzo del combustibile. Tuttavia, attualmente non è disponibile su larga scala. Pertanto, occorre ancora parecchia ricerca ed investimenti su questo versante.
2. Utilizzando il combustibile HALEU, molto raro e prezioso, i micro-reattori rappresentano un aumento del rischio in termini di sicurezza e proliferazione rispetto ai NPP. Infatti, l’uso di HALEU o di combustibili ad arricchimento più elevato rende questi impianti più interessanti per i programmi di armamento, poiché riduce il lavoro necessario per ottenere uranio adatto alla produzione di armi. Inoltre, se la tecnologia dei micro-reattori avrà successo, dando vita ad un mercato su larga scala, diverse unità potrebbero essere distribuite in tutto il mondo e in località remote. Il numero di micro-reattori potrebbe essere potenzialmente molto più elevato rispetto al numero di NPP, rendendo il controllo di ciascuna unità molto più complesso. È probabile che l’area di controllo di un micro-reattore sarà molto più piccola di quella di una grande centrale nucleare e anche le misure di sicurezza potrebbero essere inferiori. Pertanto, il rischio di potenziali furti di materiale radioattivo potrebbe aumentare. Infine, la mancanza di un edificio di contenimento come normalmente previsto per le grandi centrali nucleari pone il problema di come affrontare l’impatto di un aereo o di un drone.
3. I micro-reattori pongono un problema in termini regolamentari e di licenze di progettazione e fabbricazione. I micro-reattori dovrebbero essere progettati, fabbricati, posseduti e gestiti con attrezzature e servizi che producono energia e potenza per applicazioni specifiche, come spiegato in precedenza. È quindi fondamentale prestare particolare attenzione alle impostazioni operative dei micro-reattori per identificare l’autorità di regolamentazione. In particolare, potrebbero essere necessarie nuove normative o modifiche a quelle esistenti per il processo di autorizzazione. Ad esempio, le normative per le grandi centrali nucleari definiscono la presenza dei lavoratori nella sala di controllo. Se un micro-reattore è progettato per consentire il controllo remoto e avere lavoratori fuori sede, potrebbe essere necessaria una modifica delle normative. Per quanto riguarda il trasporto dei moduli del reattore alimentati da e verso siti di utilizzo dispersi, saranno necessarie ulteriori regole. Infatti, le attuali metodologie di valutazione della sicurezza o i criteri di accettazione non sono stati considerati per garantire la sicurezza dei moduli di un micro-reattore (già alimentato in fabbrica) durante il trasporto e la mobilizzazione/smobilitazione dei moduli in siti molto remoti. Tre sono i principali aspetti legati alla concessione delle licenze. (i) In primo luogo, il micro-reattore può essere costruito e assemblato presso lo stabilimento di produzione del reattore e quindi spedito al sito selezionato. In questo modo, il combustibile dovrà essere spedito allo stabilimento di produzione dell’impianto e caricato nel reattore presso tale stabilimento. È quindi necessario progettare contenitori per il trasporto del combustibile che siano anche in grado di contenere l’intero reattore che, una volta alimentato, si sposterà con il combustibile in carico. (ii) In secondo luogo, il micro-reattore deve essere trasportato dallo stabilimento di produzione al sito selezionato e deve essere presa in considerazione la possibilità di riportarlo in fabbrica. In queste situazioni, il combustibile deve rimanere contenuto nel modulo del reattore per facilitare lo spostamento. (iii) In terzo luogo, i micro-reattori possono essere concepiti come installazioni temporanee o semipermanenti. È quindi necessario studiare un metodo versatile, robusto e scalabile per la caratterizzazione del sito, la valutazione ambientale, la gestione delle emergenze, ecc.
Infine l’analisi economica ci può consentire di capire se i micro-reattori siano competitivi. Per stabilirlo dobbiamo innanzitutto capire quanto costi produrre un MWe con un micro-reattore e questo lo si fa con un esercizio di contabilità analitica che attribuisce al singolo MWe tutti i costi diretti ed indiretti, fissi e variabili afferenti al micro-reattore. Il Nuclear Energy Institute (2019) ha proposto di utilizzare il costo livellato dell’elettricità (LCOE) come elemento comparativo. LCOE viene stimato in base ad alcune assunzioni. Il costo fa riferimento ad un impianto con due micro-reattori da 5 MWe, per una capacità totale di 10 MWe, e ipotizza una vita operativa di 40 anni con ricarica del combustibile o sostituzione del nocciolo del reattore ogni 10 anni.
Inoltre, si ipotizza che i micro-reattori siano situati vicino a grandi centrali elettriche esistenti, dove sarebbero in grado di mantenere un fattore di capacità del 95%. Infatti, in una micro-rete, il micro-reattore potrebbe non funzionare costantemente alla massima potenza. I costi di ingegnerizzazione del sito e di licenza/autorizzazione sono inclusi nei costi di capitale.
I costi sono influenzati anche da fattori legati alle condizioni di installazione (accessibilità dei trasporti, condizioni meteorologiche, climatiche, condizioni di lavoro) e da fattori legati alla progettazione dei micro-reattori (tecnologia, progettazione dell’impianto di supporto). Anche il tipo di organizzazione proprietaria dei micro-reattori (privata o pubblica) e la disponibilità di garanzie sui prestiti influenzano il costo del capitale. Non sono, invece, influenzati dalla necessità di infrastrutture di trasmissione o distribuzione aggiuntive, poiché esse saranno necessarie anche per l’ubicazione di altre tecnologie di generazione.
Ed infine manca il termine di paragone. Di primo acchito, il confronto verrebbe spontaneamente effettuato con gli NPP. Ma in realtà non è questo il competitore più diretto di un micro-reattore quanto quelle tecnologie attualmente utilizzate nelle aree remote. In questo contesto, i micro-reattori dovrebbero essere confrontati principalmente con i generatori diesel di dimensioni simili, che attualmente coprono le applicazioni previste per i micro-reattori. Inoltre, va sottolineato che, al costo previsto per la produzione di energia elettrica, i micro-reattori sono competitivi anche rispetto ad altre fonti di energia rinnovabile distribuite, come i pannelli solari collocati sui tetti o tutte le tecnologie generanti energia pulita che alimentano comunità remote.
In questo contesto la Tabella 3 ben sintetizza una analisi economica comparativa che giustifica gli investimenti che si stanno facendo ed auspicabilmente si faranno in futuro riguardo a questa innovativa tecnologia.
Tabella 3. Confronto tra tecnologie a micro-reattori, generatori diesel e fonti rinnovabili nelle micro-reti.
Speriamo di avere, in poche pagine, evidenziato come tale tematica di investimento sia non solo degna di allocazioni di cabotaggio già da ora, ma vada seguita e monitorata con attenzione. Non è semplicemente un investimento sul nucleare che si può implementare acquistando le azioni delle società operative nella costruzione e mantenimento degli NPP (che pure è una tematica molto interessante). Si tratta piuttosto di un nucleare di nicchia che va a risolvere problemi ad oggi difficilmente affrontabili con un NPP e, proprio per questo, presenta il vantaggio ed il valore della complementarietà.
Disclaimer
Il presente post esprime l’opinione personale dei collaboratori di Custodia Wealth Management che lo hanno redatto. Non si tratta di consigli o raccomandazioni di investimento, di consulenza personalizzata e non deve essere considerato come invito a svolgere transazioni su strumenti finanziari.
