Una recente collaborazione tra Danieli e Newcleo punta a integrare reattori modulari raffreddati a piombo nei processi siderurgici, aprendo alla produzione di acciaio verde continua e autonoma dal punto di vista energetico.
Newcleo, multinazionale con DNA italiano che opera nel settore nucleare, ha siglato un memorandum d’intesa con la friulana Danieli. L’accordo punta a sviluppare impianti per la produzione di acciaio verde alimentati da energia prodotta da reattori veloci raffreddati al piombo realizzati da Newcleo. In aggiunta alla tradizionale generazione di energia elettrica, questo impianto produrrà grandi quantità di calore. L’energia termica generata andrà infatti ad alimentare uno speciale altoforno, producendo acciaio verde, quindi ad emissioni zero.
Le due aziende si sono impegnate a sviluppare soluzioni integrate per il settore metallurgico, sfruttando i reattori a neutroni veloci raffreddati con piombo liquido (LFR, Lead-cooled Fast Reactors) di Newcleo. Ma non sono le uniche a studiare questo tipo di impianti: l’anno scorso, EDF, Edison, Federacciai, Ansaldo Energia e Ansaldo Nucleare hanno siglato un altro patto mirato a promuovere l’uso dell’energia nucleare per migliorare la competitività e spingere la decarbonizzazione del comparto siderurgico italiano. Secondo il documento, i partner valuteranno insieme opportunità di investimento in nuove tecnologie nucleari; in particolare nella costruzione di reattori modulari di tipo SMR (Small Modular Reactor) sul territorio italiano nella prossima decade. La partnership prevede di sfruttare la tecnologia SMR promosse da EDF-Nuward, l’esperienza di Edison, e le capacità ingegneristiche ed industriali di Ansaldo Energia e Ansaldo Nucleare. Oltre alle applicazioni siderurgiche, il pool di aziende esplorerà anche la produzione di energia elettrica sfruttando la capacità di interconnessione già in essere tra Italia e Francia.
In un prossimo futuro, gli LFR potrebbero essere usati per produrre idrogeno verde. Questo gas verrà poi utilizzato per alimentare gli altoforni a riduzione diretta Energiron, ideati dalla stessa Danieli. Come abbiamo descritto in passato su queste pagine, le maggiori acciaierie mondiali hanno sviluppato e realizzato impianti pilota per la produzione di ghisa ed acciaio alimentati ad idrogeno al posto del carbone coke. Il processo tradizionale è responsabile di circa il 7% delle emissioni globali di anidride carbonica: decarbonizzare la siderurgia rappresenta un importante passo avanti verso la sostenibilità del settore. Per questo motivo, la Commissione europea ha stanziato oltre 100 miliardi di euro nel quadro del Clean Industrial Deal adottato lo scorso febbraio. Oltre a ridurre le emissioni di gas serra, utilizzare reattori nucleari modulari e di piccole dimensioni consentirebbe anche l’accesso ad una fonte di energia elettrica pulita e soprattutto economica: linfa vitale per un settore così energivoro, messo in crisi negli ultimi anni dagli aumenti dei costi dell’energia.
SMR ed LFR
I piccoli reattori modulari (SMR) rappresentano un paradigma in evoluzione nel panorama dell’energia nucleare. La loro storia affonda le radici negli anni ’50 e ’60, quando l’interesse per reattori compatti e versatili crebbe in risposta a specifiche esigenze militari e di propulsione navale. Tuttavia, solo negli ultimi decenni, con l’aumento della consapevolezza ambientale e la necessità di soluzioni energetiche più flessibili e distribuite, gli SMR hanno guadagnato un rinnovato e significativo interesse a livello globale.
Le caratteristiche distintive degli SMR risiedono principalmente nelle loro dimensioni ridotte, tipicamente con una potenza elettrica inferiore a 300 MWe (contro i 1000+ MWe dei reattori convenzionali), e nella loro modularità. Questa peculiarità consente la fabbricazione in fabbrica di moduli standardizzati, il trasporto in sito e l’assemblaggio in loco, riducendo significativamente i tempi di costruzione e i costi iniziali rispetto ai grandi reattori. La modularità offre inoltre scalabilità, permettendo di aggiungere ulteriori moduli in base alla crescente domanda energetica.
Il funzionamento degli SMR si basa sugli stessi principi fisici dei reattori nucleari convenzionali: la fissione controllata di nuclei atomici (principalmente uranio-235) per generare calore. Questo calore viene quindi utilizzato per produrre vapore, che a sua volta aziona una turbina collegata a un generatore elettrico. Tuttavia, il design compatto degli SMR spesso incorpora innovazioni tecnologiche per migliorare la sicurezza e l’efficienza, come sistemi di raffreddamento passivi che si basano su convezione e gravità per dissipare il calore residuo in caso di emergenza.
Le peculiarità degli SMR spaziano dalla loro flessibilità applicativa alla maggiore sicurezza intrinseca. Grazie alle dimensioni contenute, possono essere installati in siti remoti o in aree con reti elettriche meno sviluppate, fornendo energia affidabile e a basse emissioni di carbonio. La loro modularità li rende adatti a integrare fonti rinnovabili intermittenti. Inoltre, molti design SMR integrano misure di sicurezza avanzate, come noccioli più piccoli e sistemi di contenimento rinforzati. Quando parliamo di SMR ci riferiamo principalmente alla versione piccola di tecnologie già collaudate, come quella di raffreddamento ad acqua tipica dei reattori di terza generazione. Usiamo invece la sigla AMR, Advanced Modular Reactor, per parlare di SMR di quarta generazione, che oltre ad usare refrigeranti diversi dall’acqua, sono anche in grado di chiudere il ciclo del combustibile, eliminando le scorie.
Gli AMR, e in particolare gli LFR, sono una delle tecnologie più promettenti tra i reattori nucleari modulari (SMR) di IV generazione. La loro caratteristica principale è quella di utilizzare refrigeranti diversi dall’acqua. L’interesse per il piombo come refrigerante è cresciuto costantemente grazie alle sue proprietà uniche che offrono vantaggi significativi in termini di sicurezza, sostenibilità e prestazioni.
Le caratteristiche distintive degli LFR risiedono principalmente nell’utilizzo del piombo liquido (o di una lega eutettica piombo-bismuto) come refrigerante del nocciolo e nella loro operatività con uno spettro neutronico veloce. Questo consente di ottenere un ciclo del combustibile più efficiente, con la possibilità di “bruciare” attinidi minori, sottoprodotti a lunga vita della fissione. Un’altra caratteristica molto interessante di alcuni LFR è la capacità di autofertilizzarsi, ovvero di generare più combustibile di quanto ne venga consumato.
Anche il funzionamento di un LFR si basa sulla fissione nucleare, innescata e sostenuta da neutroni veloci. Il calore generato viene trasferito al refrigerante di piombo liquido, che grazie alla sua elevata densità e capacità termica, può trasportare grandi quantità di calore. Il piombo caldo viene quindi scambiato con un circuito secondario per generare vapore e azionare una turbina per la produzione di energia elettrica.
Le peculiarità degli LFR sono molteplici. Innanzitutto, la sicurezza intrinseca è notevolmente elevata: il piombo liquido ha un punto di ebollizione molto alto (1749 °C), che lo rende praticamente impossibile da far bollire. La sua inerzia termica garantisce una risposta lenta alle variazioni di potenza. Inoltre, molti LFR operano a pressioni ridotte, e richiedono quindi vessel più facili da costruire. Il reattore sviluppato da Newcleo lavora a pressione atmosferica: anche in caso di danneggiamento del contenitore, non ci sarebbe alcuna esplosione.
Un altro vantaggio significativo è la sostenibilità del ciclo del combustibile. La capacità di operare con neutroni veloci permette di utilizzare in modo efficiente uranio e torio. Il torio è disponibile in natura in quantità molto superiori all’uranio-235. Inoltre, il ciclo del torio riduce la possibilità di utilizzi militari e consente di diminuire volume e radiotossicità a lungo termine dei rifiuti nucleari tramite la trasmutazione degli attinidi minori. Il combustibile esausto di un reattore al torio è meno radioattivo di quello a uranio di diversi ordini di grandezza. Questo aspetto è cruciale per affrontare le sfide dello stoccaggio a lungo termine delle scorie. Al momento, l’unico paese ad aver costruito un reattore sperimentale al torio funzionante è la Cina.
Cogenerazione di energia elettrica e calore
Sia gli SMR che gli LFR possono fornire una fonte di energia elettrica e calore a basse emissioni di carbonio per gli impianti siderurgici. L’energia elettrica può alimentare forni ad arco elettrico (EAF), laminatoi e altre apparecchiature. Il calore di processo può essere utilizzato per preriscaldare l’aria di combustione nei forni o per altri processi termici a bassa temperatura. Gli LFR oggetto dell’accordo Newcleo-Danieli, in particolare, con la loro capacità di operare a temperature più elevate, potrebbero fornire calore di processo a temperature più elevate, potenzialmente utile in alcune fasi della produzione dell’acciaio verde.
Vantaggi
- Decarbonizzazione: riduzione significativa delle emissioni di gas serra rispetto all’uso di combustibili fossili per la generazione di energia e calore.
- Affidabilità: fornitura di energia stabile e continua, non soggetta all’intermittenza delle fonti rinnovabili (anche se l’integrazione con queste è possibile).
- Stabilità dei costi: costi del combustibile nucleare relativamente stabili rispetto ai prezzi volatili dei combustibili fossili, soprattutto quando saranno disponibili reattori al torio e autofertilizzanti.
- Indipendenza energetica: riduzione della dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili.
- Potenziale cogenerazione: utilizzo efficiente del calore residuo per ulteriori processi industriali, aumentando l’efficienza complessiva.
- Tempi di realizzazione: Newcleo punta a tempi di costruzione di 2-3 anni: più brevi rispetto ai reattori convenzionali, e addirittura anche di molti impianti fossili.
Capitolo a parte merita l’analisi economica e finanziaria. Per calcolare il costo totale dell’energia prodotta (somma dei costi iniziali + costi operativi/MWh generati) dobbiamo considerare sia l’investimento iniziale (alto per il nucleare, basso per combustibili fossili) che il costo del combustibile (basso per il nucleare, relativamente alto per i combustibili). Questo grafico può essere d’aiuto per chiarire le cose. Il nucleare, rispetto a tutte le altre tecnologie, ha un costo del capitale altissimo: piccoli cambi nei tassi di interesse del finanziamento della costruzione influiscono enormemente sul costo dell’elettricità generata. Questo implica che con sistemi di finanziamento ad hoc, il nucleare può essere estremamente competitivo, anche più delle fonti fossili o rinnovabili. Secondo Newcleo, il costo livellato dell’energia (Levelized Cost Of Energy, LCOE) prodotto dai loro impianti sarà di 60 €/MWh.
Svantaggi
- Costi iniziali elevati: l’investimento iniziale per la costruzione di reattori nucleari è significativo, pari a circa 800 milioni di euro. Questa cifra è comunque dello stesso ordine di grandezza di una centrale a carbone, che può arrivare a costare anche 500 milioni di euro.
- Gestione delle scorie radioattive: nonostante SMR ed LFR generino meno scorie, rimane la necessità di siti di stoccaggio sicuri. Tuttavia, il ciclo di combustibile Newcleo punta ad avere, sul lungo periodo, solo scorie di bassa-media intensità, stoccabili in depositi temporanei alla pari di rifiuti medici. Alcuni di questi materiali potrebbero essere riutilizzati nella medicina nucleare.
- Preoccupazioni per la sicurezza: sebbene i design moderni integrino sistemi di sicurezza avanzati, la percezione pubblica del rischio nucleare rimane una sfida soprattutto in paesi ormai non più abituati a convivere con questi impianti.
- Infrastrutture e competenze: richiesta di infrastrutture specializzate e personale qualificato per la gestione e la manutenzione degli impianti nucleari.
I reattori nucleari come fonte di idrogeno
Un altoforno tradizionale produce esclusivamente acciaio e calore. Un ulteriore vantaggio degli SMR/LFR è la potenzialità di generare idrogeno verde tramite elettrolisi dell’acqua. Questo idrogeno potrebbe poi essere utilizzato come agente riducente nel processo di Direct Reduced Iron (DRI), un percorso a basse emissioni di carbonio per la produzione di acciaio. Abbiamo descritto più volte questa tecnologia su queste pagine, poiché è oggetto di grandi investimenti da parte delle acciaierie europee, attente ai limiti di emissioni di gas serra.
Vantaggi
- Produzione di acciaio verde: l’utilizzo di idrogeno verde nel processo DRI elimina quasi completamente le emissioni dirette di CO₂ dalla fase di riduzione del minerale di ferro.
- Integrazione con la generazione di energia: il reattore nucleare può fornire sia l’energia elettrica per l’impianto siderurgico che quella per la produzione di idrogeno in loco, creando sinergie.
- Flessibilità operativa: la produzione di idrogeno può essere modulata in base alla domanda di acciaio e alla disponibilità di energia dal reattore.
Svantaggi
- Efficienza dell’elettrolisi: il processo di elettrolisi ha una sua efficienza, quindi l’energia nucleare convertita in idrogeno avrà una certa perdita.
- Costi dell’idrogeno verde: attualmente, l’idrogeno verde è più costoso dell’idrogeno prodotto da combustibili fossili (idrogeno “grigio“). La competitività dipenderà dalla riduzione dei costi dell’elettrolisi e dall’aumento dei costi dei combustibili fossili e delle emissioni di carbonio.
- Infrastrutture per l’idrogeno: servono infrastrutture per lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno all’interno dell’impianto siderurgico.
- Sviluppo tecnologico: l’integrazione su larga scala di reattori nucleari con impianti di produzione di idrogeno e DRI è ancora in fase di sviluppo e richiede ulteriori dimostrazioni tecnologiche.
L’idrogeno prodotto dall’energia nucleare potrebbe essere utilizzato non solo per la riduzione diretta del ferro, ma anche come combustibile pulito per alimentare forni o per altri processi che attualmente utilizzano gas naturale o altri combustibili fossili, riducendo ulteriormente la dipendenza dai combustibili fossili. L’idrogeno può essere stoccato e utilizzato quando necessario, offrendo una certa flessibilità nella gestione dell’energia.
Peculiarità degli LFR per applicazioni siderurgiche
Gli LFR in fase di studio da parte di Newcleo e Danieli generano una temperatura in uscita di circa 500 °C, e può quindi essere utilizzato per attività accessorie. La corrente prodotta viene quindi utilizzata per produrre idrogeno, oppure per alimentare altri tipi di forni, come i forno elettrici ad arco. Reattori sperimentali, denominati Advanced Gas-cooled Reactor, potrebbero invece generare temperature superiori ai 1000 °C con un’elevata efficienza termodinamica. Alcuni processi siderurgici potrebbero beneficiare direttamente del calore ad alta temperatura fornito dagli AGR, riducendo la necessità di generatori di vapore intermedi e aumentando l’efficienza termica complessiva. Tuttavia, le specifiche esigenze di temperatura dei processi siderurgici devono essere attentamente valutate rispetto alle capacità degli AGR. Le alte temperature degli AGR potrebbero essere sfruttate anche per processi termochimici sperimentali per la produzione di idrogeno, che in teoria potrebbero essere più efficienti dell’elettrolisi.
In sostanza, le collaborazioni avviate dalle aziende del settore siderurgico, di concerto con quelle del comparto nucleare, ingegneristico ed energetico, rappresentano la punta dell’iceberg di un insieme di tecnologie ben più vasto. Dai primi studi sui reattori modulari degli anni ‘60, agli altoforni a idrogeno a riduzione diretta di recente sviluppo, i reattori modulari compatti saranno sicuramente sotto i riflettori del settore siderurgico negli anni a venire.
Quando il design racconta energia e tecnologia
Una riproduzione a grandezza naturale di reattore SMR è ospitato all’interno delle Corderie dell’Arsenale di Venezia, nel contesto della 19a Biennale di Architettura 2025. Il modello di reattore TL-40 raffreddato a piombo liquido rappresenta un progetto comune tra Newcleo, Fincantieri e Pininfarina. Il reattore, dalla potenza di 40 MWe, è destinato ad impieghi navali. Lo studio Pininfarina ha curato sia l’involucro funzionale che la presentazione ai visitatori. L’allestimento è stato sviluppato per favorire un’interazione diretta con i contenuti espositivi e un maggiore coinvolgimento del visitatore, in grado di illustrare i principi di funzionamento e i vantaggi tecnologici. Allo stesso tempo, il progetto architettonico è stato concepito per comunicare visivamente gli obiettivi dell’impianto e il suo possibile contributo alla transizione energetica. Il modello, dalla forma distintiva, trasmette leggerezza nonostante il peso di oltre due tonnellate. I designer sono riusciti a dare al mockup, alto quasi sei metri, uno slancio e una maestosità futuristica. Ciò è reso possibile grazie alle lamelle che ne delineano l’esterno, e ad uno studiato gioco di luci e ombre che esalta i componenti interni. Questo progetto è inserito all’interno di un percorso esperienziale che porta i visitatori a conoscere i vantaggi dei reattori nucleari di quarta generazione in termini di sicurezza e flessibilità. Dopo decenni al di fuori dei riflettori, le pressanti sfide energetiche ed ambientali stanno riportando l’industria nucleare italiana al centro di importanti progetti internazionali.
Fonte: Newcleo
Si ringrazia Ricardo Berjano Andolfi per la collaborazione
