I reattori CANU, una tecnologia di energia elettrica di primo piano sviluppata in Canada, offrono un percorso di basso carbonio collaudato, mentre le nazioni accelerano la transizione verso sistemi energetici sostenibili. Con caratteristiche di progettazione uniche, tra cui la moderazione delle acque pesanti, la configurazione dei tubi di pressione e la capacità di operare su uranio naturale, i reattori CANDU forniscono energia elettrica di base affidabile senza emissioni di gas serra durante il funzionamento.

Comprendere la tecnologia del reattore CANDU

I reattori CANDU (CANada Deuterium Uranium) utilizzano l'ossido di deuterio (acqua pesante) sia come moderatore che refrigerante, che consente al reattore di raggiungere la criticità con l'uranio naturale, eliminando la necessità di costosi impianti di arricchimento.

Il vantaggio dell'acqua pesante

L’assorbimento dei neutroni a bassa temperatura dell’acqua pesante migliora notevolmente l’economia dei neutroni, permettendo ai reattori CANDU di funzionare su un uranio naturale non arricchito. Mentre l’acqua pesante è costosa per produrre – in genere diverse centinaia di dollari per chilogrammo – il risparmio di evitare l’arricchimento e la capacità di utilizzare una più ampia gamma di materiali a combustibile più che compensare la vita del reattore.

Progettazione tubo di pressione

A differenza dei reattori ad acqua leggera con un singolo vaso di pressione, i progetti CANDU impiegano più tubi di pressione orizzontale ospitati in una più grande e non pressurizzata calandria. Questo approccio evita le sfide di produzione dei grandi vasi di pressione e consente la capacità cruciale di rifornimento on-power. Ogni tubo di pressione contiene fasci di carburante raffreddati da acqua pesante ad alta pressione, mentre il moderatore circostante nella calandria rimane a temperature e pressione.

Configurazione del carburante

I combustibili più elevati sono imballati in 37 barre di combustibile, raggruppati in gruppi cilindrici di circa 50 cm di lunghezza e 10 cm di diametro. Con solo 0,7 % di uranio-235, il reattore genera anche difetti di plutonio-239 di uranio-238, che contribuiscono a circa la metà dell'uscita di energia.

Vantaggi operativi e funzionalità di sicurezza

I reattori CANDU hanno accumulato più di 600 anni di esperienza operativa in tutto il mondo, con un forte record di sicurezza e fattori di elevata capacità. La combinazione di rifornimento on-power, caratteristiche di sicurezza intrinseche e sistemi di sicurezza multipli ingegnerizzati li colloca come uno dei più robusti progetti di reattori sia per il carico base che per il funzionamento flessibile.

Capacità di rifornimento on-Power

I reattori CANDU possono confugliarsi a pieno potere utilizzando macchine robotizzate che inseriscono fasci di carburante freschi mentre si rimuove quelli spesi dall'estremità opposta del tubo di pressione. Questo funzionamento continuo massimizza la disponibilità dell'impianto, in genere superiore all'80% del fattore di capacità nel corso dei decenni, e consente la rimozione di fasci di carburante in perdita come vengono rilevati, riducendo i livelli di radiazione nel circuito di raffreddamento primario.

Caratteristiche di sicurezza inerenti

I margini di reattività del reattore sono abbastanza bassi da consentire la reazione a catena solo in presenza di acqua pesante. L’inondazione con acqua leggera interrompe immediatamente la reazione nucleare, fornendo un meccanismo di sicurezza passiva. Finché sufficiente acqua liquida assorbe il calore di decomposizione, il getto di combustibile è fisicamente impossibile. In oltre 50 anni di funzionamento CANDU in tutto il mondo, l’incidente più grave con una significativa contaminazione sul posto è stato l’incidente del reattore NRX del 1952, che è stato ulteriormente degrado.

Sistemi di sicurezza multipli

Gli impianti CANDU incorporano quattro sistemi di sicurezza speciali: due sistemi di arresto indipendenti (asta di grana-dropshima e iniezione di veleno liquido), un sistema di raffreddamento del nucleo di emergenza e il contenimento. Il principio di difesa in profondità assicura molteplici barriere tra materiali radioattivi e ambiente, con ridondanza e diversità nelle funzioni di sicurezza. I sistemi di arresto sono progettati per essere altamente affidabili, con l'avvio automatico sul rilevamento di eventuali anomalie.

Flessibilità e efficienza delle risorse

Il progetto neutronico dei reattori CANDU offre una flessibilità senza pari, che non solo riduce il consumo di uranio ma apre anche percorsi per il riciclaggio di carburante consumato da altri tipi di reattori e per l'utilizzo di combustibili alternativi come il torio.

Ciclo di combustibile dell'uranio naturale

L'impiego di reattori CANDU impiegano il 30-40 % di reattori a basso consumo di energia per unità di energia elettrica, e il combustibile è molto meno costoso a causa della mancanza di arricchimento. Questa semplicità del ciclo di combustibile aumenta la sicurezza energetica per i paesi senza capacità di arricchimento. Il ciclo di combustibile a 18-attraverso è relativamente semplice: i fasci di combustibile fresco vengono forniti dal tessuto.

Capacità di carburante alternative

I reattori CANDU possono utilizzare l’uranio recuperato dal reattore ad acqua leggera consumato (con lo 0,9% uranio-235 rispetto allo 0,7 %) naturale dell’uranio, estraendo il 30-40 % di energia in più. Il DUPIC (l’uso diretto del combustibile PWR speso in CANDU) ricicla il combustibile speso senza ritrattare, riducendo il volume dei rifiuti ad alto livello e facendo uso delle risorse fissili esistenti.

I reattori CANDU nel paesaggio globale dell'energia

I ventisette reattori di potenza CANDU operano in sette paesi, la loro storia di distribuzione dimostra l’adattabilità della tecnologia a diversi ambienti normativi, condizioni di rete e capacità tecnologiche dei paesi ospitanti.

Deployment internazionale

Le vendite all’esportazione hanno incluso unità in Corea del Sud (4), Romania (2), India (2), Pakistan (1), Argentina (1) e Cina (2). L’India ha inoltre costruito 16 reattori basati sul design CANDU, chiamato la serie Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR), che hanno permesso di trasferire competenze ingegneristiche e di sostenere gli obiettivi di sviluppo energetico dei paesi partner.

Prestazioni operative

L’unità 1 della Qinshan Phase III in Cina ha stabilito un record mondiale per i reattori CANDU‐6 con 738 giorni di funzionamento continuo. In Ontario, i reattori CANDU forniscono oltre il 60% del consumo annuo di energia elettrica da 140 TWh della provincia, contribuendo a circa l’80% di energia elettrica non emissione. La stazione di Darcarbonlington, con quattro unità di MWe 881, è stata riconosciuta per il suo eccezionale rendimento.

Recenti sviluppi e nuove costruzioni

La Romania sta costruendo due nuovi reattori CANDU a Cernavoda, la prima nuova costruzione CANDU dal 2007. Il progetto, che coinvolge Candu Energy Inc. (una società AtkinsRéalis), Fluor, Ansaldo Nucleare e Sargent & Lundy, rappresenta un rinnovato interesse per la tecnologia. Le unità di sviluppo nazionali CANDU della Romania hanno già impedito oltre 215 milioni di tonnellate di emissioni di CO2 dal 1996.

Il ruolo di CANDU nella transizione a basso contenuto di carbonio

Poiché il mondo accelera verso le emissioni di zero netti, l'energia nucleare è sempre più riconosciuta come essenziale per fornire elettricità e calore affidabili e a basso tenore di carbonio. I reattori CANDU, con le loro caratteristiche uniche e la loro lunga storia operativa, sono ben posizionati per contribuire in modo significativo a questa transizione.

Potenza di carico base a emissioni zero

I reattori CANDU producono elettricità coerenti e a basso tenore di carbonio che completano fonti rinnovabili variabili come il vento e il solare. I loro fattori ad alta capacità, spesso superiori al 90%, forniscono il carico base stabile che gli operatori di rete devono integrare la generazione intermittente senza ricorrere al backup dei combustibili fossili.

Obiettivi climatici di sostegno

L’innovazione del progetto del reattore CANDU rafforza la sicurezza energetica, sostenendo gli alleati nel passaggio all’elettricità più pulita. Gli investimenti pubblici nella tecnologia CANDU di nuova generazione dimostrano l’impegno per l’energia nucleare come soluzione climatica. L’accordo di licenza di proprietà intellettuale con l’energia atomica del Canada Limited riflette il riconoscimento del ruolo di CANDU nella decarbonizzazione del Canada e del mondo.

Prestazioni economiche e sociali

Oltre all’elettricità, i reattori di potenza CANDU producono quasi l’intera fornitura globale di cobalto-60 per la sterilizzazione medica e il trattamento del cancro. Ogni impianto nucleare impiega centinaia di lavoratori qualificati e supporta le catene di approvvigionamento locali, fornendo lavori di alta qualità e stimoli economici. La costruzione di nuove unità CANDU crea migliaia di posti di lavoro nell’ingegneria, nella produzione e nella costruzione.

Sfide, innovazioni e sviluppo futuro

Non c'è tecnologia senza sfide, e i reattori CANDU affrontano ostacoli tecnici ed economici specifici, ma l'innovazione continua, dai cicli avanzati di combustibile ai controlli digitali e ai piccoli progetti di reattori modulari, sta affrontando questi problemi e aprendo nuove opportunità.

Costo capitale e dimensione del reattore

L’investimento iniziale in inventario delle acque pesanti è significativo e i nuclei CANDU sono più grandi di reattori simili a quelli dell’acqua leggera a causa del contenuto di fissile inferiore dell’uranio naturale. Tuttavia, questi costi sono compensati dal risparmio di carburante e dalla durata di 60 anni con risanamento della vita media.

Progettazione avanzata CANDU

AtkinsRéalis ha lanciato il design Candu Monark nel 2023: un reattore da 1000 MWe con 480 canali, caratteristiche di sicurezza passiva e un sistema di trasporto termico a due piani. Il governo canadese si è impegnato fino a 304 milioni di CAD per finanziare la metà del progetto di progettazione.

Sviluppo del reattore modulare

Il CANDU SMR (CSMR) è un progetto di 300 MWe che è l’unico SMR che utilizza l’uranio naturale e non arricchito, consentendo di generare carburante dalle miniere canadesi senza spedizioni internazionali di arricchimento.

Rifornimento e Estensione della Vita

I programmi di rifornimento sostituiscono i canali di combustibile, i generatori di vapore e i sistemi ausiliari, fornendo un nuovo contratto di locazione per i reattori di invecchiamento. Il rinnovamento di Darlington dell'Ontario Power Generation ha completato il lavoro su quattro unità in anticipo e sotto il budget, con un rinnovo di licenze di 20 anni a 2045.

Considerazioni ambientali e gestione dei rifiuti

I reattori CANDU evitano milioni di tonnellate di emissioni di CO2 rispetto alla generazione di combustibili fossili. L’unità Qinshan III 1 riduce le emissioni di anidride carbonica di 9,97 milioni di tonnellate su un unico ciclo di funzionamento. La gestione del combustibile spegnimento utilizza sistemi di stoccaggio a secco che hanno dimostrato sicurezza ed efficacia per decenni.

Integrazione con i sistemi energetici rinnovabili

I reattori CANDU forniscono la base stabile necessaria per l'affidabilità. I progetti avanzati con capacità di assorbimento del carico consentono di regolare l'uscita per adattarsi alla variabilità rinnovabile. I sistemi ibridi futuri possono combinare i reattori CANDU con la produzione di idrogeno, il calore industriale o il riscaldamento distrettuale per massimizzare il valore e sostenere la decarbonizzazione al di là del settore elettrico.

Ricerca, sviluppo e innovazione

I progressi in corso nel design del combustibile CANDU includono l'ottimizzazione per l'alto burnup, l'uso di dischi grafite per abbassare le temperature del combustibile, le tecniche di saldatura avanzate e i fasci di 61-element per applicazioni di bruciatore molto elevato. L'integrazione della tecnologia digitale, compresi i sistemi di controllo avanzati, i gemelli digitali e l'AI per la manutenzione predittiva, migliora la sicurezza, le prestazioni e l'efficienza operativa, riducendo i costi.

Politica, Regolazione e Posizione di mercato

L’approccio basato sulle prestazioni del Canada permette l’innovazione mantenendo standard di sicurezza rigorosi. Il sostegno del governo per la R&D nucleare si è esteso in oltre 50 anni, consentendo alle industrie di tecnologia e di spin-off di livello mondiale. Il mercato globale del SMR è stimato a 150 miliardi di dollari all’anno dal 2030 al 2040, posizionando il Canada per beneficiare economicamente degli sforzi di decarbonizzazione.

Il percorso in avanti: CANDU in un futuro Net-Zero

La domanda di energia dell’Ontario dovrebbe aumentare del 75% entro il 2050, guidata dall’elettrificazione. I reattori CANDU, sia su larga scala che su SMR, possono soddisfare la domanda crescente, mantenendo l’affidabilità della rete. Con la tecnologia collaudata, le catene di approvvigionamento consolidate e la forte esperienza operativa, CANDU è ben posizionata per una rapida distribuzione.