Un nuovo capitolo dell'energia nucleare: ibridi di fusione-Fissione

La domanda energetica globale continua a crescere e la pressione per decarbonizzare la generazione di energia non è mai stata maggiore. Le fattorie solari e e i venti si stanno espandendo rapidamente, ma la loro intermittenza sfida la stabilità della rete. Le centrali nucleari forniscono una potenza di base stabile, ma le preoccupazioni pubbliche circa i rifiuti e la sicurezza persistono. I reattori ibridi di fusione a fusione a fusione a fusione estrema offrono un percorso centrale avvincente: essi sfruttano il surplus neutronico dalla fusione alla fusione per la fusione per la fusione per la fusione per la fusione per la fusione per la fusione per la fusione per la fusione per la fusione per guidare la fissione per la fissione per la fissione per la fissione per la produzione di impianti di impianti di impianti di energia elettrica in una copertura circostante.

Studi recenti di modellazione nei laboratori nazionali indicano che un ibrido adeguatamente progettato potrebbe raggiungere un guadagno energetico netto con un nucleo di fusione che funziona in un modesto Q (il rapporto tra energia di fusione e potenza di riscaldamento) di 2 a 5, piuttosto che il Q > 10 richiesto per un impianto di rischio di fusione puro, che rilassa i vincoli di ingegneria e apre la porta all'utilizzo di dispositivi di confinamento al plasma a breve termine.

Diversi programmi di ricerca in tutto il mondo stanno avanzando concetti di reattore ibrido. Dipartimento di Energia[] finanzia studi ibridi attraverso i suoi progetti di ricerca avanzata Agenzia-Energia (ARPA-E) e l'ufficio di Fusion Energy Sciences. In Asia, le aziende KSTAR e EAST tokamaks forniscono i testbed per la fusione di materiali di coperta che mimica condizioni ibride.

Come funziona l'ibrido di Fusion-Fission

Il nucleo di fusione come fonte di neutroni

Nel reattore ad alta energia, il reattore ad alta energia produce un neutrone a fusione (D-T) che produce un neutrone a doppia fusione, un nucleo di deuterio e un nucleo di tritium si combinano per formare un nucleo ibrido a neutroni a fusione elio-4, più un neutrone a 14,1 MeV.

Il nucleo di fusione può essere basato su uno qualsiasi dei principali approcci di confinamento: tokamak, stellarator, o confinamento inerziale. Tokamaks beneficiano di decenni di dati operativi e sono più vicini al raggiungimento del guadagno energetico netto. Il recente raggiungimento di un fattore di guadagno energetico di fusione superiore a 1,5 al Facility di neutroni (restrimento interno) dimostra che l'accensione di fusione è possibile in un ambiente di laboratorio, anche se quella piattaforma non è progettata per la produzione continua

I neutroni a 14,1 MeV sono molto più energici dei neutroni fissilici (circa 2 MeV) prodotti nei reattori convenzionali, i quali aprono canali fissione in isotopi che non sono facilmente fissionibili da neutroni termici, come l'uranio-238 e il torio-232. Questa capacità è centrale dell'evento di trasmissione dei rifiuti dell'ibrido.

La coperta di Fission

Circondando il nucleo di fusione, un'assemblaggio di coperte che contiene combustibile nucleare in qualche forma: barre di combustibile solide, sale fuso liquido o un letto di ciottoli. Quando i neutroni di fusione colpiscono la coperta, inducono la fissione nel combustibile, rilasciando energia supplementare che viene convertita in calore e poi all'elettricità tramite turbine a vapore convenzionali o turbine a gas a ciclo chiuso.

La coperta deve sopportare intensi bombardamenti di neutroni, alte temperature e ambienti chimici corrosivi. Sono in fase di sviluppo materiali strutturali avanzati come acciai ferritici-martensitici, leghe di vanadio e compositi di carburo di silicio. Le scelte di refrigerante includono gas di elio, litio liquido, piombo-litosio etettico, e sali di fluoro fuso.

Architettura del sistema integrata

Un impianto di alimentazione ibrido completo integra il nucleo di fusione, la coperta di fissione, i cicli di trasferimento termico, i sistemi di estrazione del trizio e le apparecchiature di conversione di potenza. Il layout dell'impianto include tipicamente un vuoto che circonda il plasma di fusione, una struttura del modulo di coperta che può essere sostituita da remoto, e la schermatura per proteggere i componenti sensibili.

Una delle scelte di progettazione critica è il fattore di moltiplicazione dei neutroni nella coperta. A differenza di un reattore di fissione critico, la coperta ibrida opera in modo subcritico, il che significa che la reazione della catena di fissione si spegne senza la sorgente di neutroni esterni dalla fusione. Questa sottocritica è una caratteristica fondamentale di sicurezza: la coperta di fissione non può sostenere una reazione a catena di fuga o un'escursione di criticità rapida.

Vantaggi sui sistemi nucleari convenzionali

Gestione dei rifiuti e trasmutazione

Forse il vantaggio più convincente dei prodotti ibridi a fusione-fissione è la loro capacità di affrontare il problema dei rifiuti nucleari. Il combustibile nucleare di oggi contiene un mix di prodotti di fissione e di elementi transuranici. I prodotti di fissione (cesium-137, strontium-90) decadono a livelli sicuri entro qualche centinaio di anni, ma i transuranici rimangono pericolosi per centinaia di millenni.

Un'analisi del 2023 del giornale Ingegneria e Design Nucleare ha dimostrato che un reattore ibrido da 500 MW che opera per 40 anni potrebbe consumare l'inventario transuranico da circa 15 anni di funzionamento del reattore ad acqua leggera, il che significa che una flotta ibrida relativamente piccola potrebbe gestire il patrimonio di rifiuti di una grande flotta nucleare convenzionale.

Oltre alla riduzione dei rifiuti, gli ibridi offrono un percorso per chiudere il ciclo del combustibile nucleare senza i rischi di proliferazione associati al ritrattamento del plutonio nei sistemi di fissione pura. La coperta subcritica dell'ibrida non può essere utilizzata per produrre il plutonio di livello delle armi in modo semplice, perché la composizione isotopica del plutonio allevato viene degradata dallo spettro di neutroni veloce.

Sicurezza e funzionamento sottocritico

Il reattore a fissione è il più importante vantaggio di sicurezza dei reattori ibridi. In un reattore a fissione critica convenzionale, la reazione a catena di neutroni è auto-susurpante a livello di potenza costante, impostata da barre di controllo e feedback di raffreddamento. Se il sistema di fusione non riesce, il calore di decomposizione può causare la fusione di combustibile e il rilascio di materiale radioattivo, come si vede a Fukushima.

Se il liquido refrigerante viene perso, la moderazione dei neutroni diminuisce, riducendo la velocità di fissione nella coperta. Questa reazione negativa fornisce un ulteriore livello di sicurezza passiva. Combinato con il fatto che la coperta opera a bassa densità di potenza (di solito 50 a 100 MWh per metro cubo, rispetto a 200 a 400 MWth per metro cubo, in un reattore ibrido a luce può raggiungere il normale).

Estensione della risorsa del combustibile

Le riserve globali di uranio economicamente recuperabile sono sufficienti per circa 100 anni di funzionamento del reattore convenzionale a tassi di consumo correnti. Le riserve di torio sono tre o quattro volte più grandi, ma il torio non è fissile e deve essere convertito in uranio-233 in un reattore o in un sistema acceleratore-driven. I reattori ibridi possono generare combustibile fissile sia da torio che da uranio impoverito con eccezionale efficienza.

In una configurazione di allevamento di combustibile, un ibrido può operare come fornitore netto di materiale fissile a una flotta di reattori convenzionali. Uno studio ha stimato che un ibrido di 1 GWth potrebbe produrre annualmente abbastanza plutonio da uranio impoverito per alimentare tre nuovi reattori ad acqua pressurizzata per un anno. Questo effetto moltiplicatore potrebbe estendere la durata utilizzabile di risorse di uranio conosciute da secoli a millenni, mentre facendo uso di esaurimento di scorte esistenti.

Potenza pulita e dismessa

A differenza del vento e del solare, che fluttuano con il tempo e il tempo della giornata, i reattori ibridi producono una potenza costante di carico di base. La coperta di fissione agisce come un tampone energetico, lisciando le variazioni di uscita di fusione. Anche se il nucleo di fusione opera in modalità pulsata (come molti tokamaks fanno), l'inerzia termica del sistema di trasferimento di calore e coperta può fornire un'uscita elettrica costante.

L'impronta di carbonio di un reattore ibrido, tra costruzione, funzionamento e decommissione, è paragonabile a quella del vento e molto inferiore a quella del gas naturale o del carbone. Poiché il combustibile è o allevato in situ o derivato dai rifiuti esistenti, le emissioni a monte di estrazione mineraria e fresatura sono minime.

Sfide tecniche e ingegneria

Fusion Core Maturity

La sfida più immediata è che nessun nucleo di fusione ha ancora dimostrato un funzionamento continuo, ad energia netta in una configurazione adatta ad una coperta ibrida. L'attuale generazione di tokamaks (JET, DIII-D, KSTAR, EAST) hanno raggiunto prestazioni plasmatiche impressionanti, ma non sono progettati per ospitare una coperta di neutroni fissione.

I componenti di rivestimento in plasma nel nucleo di fusione devono sopportare i flussi di calore e particelle estremi. In una macchina ibrida, la coperta è più vicina al plasma che in un reattore di fusione puro, perché la coperta occupa lo spazio che normalmente contiene uno spesso strato di schermatura. Questa prossimità aumenta il carico di calore e neutroni sulla prima parete e divertore.

Materiale della coperta e vita

La coperta di fissione opera in condizioni difficili: ad alta temperatura, intenso bombardamento di neutroni e chimica corrosiva del refrigerante. I materiali strutturali soffrono di gonfiore indotta dai neutroni, embrionamento e trasmutazione. La coperta deve essere progettata per la sostituzione a distanza a intervalli regolari, tipicamente ogni 2-5 anni per i componenti più esposti.

Le forme di combustibile per la coperta sono anche presenti sfide. I combustibili solidi di ossido (come l'anidride uranio o l'ossido misto) sono ben compresi dall'esperienza del reattore di fissione, ma devono svolgere in modo affidabile sotto uno spettro di neutroni veloce ad alte temperature. Le forme di combustibile liquido, come le miscele di sale fuso contenenti attuanidi disciolti, offrono vantaggi nella rimozione continua del prodotto di fissione e nella gestione semplificata del ciclo di combustibile, ma introducono problemi di corrosione, ma introducono problemi di corrosione, controllo della chimica del sale, controllo, per il controllo della chimica del liquido, e del liquido, e del trime.

Tritium fornitura e gestione

Il deuterio è abbondante in acqua di mare, ma il tritium è raro. Un nucleo di fusione D-T richiede una fornitura continua di tritium, che deve essere allevato nella coperta da litio-6 o litio-7 utilizzando i neutroni di fusione. Il rapporto di allevamento tritium (TBR) deve superare l'1,0 per sostenere il ciclo di combustibile, il che significa che almeno un atomo tritium è prodotto per ogni ato di fusione assorbito.

La gestione del tritium è una preoccupazione di sicurezza e di regolazione perché il tritium è un isotopo beta-emissione che permette facilmente i metalli a temperature elevate. Le strategie di contenimento includono rivestimenti di barriera ossido su superfici di scambiatore di calore, letti di getto e conchiglie di contenimento multiple. L'inventario tritium nel sistema di copertura e di elaborazione deve essere mantenuto basso per minimizzare i rilasci accidentali.

Quadri regolamentari e di licenze

Non esiste attualmente alcun quadro normativo per la concessione di un reattore ibrido a fusione-fissione. I regolatori nazionali come la Commissione per la regolamentazione nucleare degli Stati Uniti hanno esperienza con i reattori di fissione e stanno sviluppando approcci per i dispositivi di fusione pura, ma gli strati ibridi di entrambe le categorie.

Il consenso internazionale sulle norme di sicurezza per gli ibridi sarà essenziale per consentire la collaborazione transfrontaliera e l'eventuale distribuzione commerciale. L'IAEA ha iniziato discussioni esplorative sulla sicurezza dei reattori ibridi, e alcuni Stati membri hanno presentato studi preliminari di progettazione per la revisione regolamentare.

Programmi attuali e iniziative principali

Programma DOE Sistemi Ibridi di Energia

Negli Stati Uniti, il Dipartimento dell'Energia ha finanziato studi di reattori ibridi sia attraverso il programma Office of Nuclear Energy che con il programma Fusion Energy Sciences. Il programma ARPA-E FUSION, lanciato nel 2023, supporta diversi concetti ibridi che combinano le tecnologie di fusione emergenti con i design avanzati di coperta di fissione.

ITER e il percorso per la demo ibrida

ITER fornirà dati critici sulla fisica del plasma, sull'allevamento del trizio e sull'esecuzione delle coperte in un ambiente neutronico di fusione. Mentre i moduli di coperta di test di ITER sono progettati per l'allevamento di tritium di fusione pura, i dati generati su neutronici e danni materiali saranno direttamente applicabili alle coperte ibride. Alcuni ricercatori hanno proposto un esperimento ibrido ITER di seconda fase che inserisse una coperta di fissione in uno dei principali porti di riferimento, ma la nozione.

CFETR cinese e la mappa stradale Fusion-Fission

Il reattore di prova di ingegneria della fusione della Cina (CFETR) è un dispositivo di fusione proposto in un secondo momento che include una coperta di allevamento di tritium e, in alcune varianti di design, una coperta di fissione per l'operazione ibrida. Il team di progettazione CFETR ha pubblicato layout concettuali per una coperta ibrida che può raggiungere un TBR di 1.2 e un fattore di moltiplicazione di energia di 8, utilizzando una combinazione di combustibile di uranio esaurito e di energia elettrica di successo CFETR di energia elettrica di energia.

Venture per settore privato

Helion Energy, che sta sviluppando un concetto di confinamento magnetico pulsato utilizzando il combustibile D-He3, ha discusso la possibilità di circondare il suo nucleo di fusione con una coperta di fissione per aumentare la potenza di uscita e fornire servizi di trasmutazione dei rifiuti.

Considerazioni economiche e tempo di implementazione

Costo e competitività livellati

La stima del costo livellato dell'energia (LCOE) per un reattore ibrido è difficile dato che non è stato costruito alcun impianto del genere. I valori di LCOE del progetto di studi ingegneristici nell'intervallo da 60 a $120 per megawatt-hour per un primo impianto ibrido di tipo a basso costo, che scende a $40 a $ 70 per MWh per le unità di gassazione di energia.

I costi di capitale per i primi impianti di dimostrazione ibridi saranno elevati, probabilmente superiori a 5 miliardi di dollari per un impianto di 500 MWe, riflettendo il costo del nucleo di fusione, la fabbricazione di coperte, i sistemi di gestione remota e la conformità alle normative.

Termine per la distribuzione commerciale

Uno scenario di distribuzione realistico prevede il primo impianto di dimostrazione ibrido che raggiunge la prima potenza nei primi anni 2040, dopo il completamento del programma sperimentale di ITER e un periodo di progettazione e costruzione di 10 anni per la struttura ibrida.

Un importante passo avanti nella fisica del plasma della fusione, come il funzionamento costante-stato sostenuto al Q sopra 5, avrebbe rimosso un rischio tecnico chiave. Al contrario, i ritardi nella pianificazione o nella qualificazione dei materiali di ITER potrebbero spingere ulteriormente la linea temporale ibrida. La crescente urgenza del cambiamento climatico può fornire impulso politico ed economico per accelerare lo sviluppo ibrido, tanto quanto per le tecnologie avanzate di cattura del nucleare e del carbonio.

Un posto nel sistema energetico globale

I reattori ibridi a fusione non sostituiranno la fissione solare, eolica o convenzionale a breve termine, ma sono meglio compresi come complemento a lungo termine che può affrontare problemi specifici: gestione dei rifiuti, sicurezza dei combustibili e la necessità di una potenza di raffreddamento ferma e dispandibile a basso tenore di carbonio. In un sistema energetico del 2050 dominato dalle rinnovabili, gli ibridi potrebbero fornire il backstop dell'affidabilità che le batterie e la risposta alla domanda non possono fornire economicamente per lunghi periodi di impianto.

I paesi con grandi inventori di carburante accumulati, come gli Stati Uniti, la Francia, il Giappone e la Corea del Sud, stanno valutando attivamente le tecnologie che possono ridurre il peso a lungo termine di stoccaggio di rifiuti geologici. Gli ibridi offrono un percorso per consumare questi rifiuti mentre producono energia elettrica, trasformando una responsabilità in un bene. L'economia di smaltimento dei rifiuti (attualmente stimato a decine di miliardi di investimenti permanenti per paese potrebbe essere significativa.

La comunità di fusione ha una forte tradizione di partnership attraverso ITER e altri progetti multilaterali. L'estensione della collaborazione per includere lo sviluppo della coperta di fissione aumenterebbe i progressi e i costi di condivisione. La Serie Energetica Nucleare di IAEA e il Forum Internazionale Generazione IV hanno piattaforme che potrebbero essere adattate per lo sviluppo dei reattori ibridi. Un programma globale coordinato, modellato sull'approccio ITER ma su misura per gli ibridi, potrebbe fornire un impianto dimostrativo entro due decenni e aprire la porta alla distribuzione commerciale.

Gli ibridi di fusione-fissione non offrono una soluzione semplice o economica alla transizione energetica, richiedono un investimento sostenuto, un'ingegneria dei pazienti e un'evoluzione normativa che accolga una nuova classe di impianti nucleari, ma offrono qualcosa che nessun'altra tecnologia può corrispondere: la capacità di amplificare il potenziale della fusione attraverso l'ingegneria pratica della fissione, convertendo i rifiuti rinnovabili di lungo periodo dei reattori esistenti in energia utile.