Introduzione

Mentre la comunità globale intensifica la ricerca di fonti energetiche a basso tenore di carbonio che possono soddisfare la domanda di elettricità di base, l'energia nucleare rimane una componente critica della conversazione. Mentre i reattori convenzionali di acqua leggera alimentati da uranio arricchito dominano la flotta esistente, un corpo crescente di punti di ricerca verso un ciclo di combustibile alternativo incentrato su torio.

Comprendere il torio come combustibile nucleare

Il toro è un elemento naturale, leggermente radioattivo (numero atomico 90) che è approssimativamente tre a quattro volte più abbondante nella crosta terrestre rispetto all’uranio.

Il ciclo del combustibile del torio può essere utilizzato sia in uno spettro termico di neutroni (supportato da un moderatore come la grafite o l'acqua pesante) sia in uno spettro neutronico rapido. Nei progetti di spettro termico, l'efficienza di conversione da Th-232 a U-233 può essere molto elevata, portando a rapporti di allevamento teorici vicino all'unità.

Thorium vs. Uranium: A Panoramica comparativa

La differenza fondamentale tra i due cicli di combustibile deriva dal loro makeup isotopico e dall'economia di neutroni. I reattori di uranio si affidano alla piccola frazione di U-235 in uranio naturale (0,7%) e spesso richiedono un arricchimento al 3-5 %. I reattori di torio, al contrario, dipendono dall'allevamento in situ di U-233.

  • L'abbondanza di riserve di torio è ampiamente diffusa nelle sabbie monazite e in altri minerali, con depositi importanti in India, Australia, Brasile e negli Stati Uniti. Le risorse di torio globale stimate sono sufficienti per secoli di produzione di energia a tassi di consumo attuali.
  • Profilo di aste:[ Il ciclo di combustibile del torio genera un inventario più piccolo di elementi transuranici (plutonium, americium, curium) perché gli isotopi più alti del numero atomico sono prodotti in quantità molto più basse. I prodotti di scarto primario sono prodotti di fissione con semi-live più brevi, e U-233 stesso possono essere riciclati.
  • Rischi di proliferazione:[ L'U-233 prodotto nei reattori del torio è contaminato con U-232, un forte emettitore gamma. Ciò rende la manipolazione U-233 estremamente pericolosa e complica la diversione per l'uso delle armi. Inoltre, il ciclo del torio evita l'accumulo di plutonio di grado di arma che caratterizza i cicli di combustibile dell'uranio.
  • Forma di vitamina:[] L'anidride di torio (ThO2) è una ceramica altamente stabile con un punto di fusione più alto e una minore conducibilità termica rispetto al diossido di uranio (UO2). Inoltre, mostra una maggiore resistenza chimica alla corrosione e ai danni alle radiazioni durante i lunghi periodi di combustione.

I principi scientifici dei reattori a base di torio

Per capire come funzionano i reattori del torio, bisogna cogliere il concetto di un “breeder” o “converter”. In un reattore del torio, il nucleo è costituito da Th-232 fertile e da una piccola quantità di materiale di avviamento fissile. Come procede la reazione della catena, alcuni neutroni sono assorbiti da Th-232, creando Th-233, che beta-decay a Pa-233 (half-life ~-23 giorni) e poi a U-23

I reattori del torio più proposti operano in uno spettro termico di neutroni, perché la sezione trasversale di neutroni di Th-232 è più alta alle energie termiche di quella di U-238, l'isotopo fertile nei reattori dell'uranio. Questa capacità di allevamento termico è unica; i reattori dell'allevamento dell'uranio richiedono tipicamente uno spettro neutronico veloce.

In pratica, un reattore di torio deve essere progettato con una sorgente di neutroni (ad esempio, uranio arricchito, plutonio, o una fonte di spallazione acceleratore) per avviare il ciclo. Una volta stabilito, l'inventario U-233 può essere riciclato, riducendo il fabbisogno di alimentazione esterno.

Disegni reattore chiave e le loro caratteristiche

Sono stati proposti o testati diversi progetti di reattori per l'utilizzo del torio, che rientrano in tre grandi categorie: reattori a combustibile fluido (sala di colata), reattori a combustibile solido (assemblaggi a combustibile convenzionale), sistemi a motore acceleratore, ciascuno ha caratteristiche operative e stato di sviluppo.

Reattori di sale Molten (MSR) e il reattore di torio di fluoro liquido (LFTR)

Il reattore a torio più ampiamente discusso è il reattore a sale fuso, in particolare il reattore a fluoro liquido (LFTR). In un MSR, il combustibile viene dissolto in una miscela di sale a fluoro fuso (ad esempio, LiF-BeF2 o NaF-ZrF4) che circola attraverso il nucleo del reattore. Il sale agisce come combustibile e refrigerante, eliminando la necessità di una solida fabbricazione di combustibile Key.

  • Funzionamento a bassa pressione:[] I sali Molten a ~600–700°C hanno punti di ebollizione elevati, in modo che il reattore possa operare a pressione quasi atmosferica, riducendo il rischio di un incidente di perdita di raffreddamento.
  • Ritrattamento continuo:[ Il combustibile liquido può essere circolato attraverso un'unità di elaborazione chimica on-line per rimuovere prodotti di fissione (soprattutto veleno di neutroni come xenon-135) e per estrarre l'U-233 allevato per la reintroduzione.
  • Sicurezza eterna:[ Il reattore ha forti coefficienti di temperatura e vuoto negativi, e una spina di congelamento nella parte inferiore del nucleo può drenare il combustibile in un serbatoio di rimozione passivo di calore di decadimento in caso di surriscaldamento.
  • minimizzazione del consumo:[ La rimozione continua dei prodotti di fissione riduce la radiotossicità a lungo termine dell'inventario del combustibile, e i prodotti di fissione stessi possono essere immagazzinati come solidi stabili.

Il progetto LFTR impiega in genere una configurazione a due flussi: un sale di coperta contenente Th-232 che circonda un sale di base contenente U-233. Neutron che trapelano dalla razza di nucleo U-233 nella coperta, che viene poi separato e alimentato nel nucleo.

Reattori di torio solido-fune

I progetti di combustibili solidi impiegano pellets o barre di combustibile contenenti ossido di torio mescolato con uranio arricchito o plutonio come combustibile "driver".

  • Reattori ad acqua pesante pressurata (PHWRs): I reattori CANDU del Canada, che utilizzano l'acqua pesante come moderatore, possono raggiungere un'alta economia di neutroni e sono in grado di funzionare su un combustibile di ossido misto di torio-uranio.
  • Reattori ad acqua bollente (BWRs) e Reattori ad acqua pressurizzata (PWRs):[ Il combustibile a ossido misto a plutonio-toio è stato testato in reattori ad acqua leggera convenzionali, ma la penalità neutronica (più basso rapporto di moderazione) e i requisiti di arricchimento più elevati lo rendono meno attraente rispetto ai progetti MSR.
  • Reattori a gas ad alta temperatura (HTGRs):[ I disegni a base di legno Prismatico o di ciottoli con combustibile a particelle rivestite possono utilizzare il torio nel rivestimento TRISO. Le alte caratteristiche di masterizzazione e sicurezza di HTGR sono compatibili con i combustibili del torio, anche se lo sviluppo è ancora presto.

I reattori a torio solido affrontano sfide legate alla fabbricazione del combustibile, al ritrattamento e alla necessità di gestire il pa-233 intermedio (che assorbe i neutroni e può ridurre l'efficienza riproduttiva). L'irradiazione inomogenea del torio in combustibile solido crea anche un U-233, altamente radioattivo e generante dal calore.

Sistemi acceleratori (ADS)

In un ADS, un raggio di protone ad alta energia colpisce un bersaglio pesante (ad esempio, piombo o tungsteno) per produrre una fonte di neutroni a spallazione. Questi neutroni sono diretti in un assemblaggio subcritico contenente combustibile del torio. Il sistema opera sotto la condizione critica, il che significa che la reazione della catena non può sostenere se stessa senza il raggio esterno.

Vantaggi dei sistemi nucleari a base di torio

Il rinnovato entusiasmo per il torio è fondato in numerosi vantaggi potenziali ben riconosciuti rispetto al ciclo convenzionale dell'uranio-plutonium, ma è importante notare che questi vantaggi dipendono fortemente dalla progettazione specifica del reattore e dall'architettura del ciclo del combustibile.

Profili di sicurezza migliorati

Molti reattori del torio, specialmente quelli del sale fuso e quelli dell'acceleratore, operano a bassa pressione e si affidano alla rimozione passiva del calore del decadimento. I reattori del sale Molten eliminano il rischio di esplosioni dell'idrogeno (come si è verificato a Fukushima) perché non c'è acqua nel circuito primario. Il combustibile è già in forma liquida, quindi il nucleo si scioglie come si intende nei reattori a combustibile solido non si applica.

Riduzione dei rifiuti radioattivi a lungo raggio

I risultati ottenuti sono stati ottenuti in modo più rapido e più rapido, ma il numero di casi di incidenti è stato ridotto.

Rifornimento e resistenza alla proliferazione di carburante

Il toro è molto più abbondante dell’uranio, con risorse recuperabili stimate a diversi milioni di tonnellate. Molti paesi con riserve di uranio limitate (ad esempio, India, che ha il più grande deposito di torio) considerano il torio come un bene strategico di sicurezza energetica.

Sfide e ostacoli alla commercializzazione

Nonostante i suoi vantaggi teorici, la tecnologia del torio non ha ancora raggiunto la redditività commerciale, e molte barriere tecniche, economiche e regolamentari devono essere superate prima che i reattori del torio possano essere schierati in scala.

Sfide tecniche e materiali

Per i reattori di sale fuso, la corrosione dei materiali rimane una preoccupazione primaria. I sali di fluoro Molten sono chimicamente aggressivi, soprattutto a temperature elevate e sotto irradiazione. I superlloy a base di nichel e grafite sono stati testati, ma le prestazioni a lungo termine in un ambiente di reattore non sono dimostrate.

Per i reattori a torio solido, la fabbricazione di pellet a combustibile a base di torio pone sfide a causa dell'alta temperatura di cottura (circa 1700°C) e della bassa conducibilità termica di ThO2 rispetto all'UO2. Il rielaborazione del combustibile a torio irradiato è più difficile di quello dell'uranio progettato a causa della stabilità chimica di ThO2 e della presenza di impianti di riciclo dei costi di U-233 e U-233 Exuranio.

Barriera economica e infrastrutturale

L'industria nucleare globale ha investito miliardi di dollari in catene di approvvigionamento di carburante per l'uranio, in impianti di arricchimento e in impianti di reattore ad acqua leggera.

Un'altra considerazione economica è la necessità di un materiale fissile antipasto, anche in un allevatore di torio, il primo nucleo deve contenere U-235 o plutonio per avviare la reazione della catena.

Il paesaggio regolamentare e licensing

I reattori di sale, con il loro combustibile liquido, il ritrattamento continuo e il rifornimento on-line, non si adattano perfettamente alle categorie di licenze attuali. La Commissione di controllo degli incidenti nucleari degli Stati Uniti, per esempio, ha appena iniziato a sviluppare un quadro per i reattori non leggeri.

Iniziative globali attuali e progetti pilota

Diversi paesi stanno attivamente perseguendo la ricerca e lo sviluppo del reattore del torio, spesso con piccole strutture sperimentali o programmi finanziati dal governo.

  • India: L'India ha il programma di torio più ambizioso, guidato dalle sue grandi riserve di torio e uranio limitato. Il Dipartimento indiano dell'energia atomica ha sviluppato un piano a tre stadi: (1) utilizzare PHWR per generare plutonio; (2) utilizzare plutonio per alimentare reattori veloci e produrre U-233 da tho-23 WR; (3)
  • Cina: La Cina ha lanciato uno sforzo concertato per sviluppare la tecnologia dei reattori di sale fuso. L'Istituto di Fisica Applicata di Shanghai (SINAriumP) sta costruendo un reattore sperimentale di sale fuso 2 MWt (TMSR-LF1) nella provincia di Gansu, che dovrebbe essere operativo entro la fine del 2020. L'obiettivo a lungo termine è un MSR di dimostrazione di 100 MWe del 2035.
  • Norvegia:[] Thor Energy, una società norvegese privata, ha condotto test di irradiazione del combustibile di ossido misto di torio-plutonio nel reattore di ricerca Halden, il cui lavoro mira a dimostrare la fattibilità del combustibile di torio nei LWR esistenti senza modifiche importanti.
  • Stati Uniti:[] Aziende private come TerraPower (con il suo Molten Chloride Fast Reactor), Moltex Energy (con un reattore di sale stabile), e altri stanno cercando le autorizzazioni. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha fornito sovvenzioni per le dimostrazioni di reattori avanzate, anche se alcuni progetti di torio specifici non sono stati ancora selezionati per la distribuzione su larga scala.
  • Internazionale:] L'Agenzia Internazionale per l'Energia Atomica (IAEA) mantiene una rete di coordinamento del ciclo di combustibile del torio e pubblica rapporti tecnici sul torio[. Il Forum Internazionale Generazione IV comprende reattori di sale fuso e reattori veloci raffreddati a gas tra i suoi progetti candidati, con combustibili del torio considerati come opzioni.

Il futuro del torio nel Global Energy Mix

Predivisione della linea temporale per la commercializzazione dei reattori di torio è incerta, dato che nessun reattore di potenza a pieno torio ha mai operato, e che i progetti di costruzione nucleare in tutto il mondo affrontano i sovraccarichi e i ritardi di costo, è ragionevole aspettarsi che il torio non darà un contributo sostanziale alla generazione di elettricità prima del 2040-2050, tranne forse nelle applicazioni di nicchia come il calore di alimentazione remota o di processo.

Tuttavia, il torio potrebbe svolgere un ruolo più significativo in contesti specifici. I paesi con grandi riserve di torio (India, Brasile, Australia) possono considerare il torio come un modo per ridurre la dipendenza dall'importazione.

Gli approcci integrati, come l'accoppiamento dei reattori del torio con impianti di dissalazione, la produzione di idrogeno o il calore industriale, potrebbero fornire flussi di reddito anticipati e giustificare progetti pilota. Ad esempio, i sistemi di riscaldamento industriale ad alta temperatura possono produrre calore a 700-800°C, adatti per processi chimici o per la produzione di combustibile sintetico, ampliando il loro mercato oltre l'elettricità di base.

Conclusioni

I reattori a base di torio offrono una visione convincente per la prossima generazione di energia nucleare: più sicura, più pulita e più sostenibile dei cicli dell'uranio di oggi. La fisica e la chimica fondamentali sono ben consolidate e i potenziali benefici— sicurezza potenziata, scarti ridotti, combustibile abbondante e resistenza alla proliferazione—sono reali, anche se sono contingenti su progetti specifici di reattori e scelte ciclo di combustibile.

I progetti di ricerca e di pilota in corso, in particolare in India e in Cina, stanno ponendo le basi per un eventuale implementazione. Il successo di queste iniziative dipende dalla volontà politica sostenuta, dall’innovazione nella scienza dei materiali e dal rielaborazione, e da un ambiente normativo che può ospitare nuove architetture dei reattori.