La sfida crescente dei rifiuti nucleari

L'accumulo di combustibile nucleare spesi da decenni di produzione di energia commerciale presenta una delle sfide ambientali e di sicurezza più persistenti dell'era atomica. La maggior parte delle nazioni attualmente immagazzinano questi rifiuti di alto livello in impianti progettati, la pianificazione di smaltimento definitivo in depositi geologici profondi - una soluzione che richiede il contenimento per centinaia di migliaia di anni.

Cosa sono i Reattori Fast Neutron?

I reattori ad alta energia rappresentano una classe di reattori di fissione nucleare progettata per sostenere una reazione a catena utilizzando neutroni ad alta energia, in contrasto con i neutroni termici (slow) utilizzati nei reattori ad acqua leggera (LWR) e altri progetti convenzionali. La caratteristica di definizione di un FNR è l'assenza di un moderatore di neutroni, un materiale come l'acqua o la grafite che rallenta i neutroni alle energie termiche.

Nel rapido spettro, la probabilità di fissione per alcuni isotopi pesanti, in particolare il plutonio-239 e gli attini minori, è significativamente più elevata rispetto alle reazioni di cattura che creano isotopi più alti di massa. Inoltre, i neutroni veloci possono convertire efficacemente materiali fertili come l'uranio-238 (che fa registrare oltre il 99% di uranio naturale) direttamente in ciclo di fissione.

Nel 1940 e nel 1950, con il primo reattore sperimentale veloce, Clementine, consegue la criticità negli Stati Uniti nel 1946. L'Unione Sovietica in seguito ha condotto il mondo in reattori veloci operativi, con i reattori BN-350 (1973) e BN-600 (1980) di razza primaria, quest'ultimo ancora operativo oggi.

Design e scelta di refrigerante

Poiché i neutroni veloci richiedono un nucleo denso con un inventario ad alta fissile e una rimozione efficiente del calore, i reattori veloci si affidano a refrigeranti con eccellenti proprietà di trasferimento termico e moderazione a basso neutrone. Tre tecnologie di refrigerante primario sono state sviluppate e provate in scala: sodio liquido, piombo (o eutettica piombo-bismuto), e gas elio.

  • Sodio liquido: Il refrigerante del reattore veloce più ampiamente usato, con decenni di esperienza operativa in Russia (BN-600/BN-800), Francia (Phénix, Superphénix), Giappone (Joyo, Monju), e India (FBTR)) Il sodio ha un alto punto di ebollizione (883°C), eccellente conducibilità termica, e presenta in modo significativo moderata.
  • I refrigeranti a base di piombo offrono vantaggi di sicurezza sul sodio perché sono chimicamente inerti in aria e acqua, eliminando il rischio di reazioni energetiche. LBE è stato utilizzato nei reattori sottomarini russi (Alfa-class) ed è la base per diversi progetti di corrosione di prossima generazione, come il BREST-Oround.
  • Gas elio:[] I reattori veloci raffreddati a gas (GFR) utilizzano l'elio ad alta pressione come refrigerante, consentendo il funzionamento a ciclo diretto a temperature superiori a 850°C, che consente un'elevata efficienza termodinamica e potenziali applicazioni di calore di processo.

In tutti i progetti FNR, i gruppi di combustibile devono sopportare elevati flussi di neutroni e temperature. Le opzioni di carburante includono ossido misto (MOX, una miscela di uranio e ossido di plutonio), leghe metalliche (tipicamente uranio-plutonium-zirconium), e carburo o nitride combustibili.

Come veloci Reattori Neutron Ridurre i rifiuti nucleari

La capacità di riduzione dei rifiuti dei reattori veloci deriva dalla loro capacità di trasmutare gli elementi transuranici a lungo termine che dominano la radiotossicità del combustibile nucleare speso. Quando il combustibile di un reattore termico viene ritratta, circa il 96% della massa è l'uranio (per lo più U-238), l'1% è il plutonio, il 2-3% sono prodotti fissili (come il cesio-137 e il curame-90).

In uno spettro neutronico rapido, questi transuranici possono essere fissionizzati in modo efficiente, trasformandoli in un mix di prodotti fissili di breve durata. Ad esempio, la fissione di un singolo plutonio-239 rilascia circa 200 MeV di energia e produce due nuclei più piccoli che generalmente hanno una mezza vita di decenni o meno.

Chiusura del ciclo di combustibile nucleare

Un ciclo di combustibile chiuso, in cui il combustibile speso viene ritratta per recuperare il plutonio e altri transuranici per il riutilizzo nei reattori veloci, è la chiave per la riduzione dei rifiuti e l'efficienza delle risorse.

Le tecnologie di ritrattamento, come il processo PUREX, possono separare il plutonio e l'uranio dai prodotti fissili; tuttavia, per ottenere una riduzione significativa dei rifiuti, i metodi di separazione avanzati (ad esempio GANEX, SANEX) sono tenuti a estrarre tutti i transuranici insieme senza isolare il plutonio da soli, ciò impedisce alle armi di proliferare i secoli e alimenta un sistema di montaggio multirecitato.

Impatto quantitativo sui volumi di rifiuti

Secondo gli studi effettuati dal reattore atomico ] e dai laboratori nazionali, una flotta di reattori veloci che operano in un ciclo chiuso potrebbe ridurre la massa di rifiuti ad alto livello che richiedono uno smaltimento permanente di oltre il 90% rispetto ad un ciclo di riduzione.

Vantaggi dei Reattori Fast Neutron per la gestione dei rifiuti

I vantaggi principali dei FNR si estendono oltre la riduzione dei rifiuti da soli, la loro capacità di estrarre quasi tutta l'energia dalle risorse dell'uranio e del torio li rende una pietra angolare dell'energia nucleare sostenibile.

  • Burn-Up trasuranico:[ Sotto l'irradiazione rapida ottimizzata dei neutroni, un singolo FNR può bruciare più di 30 kg di elementi transuranici per tonnellata di combustibile consumato.
  • Ridotto minerario e fresatura:[] Riutilizzando combustibile riciclato e convertendo U-238 in nuovo materiale fissile, i reattori veloci riducono la necessità di un nuovo estrazione dell'uranio da un fattore di 50-100 rispetto ai reattori una volta-attraverso.
  • Reduced Long-Term Storage Requisiti:[ Con la radiotossicità dei rifiuti che scende al livello di uranio naturale entro 200-500 anni invece di 200.000-1.000.000 di anni, il peso su un deposito geologico è notevolmente diminuito. Ciò significa che sono necessari meno depositi, e possono essere progettati con caratteristiche di sicurezza più semplici e passive.
  • La flessibilità nella composizione del combustibile:[] I reattori veloci possono essere avviati su uranio arricchito, MOX, o persino su combustibili di plutonio puro, e possono essere gradualmente trasferiti a combustibili contenenti quantità crescenti di azionamenti minori.
  • I reattori veloci possono servire come mezzo sicuro e produttivo per consumare il plutonio delle armi eccedenti, convertendolo in energia rendendolo inaccessibile per l'uso delle armi. Gli Stati Uniti e la Russia hanno entrambi esplorato questa opzione in accordo di non proliferazione, anche se rimangono sfide politiche.

Sfide e ostacoli per il dispiegamento rapido di Neutron

Nonostante questi vantaggi, nessun paese ha ancora implementato un reattore commerciale veloce che opera principalmente per la trasmutazione dei rifiuti.

Sfide tecniche

  • I materiali degradanti: Il flusso di neutroni ad alta energia nei reattori veloci è circa 10 volte più dannoso per i materiali strutturali che nei reattori termici. Gli acciai inossidabili e leghe a base di nichel sperimentano gonfiore, embrionamento e strisciamento a temperature elevate.
  • La manipolazione e la sicurezza del sodio: Mentre il refrigerante del sodio offre una migliore rimozione del calore, la sua reattività chimica richiede soluzioni ingegneristiche complesse: i loop intermedi di sodio per isolare la turbina, i gas di copertura inerti e i sistemi per rilevare e sopprimere gli incendi di sodio.
  • Fuel Fabrication Complexity:[] Il combustibile di fabbricazione che contiene americium e curium presenta sfide uniche. Questi materiali sono altamente radioattivi e richiedono una manipolazione remota nelle cellule calde schermate. Am-241 in particolare emette forti raggi gamma, rendendo la sua incorporazione in pellet di combustibile difficile.
  • Controllo e sicurezza del vapore:[ I reattori veloci hanno una frazione di neutroni più piccola e un coefficiente di vuoto di sodio positivo in alcuni progetti, il che significa che la perdita di refrigerante può aumentare la reattività.

Barriera economica e regolamentare

I reattori veloci sono intrinsecamente più costosi da costruire che i reattori ad acqua leggera, a causa della necessità di pareti a vaso denso, grandi inventori di refrigeranti, sistemi di trasporto termico intermedio e impianti di manutenzione a distanza. Il costo di capitale di un reattore rapido raffreddato a sodio è stimato essere 30-50% più alto di un equivalente LWR, anche dopo gli effetti di apprendimento.

I sistemi di regolazione della maggior parte dei paesi sono stati sviluppati per i reattori termici e non possono adeguatamente affrontare le caratteristiche uniche dei FNRs, in particolare gli scenari di incidenti del refrigerante del sodio e l'uso di combustibili riciclati contenenti azionamenti minori.

Programmi di Reattore Veloce Corrente intorno al mondo

Solo una manciata di nazioni mantengono programmi di sviluppo reattore rapido attivo, ma quelli che vedono la tecnologia come essenziale per le loro strategie di energia e di rifiuti a lungo termine.

  • Russia:] La nazione leader nel rapido implementazione del reattore. Il BN-600 (600 MWe) è stato operativo dal 1980, e il più grande BN-800 (880 MWe) ha iniziato l'operazione commerciale nel 2016. Entrambi utilizzano il refrigerante del ciclo di sodio. Il BN-800 è specificamente progettato per bruciare il plutonio e gli attuanti minori ritrattati dalla LWR speso combustibile.
  • India:] India gestisce il reattore di prova rapido 40 MWt (FBTR) a Kalpakkam dal 1985, utilizzando un combustibile mista. Il reattore rapido rapido a corto raggio di 500 MWe Prototype (PFBR) è in costruzione e si prevede di raggiungere la criticità in breve, con piani per una flotta di sei reattori veloci aggiuntivi di 2035.
  • Cina:] La Cina ha in funzione il Reattore veloce sperimentale cinese 65 MWt (CEFR) in funzione dal 2010, utilizzato per i test di materiali e combustibili.
  • Giappone:[] Dopo che il reattore Monju è stato definitivamente spento nel 2016, il Giappone mantiene il reattore di prova Joyo (100 MWt) per gli studi di irradiazione e continua la ricerca sui reattori veloci raffreddati a sodio e a piombo-bismuth attraverso l'Agenzia per l'energia atomica Giappone (JAEA), concentrandosi sulla trasmutazione dei rifiuti.
  • Stati Uniti:[] Nessun reattore veloce operativo dal EBR-II (shutdown 1994) e FFTF (shutdown 1992), tuttavia il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta finanziando il reattore Natrium (un reattore rapido raffreddato a sodio di 345 MWe con un sistema integrato di stoccaggio di energia del sale) sviluppato da TerraPower e GE Hitachi, selezionato come progetto di dimostrazione Advanced
  • France:[] Phénix e Superphénix sono entrambi dismessi. Il progetto ASTRID, inteso a dimostrare la trasmutazione dei rifiuti, è stato cancellato nel 2019. La Francia ora si concentra sulla tecnologia avanzata di rielaborazione PUREX e supporta lo sviluppo rapido del reattore internazionale attraverso CEA e Framatome.

Le organizzazioni internazionali come il ]Forum Internazionale di Generazione IV (GIF) continuano a coordinare la ricerca veloce dei reattori tra i paesi membri, con l'accento sulla sicurezza, la sostenibilità e la non proliferazione. L'IAEA mantiene database e organizza conferenze per facilitare la condivisione delle conoscenze. World Nuclear Association fornisce aggiornamenti completi di gestione dello stato dei reattori veloci.

Il futuro dei FNR nella strategia di gestione dei rifiuti

In primo luogo, i LWR esistenti continuano a funzionare mentre il combustibile speso viene immagazzinato in attesa di rielaborazione. In secondo luogo, gli impianti di rielaborazione pilota sono costruiti per separare i transuranici dal combustibile speso LWR. In terzo luogo, i transuranici separati sono fabbricati in combustibile di avvio per i reattori veloci di primo grado. Quarto, questi reattori veloci cominciano a funzionare, bruciando i transuranti gradualmente.

La dimensione ottimale della flotta dipende dalla quantità di combustibile speso da consumare e dal tasso a cui si generano nuovi rifiuti LWR. La modellazione dell'Agenzia per l'Energia Nucleare dell'OCSE suggerisce che una combinazione di rielaborazione e reattori veloci di costi diviene competitiva con uno smaltimento una volta-attraverso quando i prezzi dell'uranio aumentano di oltre $20/kgU (i prezzi correnti sono intorno a $50-

Un ciclo di combustibile chiuso che coinvolge flussi di plutonio puro aumenta i rischi di proliferazione. I processi di separazione avanzati come la serie UREX+ sono progettati per mantenere il plutonio mescolato con gli azionamenti minori: questo plutonio "denaturato" è meno attraente per l'uso delle armi perché richiede una separazione isotopica complessa per rimuovere le caratteristiche di degrado fastidioso del gasolio-241.

L'accettazione da parte del pubblico e del regolatore dipenderà da prestazioni di sicurezza dimostrate. I BN-600 e BN-800 russi esistenti hanno accumulato oltre 80 anni di funzionamento sicuro, fornendo un forte record di traccia operativa. I progetti dimostrativi pianificati negli Stati Uniti, India e Cina dovranno replicare questa performance nei loro rispettivi ambienti normativi.

Conclusioni

I reattori a neutroni veloci offrono uno strumento tecnicomente maturo e fisicamente potente per ridurre le scorte di rifiuti radioattivi di lunga durata che si sono accumulate da decenni di produzione di energia nucleare.