Il potenziale dei reattori di Pwr veloci per la chiusura del ciclo di combustibile nucleare

La domanda globale di fonti energetiche sostenibili ed efficienti ha sempre più rivolto l'attenzione alla potenza nucleare, in particolare alle tecnologie di reattore avanzate che promettono di affrontare le preoccupazioni di lunga data sull'utilizzo dei rifiuti e delle risorse. Tra queste, i reattori ad acqua pressurizzata veloci (PWR) – una categoria che comprende reattori veloci raffreddati a sodio e reattori veloci raffreddati a piombo, a volte chiamati reattori veloci – e che si concentrano sulle loro potenzialità di chiudere il ciclo di combustibile nucleare.

Comprensione dei reattori PWR veloci

I reattori nucleari tradizionali in funzione oggi — soprattutto reattori ad acqua leggera (LWRs) — utilizzano neutroni termici (abbassati dai moderatori come l'acqua) per sostenere la fissione dell'uranio-235. I reattori veloci, al contrario, operano con neutroni non moderati, il che significa che essi conservano energia cinetica molto più elevata.

I reattori PWR veloci (un termine più ampio a volte utilizzato per i reattori veloci che utilizzano l'acqua come refrigerante ma con uno spettro neutronico più duro, sebbene più precisamente siano reattori veloci con una varietà di refrigeranti) possono "bruciare" una più ampia gamma di isotopi fissili, tra cui il plutonio-239 e altri elementi transuranici prodotti durante il normale funzionamento del reattore.

Il nucleo di un reattore veloce è più compatto, utilizzando una maggiore concentrazione di materiale fissile. Il refrigerante – spesso sodio liquido, piombo o eutettico piombo-bismuto – deve trasferire efficacemente il calore senza neutroni moderanti. Questo disegno consente anche temperature operative più elevate, che possono migliorare l'efficienza termica nella generazione di energia elettrica.]^]1]][F]

I proponenti sostengono che la chiusura del ciclo di combustibile ridurre drasticamente il volume e la tossicità dei rifiuti che richiedono lo smaltimento geologico. I residui, principalmente prodotti di fissione, hanno una radiotossicità che si decadifica ai livelli di sfondo di poche centinaia di anni anziché a decine di migliaia.]]]

Vantaggi dei reattori PWR veloci

• L'uso efficiente del combustibile:[ I reattori veloci possono utilizzare l'uranio-238—l'isotopo abbondante che compone oltre il 99% dell'uranio naturale— convertendolo al plutonio-239 attraverso la cattura dei neutroni, moltiplicando efficacemente il rendimento energetico dall'uranio conia con un fattore di 60–100.
• Riduzione del consumo:[] Con la combustione di elementi transuranici, i reattori veloci riducono la radiotossicità a lungo termine dei rifiuti.
• Resistenza alla proliferazione:[] I metodi di rielaborazione avanzata, come il piroprocessing o la famiglia UREX+, possono essere progettati per evitare la separazione del plutonio puro, invece il plutonio co-rivestimento con azionamenti minori per creare una miscela meno attraente per l'uso delle armi, migliorando la resistenza alla proliferazione rispetto alla rielaborazione PUREX convenzionale.
• Risorsa sostenibile:[] Con capacità di allevamento (produrre più materiale fissile che consumato), reattori veloci potrebbero consentire un ciclo di combustibile autosufficiente che non richiede un nuovo estrazione dell'uranio per molti decenni.
• L'onere dello smaltimento ridotto:[ Il flusso di rifiuti finale di un ciclo chiuso contiene principalmente prodotti di fissione, che si decadono entro poche centinaia di anni, che potrebbero semplificare il disegno e ridurre la supervisione istituzionale richiesta per i depositi geologici.

Sfide che affrontano il rapido sviluppo PWR

Tecnica e Ingegneria Hurdles

L'alto flusso di neutroni può causare gonfiore, embrionamento e strisciamento in leghe strutturali. I refrigeranti di sodio, mentre eccellenti a trasferimento termico, sono chimicamente reattivi con aria e acqua, che richiedono sistemi di sicurezza complessi per prevenire perdite e incendi. I progetti raffreddati a piombo mitigano questa reattività, ma affrontano problemi di corrosione e di fusione più elevati che complicano le operazioni di avvio e di arresto.

La tecnologia di rielaborazione del combustibile per reattori veloci è più esigente che per il combustibile LWR convenzionale. I livelli di radiazione elevati da attuanti minori richiedono cellule calde fortemente schermate e apparecchiature di manipolazione a distanza.

Viabilità economica

I reattori veloci hanno costi di capitale più elevati rispetto ai LWR a causa di sistemi più complessi, materiali nuovi e la necessità di impianti di fabbricazione e ritrattamento del combustibile in loco. L'economia diventa favorevole solo quando i prezzi dell'uranio aumentano in modo significativo o quando il valore del risparmio di smaltimento dei rifiuti è internato.

Tuttavia, l’analisi del ciclo di vita mostra che l’impiego di reattori veloci potrebbe ridurre i costi totali del sistema riducendo il numero di depositi geologici necessari e estendendo le risorse di combustibile. Alcuni paesi — Francia, Giappone, Russia e India — hanno investito pesantemente in programmi di reattore veloci, con il reattore BN-800 della Russia che opera commercialmente dal 2016.

Fattori normativi e politici

La licenza di un reattore veloce è un processo lento perché comporta un nuovo design senza una lunga storia operativa. I regolatori richiedono la dimostrazione della sicurezza in una vasta gamma di scenari di incidente, compresi quelli unici a sistemi di raffreddamento a sodio o piombo. L'accettazione pubblica rimane anche un ostacolo, in particolare per quanto riguarda il ritrattamento e il trasporto di materiali altamente radioattivi.

La cooperazione internazionale e la standardizzazione dei codici di progettazione potrebbero accelerare l'approvazione, mentre l'Agenzia internazionale per l'energia atomica (IAEA) ha sviluppato linee guida per la sicurezza dei reattori veloci, ma le differenze nazionali persistono.

Ricerca in corso e di Outlook futuro

Programmi e dimostrazioni globali

La Russia porta con BN-600 e BN-800 (con raffreddamento a sodio) e sta costruendo il BREST-300 (con raffreddamento a piombo) presso la siberiana Chemical Combine. L’India opera il FBTR e sta costruendo un reattore rapido a prototipi da 500 MWe.

Il Monju del Giappone è stato chiuso definitivamente nel 2016, ma la ricerca continua a JAEA. Gli Stati Uniti, mentre non attualmente operano un reattore veloce, finanziano il progetto Versatile Test Reactor (VTR) per fornire una capacità di irradiazione a neutroni veloci per il test di combustibile e materiali.

Innovazioni nel settore del combustibile e del ritrattamento

I combustibili avanzati, come leghe metalliche, i combustibili nitrudici e i combustibili ad alta densità, sono in fase di indagine per migliorare le prestazioni, i margini di sicurezza e il bruciore. La ricerca di partizione e trasmutazione (P&T) mira a sviluppare processi che separano gli attini minori ad alta efficienza e poi li incorporano in combustibile per reattori veloci.

Il progetto MYRRHA in Belgio (reattore multiuso di ricerca ibrida) e il progetto ALLEGRO in Europa sono esempi di impianti a spettro rapido di prossima generazione che testano materiali e combustibili in condizioni rappresentative.

Integrazione con l'energia rinnovabile

I reattori veloci sono tipicamente progettati per il funzionamento del carico base, ma alcuni concetti incorporano capacità di carico-sfollowing o stoccaggio di energia termica per integrare le rinnovabili variabili. In un futuro sistema energetico in cui dominano il solare e il vento, i reattori veloci potrebbero fornire energia costante e dispandibile, mentre simultaneamente la gestione dei rifiuti nucleari dai reattori esistenti.

Potenziale per piccoli reattori veloci modulari

Diversi start-up e organizzazioni di ricerca stanno esplorando piccoli reattori veloci modulari (SMFR) con uscite di 10–300 MWe. Questi sarebbero fabbricati, riducendo i costi di costruzione del sito e consentendo lo spiegamento in aree remote o per applicazioni specializzate (ad esempio, calore di processo per la produzione di idrogeno).

Conclusioni

Il potenziale dei reattori PWR veloci e dei reattori veloci in generale, per chiudere il ciclo del combustibile nucleare è notevole, offrono un percorso di quasi energia nucleare priva di rifiuti, con una radiotossicità a lungo termine notevolmente ridotta e un approvvigionamento di carburante più sostenibile. Tuttavia, le sfide tecniche, economiche e regolamentari rimangono significative.

Se queste sfide possono essere superate, i reattori veloci potrebbero trasformare l'energia nucleare in una fonte energetica praticamente inesauribile e a basso tenore di carbonio che risolve il problema dei rifiuti piuttosto che aggravarlo. Il prossimo decennio di ricerca e dimostrazione sarà fondamentale nel determinare se questa visione diventi una pietra angolare della strategia energetica globale.

¹] Per ulteriori informazioni sulla fisica dei reattori veloci, vedere il [ Portale di conoscenza del reattore rapido [[.

^2[] Associazione Mondiale Nucleare ]Procedimento del Nucleare Usato.

Lettura aggiuntiva: Generazione IV Forum Internazionale – Reattori veloci[ e ]NRC Reattori avanzati.