Introduzione

I reattori veloci di allevamento (FBR) rappresentano una classe di reattori nucleari distinta per operare con neutroni veloci, che mantengono un'energia cinetica elevata, piuttosto che essere rallentata da un moderatore.

Fondamenti della tecnologia del reattore di Breeder Veloce

Fast Neutron Spectrum e Core Design

I reattori nucleari tradizionali, come i reattori ad acqua pressurizzata (PWR) o i reattori ad acqua bollente (BWR), utilizzano un moderatore (tipicamente acqua leggera o grafite), per rallentare i neutroni fissili alle energie termiche.

Poiché i neutroni veloci sono meno efficienti nell’indurre la fissione nell’uranio-235, il nucleo di un FBR deve avere una maggiore concentrazione di materiale fissile rispetto a un reattore termico. Il nucleo è costituito tipicamente da combustibile di ossido misto (MOX) contenente una miscela di diossido di plutonio (PuO2) e diossido di uranio (UO2), spesso con frazioni di plutonio che vanno dal 15% al 30%.

Raffreddanti per reattori veloci

I reattori veloci non possono utilizzare l'acqua come refrigerante perché l'acqua agisce come moderatore, rallentando i neutroni. Invece, si basano su refrigeranti con bassa potenza di moderazione e ad alte capacità di trasferimento di calore. La scelta più comune è il sodio liquido, che ha un alto punto di ebollizione (882°C) e un'eccellente conducibilità termica.

Come rapidamente reattori di allevamento possono ridurre i rischi di proliferazione nucleare

Utilizzo efficiente del materiale di fissile e delle scorte di Plutonio ridotte

In un ciclo di combustibile, il combustibile speso dai reattori termici contiene ancora quantità significative di plutonio e altri elementi transuranici. Questo combustibile speso è una preoccupazione di proliferazione perché, se ritrattato, il plutonio potrebbe essere separato e utilizzato per le armi nucleari.

Inoltre, i FBR possono essere progettati per operare con un rapporto di allevamento vicino a uno (cioè, producendo circa quanto materiale fissile come consumano) o anche sotto uno (come un "bruciatore" o "converter"). Nella configurazione del bruciatore, il reattore consuma più plutonio di quanto si produce, che è vantaggioso per ridurre le scorte.

Resistenza alla proliferazione inerente tramite composizione del combustibile

Il plutonio prodotto in reattori ad alta velocità non è necessariamente di qualità ideale per le armi; mentre i reattori termici generano il plutonio con una frazione relativamente elevata di plutonio-239 (tipicamente superiore al 70% in combustibile a basso consumo), i reattori veloci producono il plutonio che contiene una maggiore proporzione di isotopi più alti come plutonio-240, plutonio-241 e plutonio-242

Minore attivazione e riduzione della tossicità a lungo termine

I più promettenti vantaggi di non proliferazione dei reattori veloci sono la loro capacità di trasmutare gli attinidi minori, come il neptunium, l'americium e il curium, che sono presenti nel combustibile nucleare speso.

Protezione e tecnologie di monitoraggio avanzate

I cicli di combustibile chiusi associati a reattori veloci, che coinvolgono la rielaborazione e la fabbricazione di combustibile, richiedono una solida protezione internazionale per evitare la diversione. Le moderne tecnologie di salvaguardia, come la spettroscopia di ripartizione indotta dal laser (LIBS), il saggio non distruttivo che utilizza neutroni e rivelatori di gamma, e il monitoraggio avanzato dei processi, possono essere integrati direttamente in impianti di ritrattamento.

Sfide e preoccupazioni per la proliferazione persistente

Separazione di Plutonio e il ciclo di combustibile chiuso

Nonostante i vantaggi, l'esistenza stessa di un ciclo di combustibile chiuso introduce rischi di proliferazione. Il passo di rielaborazione che separa il plutonio dal combustibile speso di un reattore veloce è identico in linea di principio al processo utilizzato per ottenere il plutonio di grado di armi.

Esempi storici e lezioni imparate

Il reattore di Brea ha messo in atto un reattore di velocità di trasmissione (in particolare il reattore di velocità di Brea) che ha portato a termine il processo di produzione di un reattore ad alta velocità (in particolare il reattore ad alta velocità di Brea) e ha messo in evidenza la possibilità di ridurre la capacità di funzionamento del reattore ad alta velocità (in inglese) del reattore di Monju (in inglese) nel 1995.

Hurdles economico e tecnico

I reattori ad allevamento rapido rimangono molto più costosi dei reattori termici convenzionali, anche dopo decenni di sviluppo. L'alto costo di capitale dei sistemi di raffreddamento a metalli liquidi, la fabbricazione avanzata del combustibile e l'infrastruttura di rielaborazione associata è un ostacolo importante alla diffusione diffusa. Inoltre, i materiali nel nucleo del reattore devono resistere a radiazioni dure e temperature elevate, portando a complesse sfide di ingegneria.

Quadri internazionali e prospettive future

Il ruolo dell'AEA e degli approcci multilaterali

Per sfruttare il potenziale di non proliferazione dei reattori veloci, la comunità internazionale ha esplorato diversi meccanismi: il progetto internazionale dell’IAEA sui reattori nucleari innovativi e sui cicli di combustibile (INPRO) e il Forum internazionale della generazione IV (GIF) comprendono entrambi i progetti di reattore veloci nei loro piani di ricerca collaborativi, che sottolineano la resistenza alla proliferazione come obiettivo di progettazione, incoraggiando gli sviluppatori a incorporare barriere intrinseche ai centri di deviazione dai primi stadi.

Innovazioni nel design del ciclo del combustibile

Una direzione promettente è l’uso di concetti di reattori “breed-and-burn” o di reattore a onde viaggianti, che possono funzionare per lunghi periodi senza ritrattamento.

Iniziative regionali e accordi bilaterali

La cooperazione bilaterale può contribuire anche alla non proliferazione. L’accordo di gestione e disposizione di Plutonio U.S.-Russia (PMDA), sebbene attualmente sospeso dalla Russia, mira a smaltire 34 tonnellate ciascuno di plutonio di grado armi, in parte irradiandolo in reattori veloci come il BN-800.

Conclusioni

I reattori veloci di allevamento hanno mantenuto una reale promessa di ridurre i rischi di proliferazione nucleare, consentendo un uso più efficiente dell'uranio, consumando scorte di plutonio e trasmutando i rifiuti radioattivi di lunga durata in forme meno pericolose.

Per ulteriori informazioni, consultare il ]Il Portale di Conoscenza del Reattore Veloce , la panoramica ] dell’Associazione Mondiale Nucleare dei reattori veloci[], e la Generazione IV Rapporto tecnico del Forum Internazionale].