L'acqua pesante, chimicamente nota come deuterio oxide (D2O), è la tecnologia di base che permette al reattore di CANDU (CANada Deuterium Uranium) di operare con una flessibilità del combustibile senza precedenti.

La Fisica della Moderazione dell'acqua pesante

Il vantaggio principale dell'acqua pesante sull'acqua leggera ordinaria è nelle proprietà nucleari dell'atomo del deuterio. Il nucleo del deuterio contiene un protone e un neutrone, dandogli una massa approssimativamente doppia quella dell'idrogeno ordinario (protium). Questa massa aggiuntiva altera fondamentalmente il modo in cui i neutroni interagiscono con il mezzo. Il parametro chiave è la sezione trasversale di assorbimento dei neutroni termici.

In un reattore nucleare, i neutroni nati dal viaggio di fissione a velocità estremamente elevate (nebuli veloci) per mantenere una reazione a catena, questi neutroni devono essere rallentati, o moderati, alle energie termiche. Un moderatore esegue questo compito permettendo ai neutroni di collidere con i suoi nuclei fertili.

Il rallentatore di un moderatore è quantificata dal rapporto di moderazione, che combina il decremento di energia logaritmica per collisione con la sezione trasversale di dispersione divisa dalla sezione trasversale di assorbimento.Per l'acqua leggera, questo rapporto è di circa 70; per l'acqua pesante, supera i 6.000. Questo contrasto stark spiega perché un reattore ad acqua pesante può operare con l'uranio naturale: il moderatore non ha bisogno di una reazione di nucleo prezioso che è

Produzione industriale di reattore-classe D2O

Il deuterio esiste in acqua naturale ad una concentrazione di circa 150 parti per milione (0.015%). Per funzionare efficacemente come moderatore e refrigerante, questa concentrazione deve essere elevata al minimo del 99,75% D2O. Questo processo di arricchimento è termicamente e tecnologicamente esigente, rendendo l'acqua pesante un materiale strategico di alto valore. La separazione fisica sfrutta le leggere differenze di massa tra H2O e D2O, che si manifestano in diverse pressioni di vapore, tassi di reazione chimica.

Il processo di Girdler Sulfide (GS)

Il cavalletto di lavoro della produzione industriale di acqua pesante è il processo di solforato Girdler, che è stato distribuito in una scala enorme in Canada, negli Stati Uniti, in India e altrove. Il processo GriumS sfrutta l'equilibrio dipendente dalla temperatura della reazione di scambio isotopico tra acqua e gas solfuro di idrogeno: H2O(l) + HDS(g) ̄ fase ridotta HDO(g) + H2

Nel 1997, l'acqua scorre verso la fine di una colonna, mentre il gas H2S viene distribuito verso l'alto. In fondo alla colonna, che opera intorno a 130°C, il deuterio migra nel gas. Il gas scorre poi verso la parte superiore di una sezione fredda, che opera intorno a 30°C, dove il deuterio si trasferisce in un flusso d'acqua fresco, ora arricchito.

L'aspetto spesso sovrapposto del processo GS è la sua impronta ambientale. I grandi flussi d'acqua e i requisiti energetici indicano che un impianto che produce 1.000 tonnellate di D2O all'anno consuma tipicamente circa 500-700 MWt di input termico e scarica milioni di metri cubi di acqua impoverita. I moderni miglioramenti del design hanno ridotto il consumo di vapore, ma il processo rimane intensivo di capitale.

Tecnologie alternative e emergenti di separazione

Esistono diverse altre tecnologie per la separazione del deuterio, ognuna con applicazioni specifiche. La distillazione dell'acqua[ sfrutta la pressione del vapore leggermente inferiore di D2O rispetto a H2O. Mentre il fattore di separazione è molto piccolo (circa 1.05 a pressione atmosferica), richiede un numero enorme di fasi e un alto input energetico.

L'elettrolisi sfrutta l'effetto cinetico dell'isotopo; a causa dell'energia a zero-point superiore del legame O-H rispetto al legame O-D, il protium viene preferibilmente rilasciato come gas idrogeno al catodo. Questo arricchisce il deuterio nel liquido rimanente. L'elettrolisi è stata famosamente utilizzata presso lo stabilimento Norsk Extreme Hydro ingo.

I metodi avanzati attualmente in fase di indagine includono la separazione degli isotopi (LIS), che mira al leggero spostamento degli spettri di assorbimento tra le molecole H2O e HDO. Mentre il successo su scala di laboratorio è stato raggiunto, la scala LIS alle migliaia di tonnellate richieste per un nucleo di reattore rimane una sfida ingegneristica significativa.

Il rapporto simbiotico tra il design CANDU e D2O

Il nucleo del reattore è costituito da un grande serbatoio a bassa pressione chiamato calandria, che tiene il moderatore dell'acqua pesante a una temperatura relativamente bassa. La cinetrazione è centinaia di tubi di pressione orizzontale, ciascuno contenente fasci di combustibile. Il refrigerante primario — separato dal moderatore — è anche acqua pesante, che passa attraverso i tubi di pressione per estrarre il calore

Ciclo di combustibile dell'uranio naturale

La capacità di utilizzare l'uranio naturale senza arricchimento è il vantaggio economico e strategico più significativo del sistema CANDU. Il reattore decouples del mercato internazionale dell'arricchimento, che è dominato da un piccolo numero di paesi e richiede complessi sistemi di salvaguardia. I fasci di combustibile di uranio naturale sono più semplici e più economici da fabbricare rispetto ai pallini arricchiti richiesti per i LWR.

Il ciclo naturale dell'uranio ha anche implicazioni per la gestione del combustibile speso. Poiché l'arricchimento iniziale è basso, il combustibile speso da un CANDU contiene circa lo 0,3% di materiale fissile, rispetto a circa lo 0,8-1% da un LWR. Meno plutonio è prodotto per unità di energia, ma il volume totale di combustibile speso per MWh è più alto a causa della minore combustione (circa 7-8 GWd/t contro 40–50 GWdLWdLWdLWd/WdLWd/WdLWd/WdL).

Fattori di riflessione e capacità online

In un LWR, l'intero nucleo deve essere spento e depressurizzato per il rifornimento, tipicamente ogni 18-24 mesi. In un CANDU, i tubi di pressione orizzontale permettono di alimentare le macchine per accedere a ogni canale indipendentemente mentre il reattore rimane al potere. Poiché il moderatore di acqua pesante mantiene una distribuzione stabile del flusso di neutroni e le riserve naturali di uranio ha un significativo riassorbimento.

Il rifornimento online consente anche una manovra di potenza flessibile. Una stazione CANDU può regolare la sua uscita per soddisfare la domanda della griglia mantenendo un tasso di rifornimento quasi costante. Questa capacità di riempimento del carico è sempre più preziosa nelle griglie con elevata penetrazione di fonti di energia rinnovabile variabili. Il moderatore dell'acqua pesante agisce come un buffer termico, fornendo stabilità durante i transienti e permettendo al reattore di rispondere rapidamente alle variazioni di carico.

Gestione dell'acqua pesante sul posto

L'inventario D2O rappresenta un importante capitale, e la sua perdita o degradazione ha conseguenze economiche dirette. Un tipico reattore da 700 MWe CANDU 6 contiene circa 450 a 500 tonnellate di acqua pesante. Al momento dei costi di sostituzione di diverse centinaia di dollari per chilogrammo, l'inventario in loco può essere valutato nelle centinaia di milioni di dollari.

Mantenere la purezza isotopica

L'ingresso di acqua leggera da varie fonti - comprese le perdite di generatori di vapore, l'umidità condensata dall'atmosfera, e le aggiunte di acqua di trucco - degraderà la concentrazione D2O nel tempo. Anche una piccola goccia di purezza isotopic degrada l'economia di neutroni e può forzare una riduzione della potenza del reattore. Per contrastare questo, ogni stazione di aggiornamento CANDU è dotata di un impianto di aggiornamento pesante dell'acqua.

Il processo di aggiornamento rimuove anche le impurità chimiche che possono accumulare, come i gas disciolti, i prodotti di corrosione e i composti organici. Questi contaminanti possono influenzare il pH dell'acqua pesante, aumentare la decomposizione radiolitica, o interferire con i neutroni. L'upgrade è quindi un sistema di purificazione isotopica e chimica combinato, spesso preceduta da filtri, colonne di scambio ionico e degasssioni.

Controllo e regolamento del tritium

Il triteo è generato mediante l'attivazione di neutroni del deuterio: 2H (n, γ) 3H]. Nel tempo, l'acqua pesante nel moderatore e il refrigerante accumula tritium, che può raggiungere alti livelli di attività specifici.

Le stazioni di controllo CANDU gestiscono le esposizioni tritium attraverso una combinazione di controlli ingegneristici e rimozione attiva. Le strutture di rimozione del tritium (TRFs)] utilizzano una combinazione di scambio catalitico e distillazione criogenica per estrarre il tritium dal flusso di acqua pesante.

La concentrazione di tritium nei sistemi di moderatore CANDU può raggiungere diverse decine di curie per chilogrammo dopo anni di funzionamento.Per mantenere le esposizioni di radiazione ai lavoratori il più basso possibile, il TRF a Darlington ha estratto il tritium dalla fine degli anni '80, riducendo l'attività specifica del moderatore di più di un fattore di 10 rispetto alle stazioni senza tali strutture.

Rilevamento di perdite e recupero economico

Le stazioni CANDU impiegano reti estese di sensori di punto di rugiada, monitor di tritium-in-air e rilevatori di umidità per identificare anche perdite minuscole. Le perdite di acqua pesanti sono classificate come "visible" o "invisible" (vapor).

Un tasso di perdita di appena 1 tonnellata all'anno a $300/kg rappresenta un costo costante di $300.000 all'anno. Oltre una vita operativa di 30 anni, cioè $9 milioni di inventario perso. Le stazioni moderne CANDU mirano a perdite non recuperabili di meno di 0,5 tonnellate all'anno, raggiunto attraverso programmi di rilevamento di perdite aggressive, migliori progetti di tenuta della valvola e sistemi di recupero del vapore.

Catena di approvvigionamento globale e impatto economico

La catena globale di approvvigionamento idrico pesante è relativamente matura e consolidata. L'inventario iniziale per una nuova CANDU è tipicamente fornito in base ad un accordo di locazione da una scorta nazionale, come quello gestito da Atomic Energy of Canada Limited (AECL) e ora Canadian Nuclear Laboratories, evitando così la massiccia spesa di capitale di fronte necessaria per costruire un nuovo impianto di produzione.

Per la flotta esistente, la domanda di acqua pesante fresca è principalmente guidata da requisiti di trucco per le perdite e per le nuove costruzioni. L'India opera le proprie centrali GS per fornire la propria flotta PHWR domestica, avendo superato le carenze storiche per diventare autosufficienti. L'Argentina produce acqua pesante presso lo stabilimento PIAP di Neuquén, che fornisce le stazioni di Embalse e Atucha dettagliate.

Nel 1970, quando sono stati costruiti gli impianti GS, il prezzo era di circa $ 100 / kg in termini di inflazione-aggiustati. Dopo la chiusura della Bruce pianta e la fine della produzione canadese, i prezzi sono aumentati a oltre $ 300 / kg. Oggi, il mercato è relativamente stabile, con indiano e argentino la produzione incontro più richiesta. Il tasso di locazione per l'acqua pesante è tipicamente circa il 5–7% del valore di sostituzione

Traiettorie future: Produzione, Reattori di Novel e Cicli di carburante avanzati

Il ruolo dell'acqua pesante nell'energia nucleare è probabilmente destinato ad evolversi oltre la tradizionale flotta CANDU 6, che è sufficiente per sostenere la flotta operativa attuale per decenni, ma i concetti emergenti dei reattori e i cicli avanzati di combustibile possono far avanzare una nuova domanda di acqua pesante o di deuterio stesso.

Tecnologia avanzata di produzione

Mentre il processo GS è maturo, i suoi elevati costi di capitale e di funzionamento hanno suscitato interesse nei metodi più efficienti. Il processo di Electrolysis e Catalytic Exchange (CECE) è una promettente tecnica di separazione avanzata che offre il potenziale per il consumo energetico più basso e più elevati fattori di separazione a singolo stadio rispetto al processo GS recente. Il processo CECE integra l'elettrolisi dell'idrogeno con lo scambio catalitico isotopico, consentendo la concentrazione efficiente dei filtri a passo-materiale.

Un altro viale promettente è l'uso di calore geotermico o di scarto per guidare il processo GS, che potrebbe ridurre significativamente la sua impronta di carbonio. L'integrazione delle pompe di calore e degli scambiatori di calore avanzati potrebbe anche migliorare l'efficienza energetica complessiva. Tuttavia, nessuna di queste tecnologie è ancora stata implementata a scala commerciale, e il processo GS probabilmente rimarrà il punto di riferimento per il prossimo decennio.

Cicli di carburante avanzati

L'eccellente economia di neutroni dei reattori ad acqua pesante li rende piattaforme ideali per bruciare i combustibili avanzati. La ricerca è stata intrapresa nell'utilizzo dei reattori CANDU per consumare il plutonio eccedente da armi nucleari smantellate o da reattori ad acqua leggera spesi. La flessibilità del sistema di rifornimento on line consente la gestione precisa dell'efficienza dei profili di reattività e di flusso necessari per questi combustibili a ossido misto (MOX-23).

L'impiego di reattori ad acqua pesante per bruciare gli attinidi minori da LWR ha speso il combustibile è un'altra area attiva di ricerca. L'alto flusso di neutroni termici e la capacità di regolare la composizione del combustibile sul mosca rendono i reattori CANDU attraenti per ridurre la radiotossicità a lungo termine dei rifiuti nucleari.

Piccoli reattori modulari (SMR) e Fusion

Il progetto di sviluppo di un nuovo reattore a gas a gas a basso costo e a basso costo, che produce un nuovo combustibile a basso costo, in grado di produrre un nuovo reattore a gas a pressione.

La catena di approvvigionamento idrico pesante può anche vedere i cambiamenti se la fusione diventa commerciale. Un impianto di fusione 1 GWe che utilizza il combustibile D-T consuma circa 50 kg di tritium all'anno, che dovrebbe essere allevato dal litio. Il deuterio richiesto sarebbe di circa 5 kg all'anno, una frazione trascurabile della produzione attuale. Tuttavia, l'inventario di avviamento per un reattore di fusione potrebbe richiedere diversi centinaia di chilogrammi di tritium prodotto, che dovrebbe essere necessario.

Conclusioni

L'industria dei combustibili solidi e la gestione dei reattori di lunga durata, che si estenderà a lungo termine, è la scelta tecnologica che forma le organizzazioni economiche, il profilo di sicurezza e il valore strategico del reattore CANDU.