Introduzione: un nuovo paradigma per la sicurezza nucleare del combustibile

L'industria nucleare globale dipende da una fornitura sicura e prevedibile di materiale fissile per alimentare i suoi reattori. Per decenni la catena di approvvigionamento è stata dominata dall'estrazione mineraria, dalla fresatura e dall'arricchimento dell'uranio-235, un isotopo che rende meno dell'1% dell'uranio naturale.

Cosa sono i Reattori di Breeder Veloce?

Il reattore ad allevamento rapido è un tipo di reattore nucleare in cui la reazione a catena di fissione è sostenuta da neutroni veloci, neutroni che non sono stati rallentati da un moderatore.

Il rapporto di allevatore, la quantità di materiale fissile prodotto per la quantità consumata, può superare l’1,0, il che significa che il reattore genera più combustibile di quanto brucia. Questa è la caratteristica distintiva di un allevatore. Alcuni progetti FBR mirano ad un rapporto di allevatore di 1,2 o più, consentendo loro di estrarre fino a 60-70 volte più energia dalla stessa quantità di uranio rispetto ad un LWR.

Per una visione più approfondita della tecnica, vedere la pagina ]Reattori veloci Neutron dell'Associazione nucleare mondiale[.

La catena di approvvigionamento di combustibile nucleare:

Per comprendere l'impatto delle FBR, occorre esaminare prima la catena di approvvigionamento di combustibile nucleare esistente e le sue vulnerabilità. Il ciclo di combustibile convenzionale consiste in diverse fasi: l'estrazione e la fresatura dell'uranio, la conversione all'esafluoruro di uranio (UF6), l'arricchimento (per aumentare la concentrazione di U-235 da 0,7% a 3-5%), la fabbricazione di combustibile, l'uso in un reattore, lo stoccaggio intermedio di combustibile concentrato e infine pochi impianti.

Concentrazione di approvvigionamento di Uranio

Secondo l’Agenzia per l’Energia Nucleare dell’OCSE e l’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica (IAEA), le risorse individuate dell’uranio sono sufficienti per oltre 130 anni a tassi di consumo attuali, ma solo se si basano su riserve convenzionali. I produttori di uranio più alti al mondo—Kazakhstan, Namibia, Canada, Australia e Uzbekistan— controllano la maggior parte della produzione di mine.

Arricchimento strofinacci

L'arricchimento dell'uranio è un settore ancora più concentrato. Tre aziende, Urenco (UK/Germania/Paesi Bassi), Orano (Francia), Rosatom (Russia) – controllano oltre il 90% della capacità di arricchimento globale. Le strutture di mercato oligopolistico aumentano la vulnerabilità strategica. L'UE e gli Stati Uniti, ad esempio, stanno cercando di ridurre l'affidamento dei servizi di arricchimento russo dal 2022, ma le alternative di approvvigionamento sono limitate.

Accumulazione di combustibile spegnito

Il combustibile nucleare di Spent da LWR contiene ancora circa il 94% di uranio (per lo più U-238), il plutonio dell'1%, e il 5% di prodotti fissione e di azionamenti minori. Questo materiale, se non riciclato, è classificato come rifiuti di alto livello che richiedono uno smaltimento geologico costoso e a lungo termine. Attualmente, solo pochi paesi (Francia, Giappone, Russia) praticano ritrattamento commerciale, e la maggior parte dei paesi spendono il combustibile speso indefinitamente in contanti.

Come rapidamente Reattori di Breeder Migliorare la sicurezza della catena di fornitura

I reattori veloci di allevamento affrontano contemporaneamente diverse delle vulnerabilità sopra descritte, la loro capacità di produrre combustibile da un altro U-238 inutile e di consumare elementi transuranici di lunga durata li rende una pietra angolare di un ciclo di combustibile più sicuro e sostenibile.

Riduzione della dipendenza dall'uranio coniato

Poiché i FBR possono utilizzare l'uranio-238, che rappresenta il 99,3% dell'uranio naturale, come il bestiame fertile, la durata delle risorse di uranio conosciute si estende da decenni a secoli. In un'economia di allevamento completa, solo il carico di combustibile iniziale richiederebbe l'uranio arricchito; in seguito, il reattore potrebbe essere rifornito con materiale riciclato dal proprio combustibile e dalle scorte di reattore termico.

Riciclo del carburante e ciclo di combustibile chiuso

I FBR sono intrinsecamente progettati per operare in un ciclo di combustibile chiuso: il combustibile speso viene ritratta in plutonio separato e altri transuranici, che vengono poi fabbricati in nuovo combustibile. Questo riciclaggio riduce drasticamente il volume di rifiuti di alto livello che richiedono lo smaltimento, e recupera materiali preziosi che altrimenti sarebbero stati scartati.

Chiudendo il ciclo di combustibile, i FBR trasformano il combustibile speso da una responsabilità in un bene. Questo riduce la quantità totale di materiale radioattivo di lunga durata, facilita il carico dello smaltimento geologico, e migliora la non proliferazione consumando il plutonio che potrebbe altrimenti essere deviato. Per ulteriori dettagli sui cicli di combustibile chiuso, vedere la pagina IAEA sui cicli di combustibile chiusi.

Diversificazione delle fonti di combustibile

I FBR possono anche utilizzare il torio come materiale fertile. Thorium-232, quando bombardati da neutroni veloci, alleva uranio fissile-233. Mentre i reattori veloci alimentati da torio sono ancora alla fase di ricerca, l'abbondanza di thorium (tre volte più dell'uranio nella crosta terrestre) aggiunge un'altra dimensione per la diversificazione di approvvigionamento.

Scadenza strategica e indipendenza energetica

Le nazioni che operano FBR potrebbero accumulare una riserva strategica di materiale fissile (plutonium) senza servizi di arricchimento esterni. Gli allevatori stessi diventano “fabbricati di carburante”, producendo più combustibile di quanto consumano. Questa capacità riduce la dipendenza da reti di arricchimento e ritrattamento geopoliticamente sensibili. Per i paesi con industrie nucleari avanzate, come Russia, Cina, India e potenzialmente gli Stati Uniti—i FBR offrono un percorso verso l’indipendenza energetica e l’auto-rigenerazione delle forniture a combustibile a combustibile a combustibile a basso contenuto regionale.

Considerazioni tecniche ed economiche

Nonostante i loro vantaggi strategici, i FBR affrontano ostacoli tecnici ed economici trascurabili, non hanno ancora raggiunto la maturità commerciale dei reattori ad acqua leggera. I primi progetti hanno subito sfide legate al refrigerante: il sodio liquido (utilizzato nella maggior parte dei FBR) è altamente reattivo con acqua e aria, che richiedono sistemi di sicurezza sofisticati.

Costi di capitale e ritardi di costruzione

Il costo del capitale di un reattore ad allevamento rapido è significativamente superiore a quello di un LWR di dimensioni simili. L'unità BN-800 costa oltre 4 miliardi di euro per costruire in rubli russi e ha richiesto 30 anni dalla progettazione iniziale al funzionamento commerciale. In Francia, il progetto Superphénix (un 1.600 milioni di FBR raffreddato a sodio) ha sofferto problemi tecnici cronici e è stato definitivamente chiuso nel 1998 dopo un fattore di disponibilità cumulativo inferiore a quello di meno di esperienza

Economia di ritrattamento del combustibile

Il ciclo di combustibile chiuso richiede strutture di rielaborazione che sono costosi da costruire e operare. Il ritrattamento del combustibile spente in impianti come La Hague è economico rispetto al ciclo di combustibile una volta-attraverso i prezzi dell'uranio corrente. Un prezzo di uranio abbastanza alto renderebbe il ciclo di allevatore competitivo, ma rimane da vedere se le condizioni di mercato cambieranno.

Sfide di sicurezza e non proliferazione

I reattori di produzione non sono in grado di esacerbare i rischi di proliferazione, poiché il nucleo contiene il plutonio utilizzabile dalle armi. Il plutonio allevato in reattori veloci ha in genere una percentuale maggiore dell’isotopo Pu‐239 e le concentrazioni inferiori di Pu‐240, Pu‐241 e Pu‐242 (i più alti isotopi che complicano il progetto delle armi) rispetto al ciclo di plutonio chiuso.

L'uso del liquido liquido di raffreddamento del sodio presenta un rischio di reazioni dell'acqua del sodio e incendi di sodio. I progetti avanzati incorporano caratteristiche come la decomposizione passiva del calore, le pompe elettromagnetiche senza parti in movimento, e la tubazione a doppia parete per mitigare questi rischi. Il russo BN‐600 ha operato in modo sicuro dal 1980, raggiungendo un fattore di carico a vita di oltre il 75%, dimostrando che i FBR possono essere sicuri quando progettato e gestito correttamente.

Sviluppo globale e Outlook futuro

Il reattore di tipo rapido di allevamento di allevamento di allevamento di allevamento è in corso di avanzamento in diversi paesi, anche se a ritmi diversi. La Russia conduce con il BN-600 e il BN-800 in attività commerciale e piani per il progetto BN‐1200M e BREST-OD-300. La Cina sta costruendo il reattore veloce di allevamento di allevamento di semi-azotati (un reattore di raffreddamento di sodio di 600 MW) a Xiapu, previsto per iniziare a metà degli anni 202020, e ha una roadmap

La cooperazione internazionale è fondamentale per standardizzare i progetti FBR, condividere i dati di sicurezza e armonizzare i quadri normativi. Il Forum Internazionale Generazione IV (GIF) comprende reattori veloci tra le sue sei tecnologie di reattore scelte. Il Progetto Internazionale di IAEA sui Reattori Nucleari Innovativi e Cicli di Carburante (INPRO) supporta gli stati membri nello sviluppo di cicli di combustibile sostenibili.

Conclusioni

I reattori di allevamento veloci offrono una soluzione trasformativa alla sicurezza a lungo termine della catena di approvvigionamento di combustibile nucleare. L'allevamento di nuovi combustibili provenienti da uranio abbondante-238, il riciclaggio del combustibile nucleare speso, e la riduzione drammaticamente della necessità di estrazione e di arricchimento di uranio fresco, le FBR possono decouplare l'energia nucleare da risorse finite e dipendenze geopolitiche.