Cosa sono i Reattori di Breeder Veloce?

I reattori veloci dell'allevamento (FBR) rappresentano una classe di reattori di fissione nucleare che operano con neutroni veloci, in contrasto con i neutroni termici utilizzati nella maggior parte dei reattori di potenza commerciale. La caratteristica distintiva di un FBR è la sua capacità di produrre più combustibile fissile di quanto consuma durante il funzionamento.

La fisica della fissione veloce permette ai FBR di estrarre circa 60-100 volte più energia da uranio naturale rispetto ai reattori convenzionali di acqua leggera (LWRs), perché i LWR possono usare solo i rari uranium-235[]] isotopo di calore nucleare (0,7% di uranio naturale), mentre i FBR convertono l'abbondante U-238 (99,3% in aggiunta di energia naturale riciclabile

Esistono due scelte principali di refrigerante per FBR: sodio liquido e piombo (o piombo-bismuth). I reattori veloci raffreddati a sodio (SFR) sono stati i più ampiamente testati, grazie all'eccellente conducibilità termica del sodio e all'assorbimento dei neutroni bassi. I reattori veloci a flusso raffreddati a piombo (LFR) offrono inerzia chimica con aria e acqua, ma pongono sfide con corrosione e congelamento refrigerante.

I principali vantaggi dei FBR includono un'utilizzazione significativa delle risorse di uranio, una riduzione dei rifiuti radioattivi di lunga durata e il potenziale di chiusura del ciclo del combustibile nucleare. Tuttavia, essi sono dotati di ostacoli tecnici ed economici sostanziali, come la gestione della reattività chimica del sodio con acqua e aria, la prevenzione degli incidenti di reattività del vuoto, e la conservazione di prodotti di fissione altamente radioattivi.

Progetti Storici e le loro sfide

Gli Stati Uniti, Regno Unito, Francia, Russia (USSR), Giappone, Germania e India hanno lanciato programmi di riproduzione. Mentre diversi reattori di prototipo e dimostrazione sono stati costruiti e gestiti, molti sono stati colpiti da sovratensioni di costi, guasti tecnici e opposizione politica.

Stati Uniti: da EBR-I a Clinch River

Il progetto sperimentale di RBR è stato condotto da 350 unità di produzione di energia elettrica nel 1951 e ha dimostrato la possibilità di produrre energia elettrica. Il suo successore, EBR-II, ha operato con successo dal 1964 al 1994, dimostrando che i FBR raffreddati a sodio potrebbero funzionare in modo sicuro e produrre combustibile.

Francia: Superphénix e Phoenix

La Francia ha operato il reattore Phénix (250 MWth) dal 1973 al 2010 come un banco di prova di successo per la tecnologia del sodio. In base a questa esperienza, la Francia ha costruito il più grande FBR del mondo, Superphénix], un impianto di raffreddamento del sodio di 1.200 MWe a Creys-Malville.

Giappone: Monju

Monjusco, un prototipo raffreddato a sodio da 280 MWe, ha iniziato la costruzione nel 1985 e ha raggiunto la criticità nel 1994. Una grande perdita di sodio si è verificata nel dicembre 1995, con conseguente un pozzo di termocoppia rotto che ha permesso al sodio caldo di sfuggire e reagire con l'aria. L'incidente non è stato immediatamente rivelato completamente, erodendo la fiducia pubblica. Dopo 14 anni di riparazioni e dibattiti politici, Monjusco ha rigo rinnovato la qualità del carburante.

Russia: un record di traccia coerente

La Russia (e l'ex URSS) ha l'esperienza più continua con FBRs. BR-1], ]BR-2, e BR-5/10 i reattori sperimentali hanno aperto la strada

Regno Unito e Germania

Il Regno Unito ha operato il Prototipo Fast Reactor (PFR) a Dounreay in Scozia dal 1974 al 1994. Conseguiva un rapporto di allevamento di circa 1,2 ma soffriva di perdite di vapore e di crescenti costi. Il PFR è stato interrotto come parte del passaggio del Regno Unito dalla ricerca nucleare.

Lezioni Imparate dalle Iniziative passate

Viabilità economica: Il costo del barrier

I costi di capitale per chilowatt installati sono stati due o tre volte superiori rispetto ai LWR convenzionali. I costi elevati sono derivati da materiali esotici, sistemi di sicurezza complessi, lunghi periodi di costruzione, e la necessità di costi di fabbricazione e ritrattamento del combustibile specializzati. I critici sostengono che anche con uranio a buon mercato, il costo supplementare dei FBRs non è giustificato.

Rischi di sicurezza e ambientali

I FBR costituiscono delle sfide di sicurezza uniche: la preoccupazione primaria è il coefficiente di reattività del vuoto positivo nei progetti raffreddati a sodio, se i vuoti refrigeranti si formano (a causa di ebollizione o di penetrazione del gas), la moderazione dei neutroni diminuisce, causando la reazione ad accelerare piuttosto che a spegnere.

Complessità tecnica e durata dei materiali

I flussi di neutroni in un nucleo FBR provocano danni materiali significativi durante la vita del reattore. I sistemi di rivestimento del combustibile, le barre di controllo e i componenti strutturali devono sopportare dosi di irradiazione che possono superare 100 dislocamenti per atomo (dpa).

Gestione e governance dei progetti

Molti progetti della FBR hanno subito una scarsa supervisione della gestione, spostando gli obiettivi politici e una pianificazione inadeguata della contingenza. Il progetto del Clinch River è diventato un calcio politico; Monju ha sofferto di segretezza e di una "cultura della commozione", nelle parole della Commissione per l'Energia Atomica del Giappone. La lezione: impegno governativo stabile e a lungo termine, supervisione indipendente e gestione dei progetti trasparenti non è negoziabile per un reattore di primo grado.

Collaborazione internazionale

Non esiste un paese unico che abbia tutte le competenze necessarie per superare ogni sfida. L'iniziativa Generation IV International Forum (GIF)[ e la IAEA's Fast Reactor Knowledge Preservation[] hanno cercato di raggruppare dati e lezioni di sviluppo.

Iniziative e progetti attuali

Nonostante i contrattempi, l'interesse per i FBRs ha rilanciato, in particolare nei paesi con crescenti esigenze energetiche e il desiderio di chiudere il ciclo del combustibile.

India: un programma nucleare a tre stadi

L'India ha il programma FBR più aggressivo tra i paesi in via di sviluppo, radicato nel suo piano di potenza nucleare a tre stadi per usare il torio abbondante. La prima fase utilizza reattori ad acqua pesante pressurizzata; la seconda fase utilizza FBR per riprodurre il plutonio da uranio e poi per convertire il torio in U-233; la terza fase userà l'U-233 in reattori avanzati

Cina: Programma Reattore veloce

La Cina ha iniziato il suo programma FBR in seguito, ma si è spostata rapidamente. China Experimental Fast Reactor (CEFR) (20 MWe) ha raggiunto la criticità nel 2010 ed è stato utilizzato per i test.

Russia: BN-1200 e Proryv Project

Come notato, la Russia sta costruendo il BN-1200, un reattore raffreddato a sodio da 1200 MWe a Beloyarsk, con il funzionamento mirato alla fine del 2020. Il progetto BN-1200 incorpora le lezioni di BN-600 e BN-800, compresi i generatori di vapore modulari migliorati, i sistemi di sicurezza potenziati e una configurazione a ciclo medio-dio-acqua.

Progetti collaborativi internazionali

Il Forum Internazionale Generazione IV elenca sia il reattore rapido raffreddato a sodio (SFR) che il reattore rapido raffreddato a piombo (LFR) tra sei tipi di reattore selezionati. MYRRHA] (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications) in Belgio è un sistema acceleratore-driven che testa i costi di comando-buth minore e transini

Portachiavi per il futuro

  • Riduzione dei costi attraverso la modularità e la produzione seriale. I futuri FBR devono essere progettati come unità standardizzate più piccole che possono essere costruite in fabbrica e spedite in loco, simili all'approccio SMR, riducendo il rischio di costruzione e consentendo l'aggiunta di capacità incrementale.
  • Semplificare i sistemi di sicurezza con caratteristiche passive. Utilizzare geometrie che garantiscono la circolazione naturale per la decomposizione del calore, anche in caso di perdita di eventi di refrigerante.
  • Investimento in materiali e combustibili avanzati.[ Gli acciai ODS, i compositi a carburo di silicio e i combustibili metallici ad alto rendimento possono migliorare le prestazioni e ridurre i rifiuti.
  • Così la condivisione internazionale delle conoscenze[]] I repository di dati aperti, i programmi di ricerca congiunti e gli standard normativi condivisi possono accelerare le licenze e evitare errori ripetitivi.
  • Credere la fiducia pubblica attraverso la trasparenza.[ La piena divulgazione degli incidenti, la chiara comunicazione dei rischi e dei benefici, e il coinvolgimento degli stakeholder locali sono essenziali per l'accettazione sociale.
  • Ritestanza di proliferazione dei clienti.[] I disegni che minimizzano la separazione del plutonio puro, usano tecniche di denaturazione, o sono integrati con impianti di ritrattamento sotto salvaguardie internazionali possono affrontare problemi di non proliferazione.

In sintesi, il reattore ad allevamento rapido ha percorso una strada lunga e rocciosa dai primi esperimenti ai progetti dimostrativi attuali. Le lezioni di alto costo, complessità della sicurezza e instabilità del programma sono chiare. Eppure la razionalità sottostante — estraendo molto più energia dall'uranio e riducendo i rifiuti nucleari — rimane convincente mentre il mondo cerca energia a basso carico di carbonio sostenibile.