I Fondamenti dei Reattori di Breeder Veloce

I reattori ad allevamento rapido (FBR) rappresentano uno dei rami più ambiziosi della tecnologia di fissione nucleare. A differenza dei reattori termici convenzionali che si basano su neutroni a lenta per sostenere una reazione a catena in uranio-235 (U‐231.4), i FBR mantengono una popolazione di neutroni che si muove ad alte energie—di cui 0,1 MeV.

Il combustibile nella maggior parte dei FBR è un ossido misto (MOX) di plutonio e uranio ossido, anche se combustibili metallici e nitridi sono utilizzati in alcuni progetti avanzati. I metalli liquidi, di solito sodio, servono come refrigerante primario perché trasferiscono efficacemente il calore senza neutroni moderanti (l'acqua li rallenta).

Poiché i FBR possono riciclare il combustibile nucleare e consumare elementi transuranici di lunga durata, sono centrali alle discussioni sulla chiusura del ciclo del combustibile nucleare. Rielaborazione e ri-irradiazione del combustibile, un FBR può in linea di principio ridurre il volume e la radiotossicità dei rifiuti finali per ordini di grandezza.

Sviluppo storico e esperienza operativa

Enrico Fermi ha immaginato il reattore veloce come complemento naturale al reattore termico. Il primo allevamento veloce sperimentale, il reattore Clementine a Los Alamos, è diventato critico nel 1946. Ha usato il combustibile di plutonio e un liquido di mercurio. Nel corso dei decenni successivi sono state costruite decine di prototipi e dimostrazioni FBR-N-N-300, soprattutto in Francia (Phénix, BRS)

Il reattore di tipo MWe Superphénix in Francia ha subito perdite di sodio, problemi strutturali e opposizione politica; ha operato solo sporadicamente prima di essere spento nel 1998. Il reattore di Monju giapponese è stato gravemente danneggiato da una perdita di raffreddamento del sodio nel 1995 e, dopo anni di riparazione e difficoltà politiche, è stato decommesso nel 2016.

Queste esperienze hanno insegnato all'industria che i sistemi di gestione del sodio richiedono un'eccezionale garanzia di qualità, che l'ispezione in-service del refrigerante opaco è impegnativa e che la robusta supervisione normativa è essenziale. Le lezioni apprese sono ora applicate ai progetti FBR di quarta generazione che mirano a una migliore sicurezza, una competitività dei costi e una resistenza alla proliferazione.

Reattori e non-proliferazione di Breeder Veloce: Il regolamento di base

A prima vista, i reattori che producono il plutonio sembrano essere un rischio di proliferazione. Dopotutto, il plutonio è un materiale chiave per le armi nucleari. L'argomento non proliferazione per i FBR è quindi sfumato e poggia su due pilastri: l'architettura del ciclo del combustibile e la stewardship dei materiali.

Ridurre e consumare le scorte esistenti di Plutonio

Una delle argomentazioni più potenti a favore dei FBR è la loro capacità di ridurre l’inventario globale del plutonio separato. Esistono grandi quantità di plutonio civile negli impianti di ritrattamento e negli accumulatori di carburante spesi, purché possano manipolare l’intero arsenale di armi del mondo. Se tale materiale rimane in forme relativamente accessibili, presenta un rischio di diversione.

Inoltre, poiché i FBR riciclano ripetutamente il loro combustibile, possono girare il plutonio “reactor-grade” - che ha già una composizione isotopica mista non sfavorevole per le armi - in una matrice di combustibile spesi più altamente radioattiva che è più difficile da rubare o riprocessare clandestino.

Resistenza alla proliferazione attraverso il ritrattamento del combustibile

Il vantaggio non proliferazione delle FBR dipende da come viene gestito il ciclo del combustibile. Se un paese gestisce un ciclo di combustibile chiuso con rielaborazione, il plutonio separato è un rischio di proliferazione diretta. Tuttavia, i moderni sistemi di pyroprocessing (separazione elettrochimica), sviluppati in particolare presso il Laboratorio Nazionale di Idaho e in Corea del Sud, non producono puro plutonio; invece producono una miscela di elementi curplutonio radioattivi.

Le garanzie internazionali[] possono essere rafforzate mediante la co-localizzazione di impianti di rielaborazione e di fabbricazione nel sito del reattore, sotto il monitoraggio continuo del International Atomic Energy Agency (IAEA).

Il ruolo del Thorium nei reattori di Breeder

Il toro è tre a quattro volte più abbondante dell'uranio, e i suoi sistemi di allevamento offrono alcuni vantaggi non di proliferazione. Il prodotto fissile U‐233, quando contaminato con una piccola quantità di U‐232, emette radiazioni gamma dure che lo rendono rilevabile e pericoloso gestire in modo occulto.

Tuttavia, nessun ciclo di combustibile è intrinsecamente a prova di proliferazione. Ogni processo industriale che separa il materiale fissile, sia per l'arricchimento U-235 che per il combustibile a base di plutonio-termale-breeder, può essere usato in modo improprio. La sfida è quella di progettare sistemi che rendono la proliferazione il più possibile difficile e rilevabile tecnologicamente.

Rifiuti di Minimizzazione e Prestazioni di Sicurezza

I paesi con grandi inventori di rifiuti di alto livello hanno un incentivo a ritrattarlo, a recuperare materiale prezioso o a ridurre gli oneri di smaltimento a lungo termine. Se questi rifiuti contengono plutonio separato, il rischio di proliferazione escala. I FBR possono rompere questo ciclo consumando gli isotopi che rendono problematico il combustibile speso.

In un reattore veloce con riciclo multiplo, la massa di rifiuti transuranici può essere ridotta dell'80-90 % rispetto ad un ciclo di combustibile aperto. I residui hanno un periodo di decadimento della radiotossicità più breve (alcuni cento anni invece di decine di migliaia).

Sfide per la non-proliferazione dalla tecnologia Fast Breeder

Sarebbe irresponsabile presentare FBR come panacea, la tecnologia introduce anche preoccupazioni specifiche di proliferazione che devono essere affrontate apertamente.

Separazione di Plutonio a Scala

Gli impianti di ritrattamento commerciale (per esempio, La Hague in Francia, Sellafield nel Regno Unito, Rokkasho in Giappone) già gestiscono migliaia di tonnellate di combustibile speso all’anno. Una grande flotta di FBR richiederebbe una maggiore capacità di ritrattamento. Il plutonio separato, anche se non armi-could, potrebbe essere dissotterrato da un’infrastruttura di tipo tradizionale.

Protezione dei Reattori veloci

I reattori veloci presentano sfide uniche per la contabilizzazione dei materiali nucleari. Il refrigerante del sodio è opaco; le operazioni di gestione del combustibile sono complesse; la geometria del nucleo differisce da quella dei reattori ad acqua leggera. La "considerazione dei singoli gruppi di combustibile" è semplice per il combustibile fresco, ma la misurazione del contenuto di fissile nel nucleo durante l'irradiazione richiede sofisticati saggi non distruttivi.

Proliferazione attraverso l’allevamento “Hidden”

Il flusso di neutroni più lusinghiero e l'elevato rapporto di allevamento di alcuni progetti possono produrre plutonio con una frazione elevata di Pu‐239 (l'isotopo preferito per le armi) se il combustibile viene scaricato presto.

Programmi di Breeder Veloce attuali e il loro record di non-proliferazione

La Russia gestisce l’unico reattore commerciale a scala (BN-800) e sta costruendo il più grande BN-1200. L’India sta commissionando il PFBR e progettando una flotta di altri sei. Il Giappone ha sospeso indefinitamente Monju ma continua la ricerca al JOYO e al progetto J‐SFR. La Corea del Sud partecipa ai progetti sperimentali del Forum IV, lavorando a tempo indeterminato.

In particolare, il programma russo, che vende elettricità BN‐800 alla rete e lo utilizza per il controllo di potenza e plutonio, è ampiamente citato come modello di come integrare gli obiettivi non-proliferazione nelle operazioni commerciali.

Il caso dell’India è unico perché non è un firmatario NPT ma opera sotto un accordo di salvaguardia con l’IAEA dal 2008 Cooperazione Nucleare USA-India. Il suo programma di riproduzione è destinato a sfruttare il torio, che riduce intrinsecamente il rischio di proliferazione. Tuttavia, il combustibile iniziale di PFBR è MOX contenente plutonio separato dal combustibile termoreattore, materiale che è protetto.

Il percorso in avanti: Ingegneria e Politica

Per i reattori di allevamento veloci, per contribuire in modo significativo alla non proliferazione nucleare, devono essere soddisfatte diverse condizioni.

Applicazione universale delle protezioni

Nessun paese dovrebbe operare un FBR senza un accordo di salvaguardia completo e un protocollo aggiuntivo. L’AIEA ha bisogno di procedure di ispezione dedicate per i reattori veloci, uno sforzo che è in corso attraverso i programmi di sostegno degli Stati membri. La pagina ]AEA salvaguarda le misure attuali[[]] delinea gli approcci attuali.

Proprietario internazionale o Co-location

Un’idea di controllo delle armi è occasionalmente galleggiata, la creazione di centri multinazionali per il ciclo del combustibile, dove FBR e impianti di ritrattamento sono di proprietà e gestiti da un consorzio internazionale. Tale disposizione renderebbe più difficile la diversione e la fiducia tra gli stati. Il Centro Internazionale di accumulo dell’uranio russo e la “banca del carburante” dell’Agenzia Internazionale dell’Energia Atomicanalitica illustrano il principio, anche se non copre ancora il combustibile FBR.

Riciclo avanzato che evita puro Plutonio

Se i futuri cicli di combustibile FBR possono evitare di produrre un flusso di plutonio separato, e invece co-ricuperare i transuranici insieme, la barriera di proliferazione è notevolmente aumentata. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha esaminato tali sistemi nel contesto del Programma avanzato di dimostrazione del reattore[FFFF][FFFFFFF]]]1:

Economia corretta e forte regolamento

Anche il miglior design non proliferazione è irrilevante se il reattore non è mai costruito. I FBR oggi sono più costosi per i reattori ad acqua leggera, in parte a causa dell'elevato costo di capitale dei sistemi di sodio e della necessità di un rielaborazione frequente.

Conclusione: un ruolo cautiosamente ottimistico

I reattori veloci non sono una risposta miracolosa alla proliferazione nucleare, sono complessi, costosi e capaci di un uso improprio se non accuratamente controllato. Tuttavia offrono anche l'unico metodo provato per ridurre lo stoccaggio del plutonio separato, minimizzare gli scarti di alto livello, e per trasformare abbondanti risorse fertili in energia a lungo termine.

Il futuro dell'energia nucleare non deve essere una scelta tra sostenibilità e sicurezza. Con la giusta ingegneria, controlli istituzionali e determinazione politica, i reattori di allevamento veloci possono contribuire a colmare il divario. La chiave è procedere deliberatamente, imparando da precedenti inconvenienti, e insistendo che la non proliferazione non è un'opzione ma un requisito in ogni fase della progettazione e del funzionamento del reattore.