L'unico bordo Neutronico dei reattori CANDU

Il reattore CANDU (CANada Deuterium Uranium) è un prodotto di ingegneria canadese di metà del XX secolo, rimane una delle piattaforme più adattabili dell’energia nucleare. A differenza dei reattori ad acqua leggera dominante (LWR), CANDU utilizza l’acqua pesante (ossido di deuterio) come moderatore e refrigerante.

Il nucleo è costituito da un serbatoio di calandria orizzontale pieno di acqua pesante, penetrato da centinaia di canali di combustibile. Ogni canale contiene una serie di compatti fasci di carburante da 37 elementi, gestiti da macchine di rifornimento robot. La modularità meccanica corrisponde alla flessibilità neutronica: l’acqua pesante assorbe molto meno neutroni dell’acqua ordinaria, creando un surplus che può generare nuovi combustibili o bruciare transuranici di lunga durata.

Perché la transizione verso cicli di carburante avanzati

Il ciclo di combustibile convenzionale, che passa un tempo, estrae meno dell'1% di energia dall'uranio coniato, si esaurisce o scarica il combustibile consumato contenente isotopi fissili come il plutonio-239 e l'uranio residuo-235. I cicli di combustibile di prossima generazione mirano a chiudere questo ciclo: riciclare materiali fissili, utilizzando isotopi fertili alternativi, e ridurre il volume e la radiotossicità dei rifiuti che richiedono profondi.

Da Open a Closed: uno spostamento in filosofia

I reattori CANDU possono bruciare ciò che non può. L'ambiente ricco di neutroni sostiene la fissione su combustibili che sarebbero stati subcritici altrove, ossido di semix (MOX), uranio ritrattato e combustibili con basse concentrazioni di elementi transuranici.

Driver economici e sostenibilità delle risorse

I costi del ciclo del carburante dipendono sempre più dai costi di sicurezza e gestione dei rifiuti. I prezzi dell'uranio naturale, mentre i costi stabili a breve termine, affrontano i vincoli di approvvigionamento a lungo termine. L'arricchimento richiede enormi infrastrutture ed energia. Utilizzando combustibili già disponibili, il plutonio da armi smantellate o da torio, che è tre a quattro volte più abbondante di uranio—i reattori CANDU singhi contro queste variabili.

CANDU e Ossido misto (MOX) Carburante

Il combustibile misto di ossido, fabbricato con anidride uranio e diossido di plutonio, è il combustibile nucleare alternativo più maturo. Mentre i LWR in Francia e Giappone hanno adottato MOX, il reattore CANDU offre vantaggi distinti. La moderazione di acqua pesante fornisce un'efficienza di neutroni eccezionalmente elevata, quindi il combustibile MOX può essere introdotto con contenuto di plutonio inferiore speso, o anche con un mix di plutonio-uranio derivato derivato da esso stesso.

Riciclaggio di Plutonio in acqua pesante

Il combustibile LWR contiene circa l'1% di plutonio, un mix di isotopi fissili (Pu‐239 e Pu‐241) e altri neutroni assorbenti. Quando si è integrato in MOX e caricato in un CANDU, il reattore distrugge il plutonio mentre genera energia elettrica.

Dimostrazioni reali

I fasci di carburante MOX sono stati irradiati nel reattore universale di ricerca nazionale e nella struttura critica di acqua pesante ZED‐2 del fiume Chalk. I test confermano che MOX si comporta prevedibilmente in condizioni di CANDU: temperature di combustibile, rilascio di gas di fissione e stabilità dimensionale rimangono entro limiti accettabili.

Cicli di combustibile del torio: una visione a lungo termine

Il torio affascina gli ingegneri nucleari perché è fertile: Th‐232 assorbe un neutrone per diventare Th‐233, che si decande attraverso il Pa‐233 a U‐233, un isotopo fissile altamente efficiente. Con il torio su quanto abbondante come il piombo, un ciclo di combustibile del torio potrebbe estendere le risorse di combustibile per millenni. I reattori CANDU, con la loro eccezionale economia di neutroni, sono tra i pochi tipi che possono sostenere realisticamente un tho.

Adattare il CANDU per il torio

Il fascio di combustibile CANDU standard può essere ridisegnato per incorporare l'ossido di torio accanto a un combustibile del conducente—sia l'uranio arricchito, il plutonio, o U‐233. In un ciclo di torio una volta-attraverso, il seme fornisce neutroni che trasformano il torio in U‐233, che poi contribuisce alla potenza come il fascio progredisce attraverso il reattore.

Vantaggi dei rifiuti e funzionalità di sicurezza

L'argomento più convincente per il ciclo del torio in CANDU è la riduzione radicale della radiotossicità di lunga durata. Poiché il percorso del torio bypassa la maggior parte della produzione transuranica, il combustibile del torio speso è dominato da prodotti di fissione che si decadono a livelli sicuri in pochi secoli, non dalle centinaia di migliaia di anni associati al plutonio e agli attinidi minori.

Il ciclo DUPIC: uso diretto del combustibile di spent PWR in CANDU

Il combustibile DWR è stato sviluppato dall’Istituto coreano di ricerca sull’energia atomica (KAERI), il ciclo DUPIC (Direct Use of PWR ha speso combustibile In CANDU) offre un modo intelligente per riciclare il combustibile LWR speso senza la rielaborazione chimica completa.

Cicli di carburante avanzati e sicurezza operativa

Il miglioramento della sicurezza è un obiettivo continuo e i cicli avanzati di combustibile in CANDU allineano con quella missione. La flessibilità di selezionare i combustibili con temperature operative più basse, una maggiore conducibilità termica, o più coefficienti di feedback favorevoli apre le porte ai miglioramenti della sicurezza.

Mitigazione passiva di raffreddamento e di incidente

I reattori CANDU presentano un nucleo a bassa densità e un grande volume di acqua pesante che funge da un significativo dissipatore di calore. In un incidente di perdita-di-cool, il moderatore fornisce un raffreddamento passivo ai canali di combustibile, ritardando o impedendo danni al combustibile. I cicli di carburante avanzati non compromettono questa funzione: il combustibile di torio ha una conducibilità termica paragonabile al diossido di uranio ma con un più alto punto di fusione, fornendo un ulteriore margine di carburante.

Iniziative di cooperazione e di ricerca internazionali

I laboratori nazionali del Canada lavorano con l’IAEA, l’Agenzia per l’Energia Nucleare OCSE e i partner della Corea del Sud, della Cina e dell’Argentina. In Corea del Sud, il programma APR‐1400 ha esaminato le sinergie tra i sistemi di acquisizione LWR e i sistemi di trasporto multiplo dell’Euratom per la trasmutazione dei rifiuti.

Sinergie economiche e ambientali

Oltre alle prestazioni ingegneristiche, i cicli di combustibile sostenibili in CANDU portano a importanti sinergie economiche e ambientali. Un reattore che produce contemporaneamente energia di base, riduce le scorte di plutonio legacy, e riduce il volume di rifiuti di alto livello affronta molteplici problemi sociali.

Sviluppo regionale e sicurezza energetica

Per le nazioni senza arricchimento domestico, il ciclo naturale-uranio di CANDU offre già l'indipendenza energetica. I cicli di combustibile avanzati approfondiscono tale indipendenza. L'India, con la sua collaudata flotta di reattori ad acqua pesante e l'abbondante torio dalle sabbie monazite, prevede un ciclo di combustibile domestico basato sul tirio.

Superare le barriere tecniche e regolamentari

La licenza di nuovi tipi di combustibile richiede una preparazione completa dei casi di sicurezza, la modellazione delle prestazioni dei combustibili, le analisi degli incidenti e la qualificazione della forma dei rifiuti. La fabbricazione di MOX o di combustibile del torio a scala commerciale richiede strutture che gestiscono polveri radioattive in ambienti glove-box, con maggiori costi di capitale rispetto alla fabbricazione di combustibile dell'uranio standard.

Il quadro normativo in Canada, supervisionato dalla Canadian Nuclear Safety Commission (CNSC), ha già dimostrato la capacità di autorizzare i combustibili alternativi. L’approccio basato sulle prestazioni del CNSC si concentra sui risultati della sicurezza piuttosto che sulle specifiche prescrittive.

Incanto del percorso

Il matrimonio della tecnologia CANDU con cicli di carburante di prossima generazione non è un sogno lontano: è l’evoluzione naturale di una piattaforma di reattore che ha sempre superato l’efficienza dei neutroni e l’adattabilità del combustibile. Le capacità che una volta hanno fatto appello a CANDU per i paesi che vogliono evitare l’arricchimento ora lo rendono un pilastro sicuro nelle strategie per chiudere il ciclo di combustibile nucleare.

La comunità nucleare internazionale, attraverso collaborazioni come il ]Forum internazionale di generazione IV, accordi di ricerca bilaterali e progetti guidati dall’industria, deve continuare a investire nel ciclo di combustibile R&D su misura per i reattori ad acqua pesante a tubo di pressione. L’attuale flotta di ingegneria CANDU globale fornisce una piattaforma di test e distribuzione pronta, mentre il potenziale per nuove costruzioni nei paesi che precedono rapidamente il ciclo di indipendenza del ciclo di combustibile.