I reattori veloci rappresentano un approccio trasformativo all'energia nucleare, progettato per estrarre molto più energia dall'uranio naturale rispetto ai reattori convenzionali. Con la conversione dell'uranio non fissile-238 in plutonio-239, questi reattori possono produrre più combustibile di quanto consumano.

Cosa sono i Reattori di Breeder Veloce?

I reattori veloci dell'allevamento (FBR) sono una classe di reattori nucleari che utilizzano neutroni veloci, neutroni con energia cinetica sopra i 1 MeV, per sostenere una reazione a catena di fissione, che è fondamentalmente diversa dalla grande maggioranza dei reattori di potenza operativa, che si basano su neutroni rallentati (moderati) alle energie termiche per acqua, grafite o altri materiali.

Il reattore ad acqua leggera, che viene utilizzato in modo efficace, può essere utilizzato solo il plunio 235, che può sostenere le reazioni a catena con neutroni termici.

Il rapporto di allevamento, la quantità di materiale fissile prodotto per unità consumata, può superare l'1,0, tipicamente da 1,04 a 1,2 FBR ben progettati.

Come rapidamente reattori di allevamento Differano dai reattori termici

Neutron Spectrum e ciclo di combustibile

I reattori termici rallentano i neutroni a circa 0,025 eV, che massimizza la probabilità di fissione per l'uranio-235 e il plutonio-239, ma porta anche ad una maggiore probabilità di cattura parassitaria nei prodotti di fissione e nei materiali strutturali. I reattori veloci mantengono neutroni ad alte energie, riducendo così la sezione trasversale di assorbimento dei neutroni dei prodotti di fissione e consentono la conversione efficiente del lungo periodo di uranio-2.

Selezione refrigerante

Per evitare neutroni moderanti, i FBR non possono usare l'acqua come refrigerante. L'acqua è un moderatore eccellente a causa del suo contenuto di idrogeno. Invece, i reattori veloci impiegano i refrigeranti con bassa potenza di moderazione, come il sodio liquido (il più comune), piombo liquido o piombo-bismuth, e in progetti avanzati, gas elio o sali fusi.

Configurazione e progettazione del combustibile

I nuclei di reattore veloci sono più compatti dei nuclei di reattore termico perché il percorso medio libero dei neutroni veloci è più lungo, richiedendo una densità fissile più elevata per raggiungere la criticità. Il combustibile è costituito tipicamente da ossidi misti (MOX) di uranio e plutonio, ma i combustibili metallici (ad esempio, leghe di uranio-plutonium-zirconium) o i combustibili nitride sono impiegati anche in fase di sviluppo.

L'economia circolare e i materiali nucleari

L'economia circolare è un modello economico che mira a mantenere le risorse in uso per il più a lungo possibile, estrarre il massimo valore da loro, quindi recuperare e rigenerare prodotti e materiali al termine della loro vita di servizio. Nell'industria nucleare, questo si traduce in chiusura del ciclo di combustibile nucleare: piuttosto che trattare il combustibile speso come rifiuti, si ritratta di recuperare l'uranio e il plutonio utilizzabili, e i prodotti fissione rimanenti e le attuatrici sono gestiti più efficacemente.

I reattori veloci dell'allevamento sono centrali a questa visione: possono consumare il plutonio recuperato dal reattore tradizionale speso combustibile e bruciare anche gli attinidi minori di lunga durata, riducendo il tempo che i rifiuti di alto livello devono essere isolati dall'ambiente da centinaia di migliaia di anni a poche centinaia di anni. Questo allineamento con i principi dell'economia circolare sta portando un rinnovato interesse nei paesi con grandi programmi nucleari, come India, Russia, Cina, Giappone, Francia, Regno e Regno Unito.

Riciclaggio in Reattori di Breeder Veloce

Il processo di riciclaggio inizia con il ritrattamento del combustibile spesi. Il combustibile scaricato da un reattore termico contiene circa l'1% di plutonio, 95% di uranio (per lo più uranio-238), e il 4% di prodotti fissi e di azionamenti minori. In un ciclo convenzionale, una volta-attraverso il ciclo, l'intera miscela è destinata allo smaltimento geologico diretto.

I reattori veloci utilizzano questo plutonio riciclato come combustibile di base. Il materiale di coperta, l'uranio arricchito, è anche ritratta per estrarre il plutonio appena allevato dopo l'irradiazione.

Vantaggi del riciclaggio con FBRs

  • Efficienza del combustibile potenziato:[ Un reattore ad allevamento veloce può estrarre circa il 60-70% del contenuto energetico dell'uranio, rispetto a meno dell'1% in un reattore ad acqua leggera una volta-attraverso.
  • Riduzione dei rifiuti radioattivi di lunga durata:[ Con la combustione del plutonio e degli attinidi minori, il volume e la radiotossicità dei rifiuti di alto livello possono essere ridotti di oltre il 90%.
  • Indipendenza delle risorse:[] Paesi senza abbondante minerale di uranio possono utilizzare le scorte di carburante esistenti spesi come risorsa, migliorando la sicurezza energetica.
  • Sostenibilità:[] Con l'allevamento, le risorse disponibili dell'uranio possono alimentare la civiltà per millenni, rendendo efficacemente l'energia nucleare una risorsa rinnovabile.
  • Ridotto impatto ambientale: Meno estrazione, fresatura e arricchimento sono necessari, abbassando gli impatti ecologici del ciclo del combustibile nucleare.

Sfide e Barrieri

Nonostante i loro vantaggi, i reattori veloci non sono stati ampiamente schierati, ma rimangono diversi ostacoli tecnici, economici e sociali.

Sfide tecniche e operative

I reattori veloci operano a temperature più elevate e con radiazioni di neutroni più intense rispetto ai reattori termici. Ciò pone esigenze estreme sui materiali: rivestimento del combustibile, componenti strutturali principali e sistemi di refrigerante devono sopportare gonfiore, embrionamento e corrosione nel corso di decenni.

Fattori economici

I reattori veloci dell'allevamento sono intrinsecamente più costosi da costruire che i reattori ad acqua leggera a causa dei materiali esotici, dei sistemi di gestione del sodio e dei margini di sicurezza più elevati richiesti.

Rischi di proliferazione

Il plutonio prodotto in reattori veloci può essere deviato per l'uso delle armi se non adeguatamente protetto. Mentre il plutonio di livello reattore è meno adatto per le armi rispetto al materiale di tipo armi, potrebbe ancora essere utilizzato da attori statali o gruppi terroristi sofisticati.

Percezione pubblica e politica

L'energia nucleare affronta lo scetticismo pubblico in molti paesi e i reattori veloci dell'allevamento sono spesso associati alla produzione di plutonio per le armi. Inoltre, le lunghe linee temporali per lo sviluppo e l'alto costo dei progetti dimostrativi li rendono politicamente sensibili.

Progetti attuali e Outlook futuro

Diversi paesi stanno attivamente sviluppando reattori veloci di riproduzione e infrastrutture relative al ciclo di combustibile.

Russia: il BN-800 e il BN-1200

La Russia opera il BN-800, un reattore rapido 880 MWe presso l'impianto di energia nucleare di Beloyarsk, che ha iniziato il funzionamento commerciale nel 2016. Utilizza il refrigerante di sodio e il combustibile MOX, ed è stato utilizzato per testare le tecnologie di rielaborazione e bruciare gli attinidi minori.

India: PFBR e Oltre

L'India ha un programma nucleare a tre stadi progettato per massimizzare l'utilizzo delle sue abbondanti riserve di torio, con reattori veloci di allevatore come seconda fase. Il 500 MWe Prototype Fast Breeder Reactor (PFBR) a Kalpakkam sta quasi lavorando dopo una costruzione estesa.

Cina: Reattori sperimentali e dimostrativi

La Cina gestisce il China Experimental Fast Reactor (CEFR), un reattore a immersione a immersione di 65 MWt che ha raggiunto la criticità nel 2010. Un reattore a dimostrazione più grande, il CFR-600, è in costruzione e si aspetta di iniziare a metà degli anni 20. L'ambiziosa espansione nucleare della Cina include piani per FBR commerciali entro il 2030, insieme ad un programma completo di rielaborazione del combustibile.

Europa: ASTRID e MYRRHA

Il progetto ASTRID della Francia (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) mirava a costruire un reattore rapido raffreddato a sodio da 600 MWe come successore di Phénix e Superphénix. Tuttavia, nel 2019 il progetto è stato sospeso a causa di vincoli di bilancio e priorità in evoluzione.

Iniziative internazionali

Il Forum Internazionale Generazione IV (GIF) comprende progetti di reattori veloci come candidati principali: il Reattore Veloce Sodium-Cooled (SFR), il Reattore Veloce a Comando (LFR), il Reattore Veloce a Comando (GFR), il Reattore Rapido a Comando (GFR), i membri collaborano alla ricerca, agli standard di sicurezza e allo sviluppo tecnologico.

Conclusione: un percorso verso l'energia nucleare sostenibile

I reattori veloci non sono semplicemente una curiosità tecnica; sono il pilastro di un'economia nucleare circolare. Con la conversione dell'uranio-238 fertile in plutonio fissile e la combustione dei rifiuti transuranici a lunga durata dai reattori convenzionali, le FBR possono ridurre drasticamente il volume e la tossicità dei rifiuti nucleari, estendendo le risorse di uranio per ordine di grandezza.

Tuttavia, la strada per lo spiegamento commerciale è lunga e costosa: i fallimenti passati e i costi di capitale elevati hanno tentato l'entusiasmo, ma gli impegni rinnovati in Russia, India e Cina dimostrano che la tecnologia è fattibile quando supportata da una politica coerente e da infrastrutture integrate.

Poiché il mondo cerca fonti energetiche a basso tenore di carbonio che possono operare continuamente, i reattori veloci offrono una combinazione unica di potenza di base, riciclaggio di carburante e riduzione dei rifiuti. Il loro successo dipenderà dalla cooperazione internazionale, dall'accettazione pubblica e dalle condizioni economiche che rendono attraente l'allevamento.