TerraPower e il magico mondo degli FBR

Post originale su FB: https://www.facebook.com/AvvocatoAtomico/posts/168951341437731

Visto che in questi giorni si è ricominciato a parlare del progetto TerraPower - azienda di reattori nucleari fondata da Bill Gates con lo scopo di portare energia nei paesi poveri e contrastare il cambiamento climatico - mi sembra l'occasione giusta per cercare di chiarire un po' le idee su questa tecnologia.

Abbiamo visto in un articolo di qualche tempo fa (https://telegra.ph/Scorie-03-25-2) che i reattori oggigiorno utilizzano come combustibile Uranio con un tasso di arricchimento di isotopo 235 compreso tra il 3% e il 7% e vengono raffreddati ad acqua (solitamente mantenuta liquida tramite la pressione). Abbiamo visto anche come una piccola parte dell'Uranio 238, quello non fissile che compone il resto del combustibile, durante il funzionamento del reattore assorba neutroni trasformandosi in Plutonio a seguito di un doppio decadimento beta. Abbiamo visto infine come, tramite il riprocessamento, si possa recuperare e riciclare il Plutonio andando a creare nuovo combustibile a ossidi misti (detto MOX).

Nei reattori tradizionali il rapporto tra le reazioni di assorbimento neutronico e quelle di fissione è di 0,6 a 1; nei CANDU (reattori raffreddati ad acqua pesante che sfruttano combustibile non arricchito, quindi con solo lo 0,72% di fissile) questo rapporto sale a 0,8 a 1.

Questo significa che, ipotizzando un 5% di fissile iniziale in un reattore PWR (Pressurized Water Reactor), e supponendo (molto generosamente) di riuscire a sfruttarlo del tutto, all'interno del combustibile esausto ci sarà un 3% di Plutonio recuperabile, e un 92% di Uranio 238 che rimarrà come prodotto di scarto, e a cui andrà aggiunto eventualmente l'Uranio impoverito che avanza dal processo di arricchimento.

Si può tuttavia rendere questo processo più efficiente: le sezioni d'urto (ovvero le probabilità) delle reazioni di assorbimento neutronico e di fissione sono fortemente dipendenti dall'energia cinetica dei neutroni, che all'interno di un reattore nucleare vengono prodotti sia dalle fissioni sia dai decadimenti degli isotopi di transizione. Quando i neutroni sono più lenti (neutroni termici) le reazioni di fissione sono favorite, se invece i neutroni hanno energie più alte (neutroni veloci) è favorito l'assorbimento neutronico.

È possibile quindi costruire reattori in cui il rapporto tra le due reazioni sia sbilanciato a favore dell'assorbimento neutronico, e quindi in cui si produca più fissile di quanto se ne consumi? Sì.

In questo senso la bella notizia è che i neutroni che si producono durante i processi di fissione e durante i decadimenti radioattivi hanno già energie cinetiche elevate, e non occorre quindi accelerarli; la brutta notizia è che sia l'acqua leggera che quella pesante agiscono da moderatori (rallentano i neutroni) e quindi non possiamo utilizzarle per raffreddare un reattore simile.

Naturalmente, dato che il numero di neutroni in circolazione è limitato e che un maggior numero di essi viene assorbito nel processo di fertilizzazione, occorre aumentare la probabilità che i neutroni rimanenti causino una fissione, e quindi bisognerà anche utilizzare del combustibile con un maggior grado di arricchimento.

I reattori di questa tipologia vengono detti Fast Breeding Reactors, dove Fast si riferisce ovviamente al fatto che sfruttano i neutroni veloci e Breeding è il nome che si dà al processo di creazione di nuovo combustibile fissile a partire dall'Uranio 238: in italiano questo processo prende il nome di "fertilizzazione", e l'Uranio 238 viene detto "fertile".

Negli FBR (Fast Breader Reactor) il rapporto tra le reazioni di assorbimento neutronico e quelle di fissione è di 1,2 a 1: questo significa che per ogni cinque atomi di fissile che si rompono se ne generano sei nuovi. Ovviamente questo processo (detto "Ciclo Uranio-Plutonio") non può durare in eterno, perché si andranno progressivamente ad esaurire gli atomi di fertile, ma questo ci fa immediatamente capire quale sarebbe il primo grosso vantaggio dei reattori di questo tipo: permetterebbero di sfruttare il 100% dell'Uranio, invece che solo il fissile naturale (l'isotopo 235, che costituisce appena lo 0,72% del totale).

Inoltre, visto che l'Uranio 238 è il costituente principale dei rifiuti nucleari ad alta attività, gli FBR consentirebbero anche di riciclare la maggior parte delle scorie radioattive prodotte fino ad ora dall'industria nucleare civile, andando a bruciare proprio quegli elementi con tempi di decadimento millenari, e senza generarne di nuovi: da un FBR uscirebbero infatti solo i prodotti residuali della fissione - in molti casi radioattivi, ma con tempi di decadimento generalmente brevi (l'elemento radioattivo prodotto in quantità non trascurabili che si mantiene pericoloso più a lungo è il Cesio 137, il cui tempo di dimezzamento è di circa 30 anni).

Il secondo grosso punto a favore degli FBR, ed è di nuovo immediatamente evidente, è il fatto che da una singola barra di Uranio si riuscirebbe ad estrarre molta più energia, perché dove prima si andava a fissionare una percentuale molto bassa della massa del combustibile, adesso lo si può sfruttare praticamente al 100%.

Per dare un'idea dei numeri:

• il potere calorifico del Diossido di Uranio arricchito al 3% è di circa 2 milioni di MJ/kg in un reattore tradizionale;
• in un FBR sarebbe di 76 milioni di MJ/kg, oltre 35 volte più grande.

Questo significa che, a parità di energia, un FBR consuma molto meno combustibile di un reattore tradizionale, e dunque non solo produce rifiuti che hanno tempi di smaltimento molto più brevi, ma ne produce anche quantità significativamente minori. Un dato che può dare un'idea degli ordini di grandezza in gioco è il seguente: se l'intera umanità utilizzasse unicamente reattori FBR per sopperire alle proprie esigenze energetiche, supponendo un tenore di vita pari a quello medio europeo per tutti e una popolazione mondiale di 10 miliardi di persone, TUTTI i rifiuti nucleari generati IN UN SECOLO occuperebbero all'incirca il volume di UNA nave container.

Ora: se siete arrivati fino a qua, vi renderete conto che parliamo di una tecnologia con un potenziale estremamente interessante, in grado di:

1. generare quantità enormi di energia;
2. a partire da pochissima materia prima;
3. smaltendo eventualmente le scorie radioattive dei reattori tradizionali;
4. producendo zero emissioni e pochissimi rifiuti, smaltibili in tempi ridotti;
5. e tutto questo per millenni, visto che solo le scorie prodotte fino ad ora dalla sola industria militare statunitense basterebbero ad alimentare l'umanità per 700 anni, e il mondo è ancora pieno di Uranio.

Dov'è la fregatura?

La fregatura è che, come si è detto prima, reattori simili richiedono sistemi di raffreddamento non basati sull'acqua, e questi ultimi sono complessi e, soprattutto, costosi. Tanto costosi da rendere attualmente sconveniente l'impiego di energia generata tramite FBR rispetto all'energia generata tramite reattori tradizionali o centrali a gas (soprattutto ora che il gas da fracking è particolarmente a buon mercato).

Tuttavia i vantaggi degli FBR sono tanti e tali da far sì che moltissimi paesi stiano investendo in ricerca su questa tecnologia, esplorando nuove soluzioni che possano essere convenienti su scala industriale.

Attualmente lo studio sui sistemi di raffreddamento alternativi si divide in tre grossi filoni:

1. Reattori raffreddati tramite metalli liquidi (LMFR: Liquid Metal Fast Reactor), che a loro volta si dividono in reattori raffreddati tramite sodio metallico fuso (SCR: Sodium-Cooled Reactor - alcuni reattori di questa tipologia, i modelli BN-600 e BN-800, sono già in funzione in Russia) e reattori raffreddati tramite piombo fuso (LCR: Lead-Cooled Reactor, attualmente in sviluppo). Potete vedere degli schemi riassuntivi della struttura di questo tipo di reattori nelle immagini 1 e 2, rispettivamente.
2. Reattori raffreddati tramite sali fusi (di sodio o di fluoro), generalmente indicati con la sigla MSR (Molten Salt Reactor): tra le caratteristiche rilevanti di questa tipologia di reattori vi è il fatto che il combustibile, invece di essere inserito nel reattore sotto forma di pastiglie solide all'interno di un cladding metallico, sarebbe disciolto direttamente all'interno del fluido refrigerante, il che consentirebbe di operare con un core completamente liquido, e pertanto di non doversi preoccupare di meltdown eventuali (schema nell'immagine 3, notate l'assenza di barre di combustibile).
3. Reattori raffreddati a gas (solitamente si usa l'elio): questi reattori sono in grado di operare a temperature molto più alte, e pertanto vengono indicati, con molta fantasia, con la sigla VHTR (Very High Temperature Reactor, immagine 4).

Una cosa comune a tutte queste tipologie di reattori è il fatto che, non avendo il problema dell'ebollizione del fluido refrigerante, possono operare a temperature maggiori (rendimento più alto) e a pressioni più basse (nessun rischio di esplosioni di vapore saturo) rispetto ai reattori raffreddati ad acqua.

A cosa sta lavorando TerraPower?

L'azienda fondata da Bill Gates è attiva nella ricerca sia sui reattori raffreddati a sodio metallico fuso che in quella sui reattori raffreddati a sali fusi, ma la vera innovazione che sta cercando di portare avanti è ancora un'altra.

Abbiamo visto infatti che nei reattori autofertilizzanti le reazioni di fissione danno origine a nuovo fissile, consumando il fertile. Tuttavia questo non permette comunque al reattore di funzionare a ciclo continuo fino all'esaurimento dell'Uranio, in quanto alcuni dei sottoprodotti della fissione che si generano nel frattempo sono potenti veleni neutronici (assorbono neutroni), e, quando l'accumulo di questi ultimi diventa eccessivo, il reattore diventa sub-critico e inizia a perdere potenza. Per questo, nei reattori come il BN-800 russo, occorre comunque periodicamente estrarre il combustibile, farlo riprocessare (quindi separare il Plutonio e l'Uranio 238 dai prodotti di fissione) e poi reinserirlo nel reattore: la stessa barra di combustibile può essere riprocessata anche dieci volte prima di esaurire il fertile.

È ovvio che si tratta di un processo anti-economico, per evitare il quale TerraPower ha creato un design innovativo e interessante: l'idea è è quella di utilizzare una piccola quantità di Uranio altamente arricchito (20-30% di isotopo 235) come kickstarter della reazione al centro del nocciolo, e di circondarlo con una serie di anelli cilindrici concentrici formati da barre di Uranio 238, andando a creare una sorta di struttura "a cipolla". La reazione inizierebbe al centro, ma i neutroni veloci prodotti andrebbero rapidamente a fertilizzare il primo strato esterno di Uranio 238, trasformandolo in Plutonio, la fissione del quale fertilizzerebbe lo strato successivo, e così via fino a consumare tutto il combustibile: in questo modo i prodotti di fissione resterebbero confinati nella zona di reazione precedente, e non avvelenerebbero quelle successive.

Il fatto che la generazione di energia si muova dal centro verso l'esterno un po' come l'onda generata da un sasso lanciato in uno stagno è il motivo per cui questo particolare design ha preso il nome di "Traveling Wave Reactor" (reattore ad onda viaggiante).

Un altro design che, in maniera diversa, evita i riprocessamenti multipli del combustibile, è quello di Aurora, reattore attualmente in sviluppo, sempre negli USA, da parte dell'azienda Oklo Inc. (immagine di copertina).

I reattori così costruiti avrebbero anche la caratteristica di poter funzionare senza bisogno di refueling per tempi molto lunghi: Aurora è pensato per essere ricaricato solamente una volta ogni 10 o addirittura 20 anni, mentre TerraPower prevede di produrre reattori che bruceranno una singola carica di combustibile, la quale dovrebbe durare 50 anni (trattandosi di progetti ancora in fase di sviluppo, i condizionali sono d'obbligo).

I reattori veloci pongono problemi di proliferazione militare? Assolutamente no, e questo è uno dei motivi per cui, dopo essere stati sviluppati già all'inizio della guerra fredda ed essere stati utilizzati con successo nell'ambito della propulsione navale (i vascelli a propulsione nucleare utilizzano tutti reattori a neutroni veloci), la ricerca su di essi è stata a lungo ferma. Infatti, per quanto per "iniziare" le reazioni di fissione nel nocciolo sia necessario un combustibile con un grado di arricchimento più elevato (20-30%) questo è ancora lontano dal livello weapon-grade (che è il 90-95%), mentre per quanto riguarda il Plutonio che si genera nel processo di self-breeding, la sua composizione isotopica è troppo impura per essere utile a fini bellici - si generano infatti elevate quantità di Plutonio 240, altamente instabile e dunque inadatto all'utilizzo in dispositivi a innesco.

Nell'arco dei prossimi 10-20 anni lo sviluppo della quarta generazione di reattori nucleari, basata su FBR e SMR (di cui abbiamo già parlato qui: https://telegra.ph/SMR-03-25) sarà di cruciale importanza per arrivare alla decarbonizzazione della produzione di energia elettrica, e per questo seguire gli sviluppi di queste ricerche sarà fondamentale.

-Luca

NOTA PER I LETTORI: un ciclo molto simile a quello Uranio-Plutonio è il ciclo Torio-Uranio, che può avvenire anche con neutroni termici. Approfondiamo il tema del Torio in questo articolo: https://telegra.ph/Torio-03-25

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