Il martello di Thorio

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Ok, il titolo di questo articolo potrebbe sembrare un gioco di parole stupido, ma va detto che l'elemento di cui parliamo oggi, il Torio, ha ricevuto il suo nome proprio in onore della divinità norrena, di recente anche supereroe Marvel.

Che cos'è il Torio?

Il Torio è un elemento chimico che ha simbolo Th e numero atomico 90; la quasi totalità del Torio che si trova in natura ha numero di massa 232 ed è debolmente radioattivo (decade emettendo una particella alfa e dando inizio ad una catena che termina col Piombo 208, che è stabile). È stato il secondo elemento radioattivo a venire scoperto (dopo l'Uranio) ed è stato isolato nel 1898.

Il Torio NON è un elemento fissile, e pertanto non può dare luogo ad una reazione a catena di reazioni auto-sostenute, ma è un elemento fertile, ovvero può essere trasmutato in un elemento fissile se sottoposto a bombardamento neutronico (processo che prende il nome di "fertilizzazione" o "breeding").

Il 232-Th, assorbendo un neutrone, diventa infatti 233-Th; quest'ultimo è instabile e va incontro a decadimento β- trasmutandosi in Protoattinio 233 (233-Pa). Il protoattinio è poi soggetto ad un nuovo decadimento β- e si arriva così all'Uranio 233, che è fissile.

Questa catena prende il nome di ciclo Torio-Uranio.

Proprio come col ciclo Uranio-Plutonio (che abbiamo visto quando abbiamo parlato di reattori veloci), è possibile costruire dei reattori basati sul Torio autofertilizzanti, dove il rapporto di produzione di fissile è superiore a 1 (per ogni atomo che si fissiona, si creano uno o più atomi di fissile a partire dal fertile).

Un reattore autofertilizzante al Torio condividerebbe coi reattori veloci alcuni importanti aspetti positivi: "brucerebbe" infatti tutto il combustibile, lasciando come prodotti residuali solo i frammenti di fissione - che, ricordiamolo, sono radioattivi, ma decadono in isotopi stabili in tempi brevi - e, a parità di energia, genererebbe trenta volte meno scorie degli attuali reattori termici.

Rispetto al ciclo U-Pu, il ciclo Th-U avrebbe però un ulteriore vantaggio: la probabilità che un nucleo di 232-Th assorba un neutrone è si trasformi in Uranio fissile è circa la stessa per i neutroni termici e per i neutroni veloci. Questo significa che sarebbe possibile costruire reattori autofertilizzanti al Torio raffreddandoli con semplice acqua, invece di dover progettare sistemi più complessi e costosi come quelli dei reattori veloci (anche se va detto che i reattori veloci avrebbero comunque dei vantaggi dovuti al fatto che possono operare a temperatura più alta, e dunque hanno un rendimento maggiore e sono più adatti alla produzione di idrogeno).

L'Uranio 233 che si genera nel processo di breeding ha poi degli altri grossi punti a suo favore:

1. Innanzitutto ha una sezione d'urto molto più bassa dell'Uranio 235 e del Plutonio 239 per quanto riguarda l'assorbimento neutronico: in altre parole, a parità di neutroni l'Uranio 233 garantisce un tasso di fissioni più elevato, migliorando quindi l'economia del reattore (in un reattore nucleare i neutroni sono preziosissimi: meno neutroni vengono assorbiti, più neutroni sono liberi di rompere atomi).
2. In secondo luogo, se anche si verificasse un assorbimento neutronico da parte di un atomo di 233-U, il risultato sarebbe 234-U, che si trova ad appena un altro assorbimento neutronico di distanza dal generare un nuovo isotopo fissile (il ben noto Uranio 235).

Un ulteriore vantaggio del Torio è che non richiede un processo di arricchimento, e l'Uranio 233 che si produce all'interno del reattore è inadatto a fini bellici (emette infatti radiazioni gamma in grado di danneggiare l'elettronica di un eventuale ordigno), il che rende sostanzialmente impossibile la proliferazione militare.

Infine, si stima che il Torio sia da 3 a 5 volte più abbondante dell'Uranio sulla crosta terrestre.

Dunque è fatta: abbiamo un combustibile disponibile in grandi quantità, con una densità energetica altissima, che non produce scorie di durata millenaria, non pone problemi di proliferazione militare e può essere impiegato in reattori con raffreddamento ad acqua. Abbiamo risolto tutti i nostri problemi, perché non lo stiamo ancora utilizzando?

Purtroppo non è tutto così semplice.

L'impiego del Torio come combustibile nucleare è allo studio da decenni, e alcuni paesi (in particolare l'India) stanno investendo parecchio sullo sviluppo di reattori autofertilizzanti a spettro termico (Thermal Breeding Reactors, TBR) che sfruttino questo elemento. Se però oggi si continua a investire molto sull'Uranio è perché il Torio ha anche degli svantaggi.

• Il primo e più importante problema del Torio è che serve un neutrone per trasmutarlo in Uranio 233 e poi un secondo neutrone per innescare la fissione, il che è poco efficiente. Per ovviare a questo problema vi sono due strade: una è quella di utilizzare neutroni veloci, che hanno maggiore probabilità di causare la fissione degli atomi di Uranio 233 e minore probabilità di venire assorbiti; l'altra è quella di riprocessare il combustibile, ovvero di estrarlo, lavorarlo e reimmetterlo nel reattore in modo da mantenere percentuali di Uranio e Torio che consentano di avere sia criticità (tasso di fissioni costante nel tempo) sia un rapporto di produzione di fissile superiore a 1.
  La prima strada ovviamente ci riporta al problema dei reattori autofertilizzanti al Plutonio: servono sistemi di raffreddamento che non rallentino i neutroni, e dunque non si può usare l'acqua; la seconda strada ha il problema che una tecnologia efficiente per il riprocessamento del Torio al momento non esiste (i processi ci sono, ma sono estremamente costosi).
• Il secondo problema del Torio è che il ciclo di breeding passa per il Protoattinio 233, che ha un tempo di dimezzamento di 27 giorni, e questo è male per tre motivi:

1. La produzione di fissile è molto ritardata rispetto alle fissioni;
2. il 233-Pa è altamente radiotossico, quindi le tecnologie per il riprocessamento devono poter essere controllate da remoto;
3. il 233-Pa è un veleno neutronico, quindi peggiora l'economia neutronica dal reattore (questo è vero soprattutto nei reattori termici).

Per finire, dal momento che il Torio 232 non è fissile di per sé, occorre utilizzare del materiale fissile (Uranio 235 o Plutonio 239) come "kickstarter" della reazione a catena, con un grado di arricchimento che dipende dalla tipologia di reattore (i reattori veloci richiedono arricchimenti più alti).

Nessuno di questi problemi è ovviamente insormontabile, ma prima di arrivare ad una tecnologia cost-effective in grado di essere implementata su larga scala servirà ancora parecchia ricerca.

Al momento il filone più promettente, oltre a quello dei Thermal Breeding Reactors (che richiedono il riprocessamento), è quello dei reattori a sali fusi di Fluoro e Torio (Liquid Fluoride Thorium Reactor, LFTR): questi reattori utilizzerebbero come combustibile il Tetrafluoruro di Torio (più facile da sintetizzare rispetto al Diossido di Torio che si utilizza nei TBR) disciolto all'interno del fluido refrigerante, che può essere un qualunque sale di Fluoro (come il Fluoruro di Sodio), e sfrutterebbero i neutroni veloci.

Il design più promettente è quello basato su due fluidi, separati da una barriera: un fluido-core ad alta densità di fissile dove l'Uranio 233 va incontro a fissione, e un fluido-blanket dove il Torio viene fertilizzato, che circonda il core.

L'Uranio 233 di nuova formazione viene recuperato tramite l'iniezione di ulteriore fluoro fuso, che va a legarsi col fissile formando Esafluoruro di Uranio (lo stesso composto utilizzato nelle centrifughe per l'arricchimento). L'Esafluoruro di Uranio, essendo un gas, fuoriesce dalla soluzione, per cui lo si può prelevare, trattare chimicamente per trasformarlo in Tetrafluoruro di Uranio (che è solido) e mandarlo nel core.

Il fluido-core viene periodicamente sottoposto ad alogenazione e a distillazione sottovuoto per purificarlo e far precipitare i prodotti di fissione sul fondo, permettendo al reattore di funzionare a ciclo continuo e di fertilizzare lo stesso combustibile che poi andrà a bruciare.

Si tratta sicuramente di un design estremamente attraente, con numerosi punti a favore, ed è per questo che diversi paesi stanno finanziando la ricerca per sviluppare questo modello (Giappone, Cina, UK, USA, Australia e Olanda).

Ma alla fine di tutto questo, si può dire che il Torio sia "meglio" dell'Uranio?

No, sarebbe sbagliato, e una grossa stupidaggine:
Dal punto di vista del rendimento e della densità energetica, non vi sono grosse differenze tra i reattori autofertilizzanti Uranio-Plutonio e quelli Torio-Uranio, e per entrambi i limiti all'implementazione su scala industriale sono puramente tecnologici. Le due tecnologie non competono: sono entrambi fronti aperti di ricerca destinati ad essere l'uno il complemento dell'altro. Il Torio sembra tuttavia soffrire meno dello stigma popolare rispetto all'Uranio, e pertanto potrebbe essere una scelta vincente in quei paesi dove le persone manifestano scetticismo nei confronti dell'energia nucleare.

-Luca

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