RIA Novosti
Vladislav Strekopytov
Reattori veloci e lenti
Il cuore di ogni centrale nucleare è il reattore nucleare. Questo è un dispositivo in cui avviene una reazione a catena controllata di fissione di nuclei pesanti. Il primo di questi dispositivi – CP-1, chiamato Chicago Pile-1 – fu costruito nel 1942 negli Stati Uniti da scienziati dell’Università di Chicago sotto la guida di Enrico Fermi. Consisteva in blocchi di grafite, tra i quali si trovavano sfere di uranio naturale e il suo biossido. I neutroni veloci che apparivano dopo la fissione dei nuclei dell’isotopo dell’uranio-235 furono rallentati dalla grafite alle energie termiche, e quindi causarono nuove fissioni.
Il primo reattore F-1 in URSS e in Europa iniziò a funzionare nel dicembre 1946 a Mosca , nel Laboratorio n. 2 dell’Accademia delle Scienze dell’URSS (ora Centro di ricerca dell’Istituto Kurchatov ). Il progetto per crearlo è stato diretto da Igor Kurchatov .
Nella fase iniziale, tutti i reattori erano sperimentali o di tipo militare, cioè progettati per produrre plutonio di tipo militare dal combustibile di uranio. Nel 1951, gli Stati Uniti tentarono per la prima volta di utilizzare il calore ottenuto nel circuito di raffreddamento di un reattore sperimentale per la produzione di energia. E nel 1954, nell’URSS fu costruita la prima centrale nucleare al mondo con una capacità di cinque megawatt: la centrale nucleare di Obninsk nella regione di Kaluga . Anche il direttore scientifico del progetto era Kurchatov e il capo progettista del reattore era Nikolai Dollezhal.
L’edificio in cui si trova il reattore della prima centrale nucleare di Obninsk al mondo. La centrale nucleare è stata disattivata nel 2002; l’edificio attualmente ospita il Museo dell’energia nucleare.
I reattori come l’SR-1, dove la fissione avviene sotto l’influenza di neutroni lenti, sono chiamati termici. E le installazioni nel cui nucleo non sono presenti moderatori di neutroni sono chiamate reattori a neutroni veloci. La stragrande maggioranza delle centrali nucleari nel mondo oggi utilizza reattori del primo tipo.
“Fin dall’inizio, i padri fondatori hanno capito che i reattori “veloci”, in cui i neutroni provocano immediatamente una fissione ripetuta, hanno i loro vantaggi. E il principale è la capacità di produrre nuovo combustibile”, afferma il vicedirettore dell’Istituto di fisica nucleare e Tecnologia dell’Università Nazionale di Ricerca Nucleare MEPhI Dottore in Scienze Fisiche e Matematiche Georgy Tikhomirov – Ci furono tentativi di costruire dispositivi di questo tipo, ma negli anni ’50 e ’60, l’energia nucleare si mosse lungo il percorso dello sviluppo di reattori a neutroni termici: sono più facili da produrre, sono più economici, sono più facili da controllare. Tuttavia, i reattori a neutroni veloci non sono mai stati dimenticati. In URSS, hanno creato una catena di prototipi a bassa potenza, che in seguito è culminata nella costruzione dei reattori della serie BN: BN -350, BN-600 e poi BN-800. Progetti simili furono realizzati negli USA, Francia, Germania, Giappone, ma lì non andarono avanti per vari motivi, soprattutto economici: sono molti gli elementi che portano all’aumento dei prezzi dell’energia, ma c’erano anche difficoltà tecnologiche: noi le abbiamo superate e abbiamo creato dispositivi affidabili e potenti. Ora altri paesi stanno imparando dalla nostra esperienza: reattori simili vengono costruiti in Cina e India”.
Professore dell’Università Nazionale di Ricerca Nucleare MEPhI Georgiy Tikhomirov (© NRNU MEPhI)
Attualmente, ci sono solo due reattori nucleari a neutroni veloci ad alta potenza in funzione nel mondo: BN-600 e BN-800. Entrambi lavorano nella centrale nucleare di Beloyarsk nella regione di Sverdlovsk . I costi di capitale per la loro costruzione sono circa una volta e mezza superiori rispetto a quelli dei reattori termici di potenza simile. Ma gli scienziati sono sicuri: il futuro appartiene a loro.
Solo un isotopo naturale può effettuare efficacemente la fissione interagendo con i neutroni: l’uranio-235. Ce n’è pochissimo nel minerale di uranio – circa lo 0,7%, e le sue riserve adatte per un’estrazione economicamente efficiente sono limitate. Pertanto, gli scienziati sono alla ricerca di modi per creare isotopi artificiali che supportino la reazione a catena. Il più promettente è il plutonio-239. Si forma nello stesso reattore della centrale nucleare quando un neutrone viene catturato dall’uranio-238, che costituisce la maggior parte del combustibile dell’uranio.
Il combustibile nucleare esaurito contiene circa l’1% di uranio-235 (residuo incombusto) e circa la stessa quantità di plutonio appena formato. Il riutilizzo di questi isotopi, anche nello schema classico con reattori a neutroni termici, consentirebbe, secondo gli scienziati, di risparmiare fino al 30% di uranio.
Quando i reattori a neutroni veloci saranno inclusi nello schema, sarà teoricamente possibile creare un processo in cui il materiale fissile prodotto artificialmente coprirà completamente le esigenze delle centrali nucleari e la necessità di estrarre l’uranio scomparirà, se non per sempre, almeno per molti. anni. I fisici lo chiamano ciclo del carburante chiuso.
© Infografica
“L’AIEA pubblica regolarmente rapporti dai quali risulta chiaro che i reattori termici esistenti possono funzionare per circa 150 anni utilizzando le riserve di uranio esistenti. Cioè, non possiamo parlare di sviluppo su larga scala in questa direzione. E se chiudiamo il ciclo del combustibile nucleare, se impariamo a riciclare il combustibile nucleare e a riutilizzarlo, la questione delle materie prime per l’energia nucleare sarà risolta per le prossime migliaia di anni”.
L’essenza dell’idea è che nei reattori a neutroni veloci il fattore di riproduzione del materiale fissile è maggiore di uno.
“In altre parole, se si mette del combustibile in un reattore “veloce” costituito da uranio-238, che di per sé non supporta una reazione a catena, e da plutonio, che svolge il ruolo di catalizzatore, allora ci sarà più plutonio nel combustibile esaurito rispetto al combustibile originale. Come risultato del ritrattamento “i prodotti di fissione e il plutonio in eccesso vengono rimossi da esso e al loro posto viene aggiunto uranio naturale (o di scarto). Il nuovo combustibile risultante viene raccolto in un gruppo di combustibile e rimesso nel reattore. E questo può ripetersi, se non indefinitamente, almeno per un periodo piuttosto lungo.”
Secondo gli scienziati, questo metodo non solo eliminerà le restrizioni sulle materie prime coinvolgendo le discariche di combustibile esaurito e di rifiuti di arricchimento nel processo di ritrattamento, ma risolverà anche il problema dello stoccaggio dei rifiuti nucleari. Ma affinché i reattori “veloci” diventino “eterni”, è necessario produrre un combustibile speciale.
Miscela promettente
Il combustibile nucleare viene prodotto sotto forma di piccoli pellet posti in tubi ermeticamente chiusi realizzati in leghe di zirconio – elementi combustibili ( elementi combustibili ) combinati in gruppi di combustibile (FA). I pellet utilizzati nei reattori termici sono tipicamente costituiti da biossido di uranio con vari gradi di arricchimento.
“Quando abbiamo iniziato a realizzare i primi assemblaggi, abbiamo testato diverse opzioni, incluso l’uranio metallico. Si è scoperto che quando i prodotti di fissione si accumulano, perde rapidamente la sua forma e si deforma. Abbiamo iniziato a cercare nuovi tipi di combustibile all’uranio. Abbiamo provato l’ossido , nitruro e carburo.Abbiamo optato per il rapporto ottimale “prezzo – qualità – affidabilità” del biossido di uranio.
Il primo passo verso la transizione verso un ciclo nucleare chiuso è stata la creazione del combustibile MOX (dall’inglese Mixed-Oxide Fuel), una miscela di ossidi di diversi metalli. Nella maggior parte dei casi viene prodotto aggiungendo plutonio dal combustibile nucleare esaurito all’uranio impoverito, che consiste principalmente nell’isotopo uranio-238.
Questo approccio rende possibile estrarre circa cento volte più energia dall’uranio naturale rispetto allo schema classico, e la quantità di rifiuti radioattivi che necessitano di trattamento e smaltimento speciali è ridotta di diversi fattori. Inoltre, durante la produzione di combustibili misti, è possibile utilizzare plutonio ad uso militare in eccesso, il cui graduale accumulo costituisce un problema serio.
Il combustibile MOX iniziò ad essere utilizzato nei reattori termici già negli anni ’80. Ora la sua quota di tutto il combustibile nucleare prodotto nel mondo è del 5%, mentre in Francia è del 10%.
“Viene utilizzato principalmente come combustibile aggiuntivo per i reattori termici. Ciò consente di aumentare la risorsa di energia esistente non più del doppio e non risolve i problemi associati al ciclo nucleare aperto. Per avviare l’energia nucleare su vasta scala, rapidamente Sono necessari reattori a neutroni. E la priorità è che lo sviluppo di tali dispositivi spetta alla Russia.”
Il ciclo si è chiuso
In URSS, il primo reattore industriale a neutroni veloci BN-350 fu lanciato nel 1973 nella città di Shevchenko (ora Aktau ) e operò fino al 1999. Si prevedeva che funzionasse con carburante MOX, ma allora questo non fu prodotto. Di conseguenza, per tutto il periodo è stato utilizzato il biossido di uranio.
Centrale nucleare di Mangyshlak nella città di Shevchenko (Aktau). Pannello di controllo della centrale nucleare. Foto del 1977
Il reattore BN-800 della centrale nucleare di Beloyarsk è stato progettato fin dall’inizio per il combustibile MOX. Ma l’hanno caricato gradualmente. Nel 2014 abbiamo iniziato con l’uranio ordinario, nel gennaio 2021, dopo un’altra ricarica, la quota di carburante MOX è aumentata a un terzo e nel gennaio 2022 a due terzi. Solo nel settembre 2022 il reattore è stato portato per la prima volta a piena potenza, caricando al cento per cento con combustibile misto a base di ossido di uranio-plutonio. Questo, senza alcuna esagerazione, può essere considerato l’inizio dell’era dell ‘”energia eterna”.
“Per risolvere il problema della chiusura del ciclo nucleare sono necessarie due cose. La prima è un reattore che funzioni non con uranio arricchito, ma con MOX o qualsiasi altro combustibile, dove il principale materiale fissile sia il plutonio. La seconda è la produzione stabilita del combustibile stesso. Prima di questo, nessuno è riuscito a “realizzare un ciclo nucleare chiuso con un reattore veloce su scala industriale, anche se ci sono stati dei tentativi. E questa è una grande vittoria per la scienza russa”.
Svolta in una nuova energia
Nell’ambito del vasto programma “Sviluppo di attrezzature, tecnologie e ricerca scientifica nel campo dell’uso dell’energia atomica nella Federazione Russa fino al 2030”, è prevista la messa in funzione a Beloyarsk di un reattore a neutroni veloci più potente BN-1200 Centrale nucleare. Ma ancora più interessante, secondo il professor Tikhomirov, è il reattore sperimentale BREST-OD-300, che viene costruito come parte del progetto Breakthrough a Seversk , nella regione di Tomsk .
“In un certo senso, questa è una direzione concorrente. Invece del combustibile MOX, il progetto Proryv utilizza una miscela di nitruri di uranio e plutonio. Questo combustibile è più denso, il che è più redditizio. E invece del sodio, che brucia a contatto con l’acqua, il piombo è usato come refrigerante “I sostenitori del progetto sono fiduciosi che i reattori al piombo abbiano la cosiddetta sicurezza naturale. Qualunque evento accada nel loro nucleo, a causa della grande massa e della buona convezione del refrigerante, le emissioni di sostanze radioattive nell’atmosfera sono esclusi. I calcoli lo confermano.”
Nel sito di Seversk progettano di creare il primo complesso di energia nucleare a ciclo chiuso al mondo. Comprenderà una centrale nucleare con un reattore a neutroni veloci raffreddato al piombo e un impianto in loco in cui il combustibile irradiato misto di nitruro di uranio e plutonio verrà trattato e quindi prodotto in elementi combustibili.
Consegna della piastra di base per il reattore BREST-OD-300 (© JSC “SGChE”, TVEL, TITAN-2)
Costruzione del reattore BREST-OD-300© JSC “SGChE”, TVEL, TITAN-2
“L’obiettivo del progetto Breakthrough è dimostrare che i reattori a neutroni veloci possono competere economicamente con i reattori termici e persino superarli in termini di sicurezza. Se questo “test della penna” avrà successo, il reattore sperimentale BREST-OD-300 sarà seguito dal BR-1200 industriale, e poi, forse, progetti di questo tipo appariranno in altri paesi.”
Secondo le previsioni di Tikhomirov, entro il 2050 tali dispositivi verranno costruiti attivamente in tutto il mondo, insieme a quelli termici. E quando, a causa della carenza di uranio-235, i prezzi dell’uranio arricchito saliranno, forse i reattori a neutroni veloci diventeranno economicamente più redditizi.