Reattori nucleari di nuova generazione - fisica/mente

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Reattori nucleari di nuova generazione 4 Ogni sfera del diametro di circa 60 mm è costituita da un guscio di grafite all’interno del quale sono presenti 15.000 particelle di diametro di poco più di mezzo millimetro che contengono il combustibile di ossido di uranio. Ogni particella possiede una serie di gusci concentrici che avvolgono il combustibile nucleare: si parte dallo strato esterno di carbonio pirolitico, che a sua volta contiene il rivestimento di carburo di silicio il quale, data la sua notevole resistenza, ha la funzione di contenitore a pressione per i prodotti di fissione. Vi è poi un ulteriore strato di carbonio pirolitico che insieme ad un ultimo strato di carbonio poroso ospita al proprio interno il nucleo di ossido di uranio. Nel nocciolo oltre alle sfere di combustibile sono presenti anche 100.000 sfere che contengono solamente grafite: ciò consente di controllare la distribuzione di potenza e di temperatura del reattore. In media ogni minuto una sfera di combustibile viene estratta dal basso del nocciolo e dall’alto ne viene inserita una nuova. In tal modo ogni sfera viaggia gradatamente verso il basso impiegando circa 6 mesi a completare il suo iter. Il nocciolo si trova quindi sempre in condizioni ottimali dal punto di vista del combustibile e ogni sfera è sottoposta a sollecitazioni inferiori rispetto a quelle che deve sopportare un elemento di combustibile fisso, aumentando pertanto il grado di sicurezza di questi nuovi reattori rispetto agli attuali. L’elio preleva l’energia termica prodotta dal nocciolo e viene immesso ad una temperatura di 900 ◦ C direttamente in una turbina a gas la quale, accoppiata all’alternatore, produce l’energia elettrica. L’elio di raffreddamento ha alcuni vantaggi rispetto all’acqua naturale: in primo luogo il sistema alternatore-turbina ad elio ha un rendimento del 40% rispetto a quello del Un dossier di Claudio Sartori, aggiornato al 03.03.2006 25% dell’analogo sistema utilizzato nei reattori raffreddati ad acqua naturale. In secondo luogo l’elio è un gas inerte e come tale non reagisce chimicamente con i materiali con cui viene a contatto, al contrario dell’acqua che ha invece una azione corrosiva sulle strutture del reattore. Un ulteriore vantaggio dei reattori a letto di sfere è dato dalle dimensioni sicuramente più contenute rispetto ai reattori attuali; inoltre il numero ridotto di sottosistemi presenti ne abbatte il costo complessivo, assolvendo al requisito di competitività economica richiesto dal progetto Generation IV. 4 Reattori raffreddati ad acqua Anche sui reattori convenzionali raffreddati ad acqua si cerca di apportare alcune migliorie che consentano di aumentarne la sicurezza e abbassarne il costo. La tendenza è quella di progettare reattori a potenze inferiori rispetto alle attuali in modo tale da aver moduli di dimensione più piccola. Inoltre si vuole portare all’interno del contenitore metallico in pressione anche il generatore di vapore e il sistema di attuazione delle barre di controllo. In questo modo il sistema non può subire in caso di incidente una perdita significativa del liquido refrigerante, fatto che si verificò a Three Mile Island. Inoltre le barre di controllo non possono venire espulse dal nocciolo aumentando così notevolmente la sicurezza del sistema. Il reattore IRIS, progettato dalla Westinghouse Electric con una potenza di uscita fino a 350 MW, è un esempio di impianto di IV generazione raffreddato ad acqua. Un ulteriore sviluppo per questa tipologia di reattori è dato dalla possibilità di funzionamento a temperature e pressioni superiori a quelle del punto critico dell’acqua. In tali condizioni non può esistere la fase liquida dell’acqua che si presenta quindi esclusivamente sotto la forma di vapore. Questo fatto costituisce una notevole semplificazione dell’impianto del ricircolo del vapore che diventa monofase; inoltre l’acqua al di sopra del punto critico possiede una elevata conducibilità termica e un grande calore speci- http://www.torinoscienza.it/ c○ 2002 Provincia di Torino
Reattori nucleari di nuova generazione 5 fico, tutte caratteristiche che portano ad avere un rendimento termico fino al 45%. Il maggiore svantaggio dell’utilizzo dell’acqua come refrigerante rimane l’alto livello di corrosione a cui sono sottoposte le strutture del reattore: è necessario pertanto sviluppare nuovi materiali che siano più resistenti al degrado. 5 Reattori raffreddati con metalli pesanti Un neutrone affinché possa provocare una reazione di fissione deve essere rallentato fino a velocità termiche. Esiste tuttavia una classe di reattori a spettro veloce che invece utilizzano neutroni a velocità superiori (dell’ordine di 13 milioni di km/h): questi reattori hanno il vantaggio rispetto a quelli termici di produrre insieme con le reazioni di fissione anche elementi fissili come il plutonio. Per poter moderare i neutroni fino alle velocità richieste è necessario farli collidere con bersagli più pesanti dell’idrogeno in modo tale che nell’urto non cedano troppa energia cinetica. Per questo motivo come moderatore vengono utilizzati dei metalli allo stato liquido, ad esempio il sodio. Tuttavia questo metallo ha il grosso inconveniente che se viene a contatto con l’acqua si incendia e può dare origine anche a delle esplosioni. Inoltre ha bisogno di due fasi di raffreddamento prima di entrare in turbina e ciò non lo rende economicamente conveniente nei confronti degli altri refrigeranti. Quindi l’attenzione dei progettisti si è rivolta verso una miscela eutettica di piombo e bismuto (LBE) che ha le caratteristiche migliori per questa tipologia di reattori. Un dossier di Claudio Sartori, aggiornato al 03.03.2006 Un reattore a spettro veloce raffreddato a LBE possiede alcuni vantaggi. L’elevato punto di fusione della miscela LBE permette di operare a pressione atmosferica senza bisogno quindi di pressurizzare il contenitore del reattore con conseguente miglioramento della sicurezza. Si eliminerebbero tutte le tipologie di incidente caratteristiche dei reattori PWR. La presenza del piombo è utile per schermare le radiazioni (raggi gamma) riducendo la necessità di utilizzare pesanti e costose schermature. Inoltre può essere interessante esaminare la possibilità di far circolare il refrigerante in modo naturale, solamente in base alla variazione di densità del liquido in funzione della temperatura, senza quindi far uso di pompe che potrebbero guastarsi. Infine la miscela LBE ha una elevata capacità di trasferire calore e questo permette di progettare noccioli molto compatti, quindi più piccoli ed economici. La Russia ha appena ultimato il progetto del reattore BREST, raffreddato con LBE, che con i suoi 1200 MW di potenza potrebbe soddisfare il fabbisogno di energia elettrica di più di 900.000 abitazioni. L’aspetto forse più interessante dei reattori veloci di IV generazione risiede nella possibilità di bruciare alcune scorie radioattive prodotte dal reattore stesso, migliorando sia il rendimento energetico dell’impianto, sia risolvendo in parte il grosso problema del trattamento e stoccaggio delle scorie. Le scorie radioattive possono essere suddivise in due grossi gruppi: i prodotti di fissione del nucleo come il cesio e il kripton che sono altamente radioattivi, ma hanno una vita media che in genere non è superiore ai 30 anni e i cosiddetti elementi transuranici (elementi non presenti in natura che hanno numero atomico maggiore di 92 cioè dell’uranio) debolmente radioattivi ma con vite medie che vanno da alcune decine di migliaia di anni ad alcuni milioni. Il problema del trattamento delle scorie assume pertanto due aspetti differenti: i nuclidi radioattivi a vita media relativamente breve sono destinati a diventare innocui nel giro di qualche decina d’anni, mentre per gli elementi transuranici sussiste la necessità di doverli confinare per tempi estremamente lunghi, impattando sicuramente sulla qualità della vita delle generazioni future. Per questa seconda categoria di scorie http://www.torinoscienza.it/ c○ 2002 Provincia di Torino
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