Secondo varie stime, la quota di energia nucleare rappresenta almeno il 10-16% di tutte le risorse energetiche generate nel mondo. In alcuni paesi, come la Francia, l’energia nucleare è ai primi posti: il 71,6%. In Cina la quota dell’energia nucleare non supera il 4%. L’uso dell’energia nucleare è oggetto di dibattito, perché ad esso è associata una serie di problemi reali e possibili:

• la necessità di smaltire i rifiuti radioattivi;
• incidenti che hanno portato a disastri ambientali (centrali nucleari di Chernobyl e Fukushima);
• le centrali nucleari possono essere soggette ad attacchi terroristici e sono potenziali armi di distruzione di massa;
• possibile utilizzo del combustibile delle centrali nucleari nella produzione di armi nucleari.

Ma è un dato di fatto che, nonostante tutti i rischi, l’energia nucleare non può ancora essere completamente sostituita con altre fonti e verrà utilizzata dall’umanità nel prossimo futuro. Pertanto, in questa fase, resta rilevante il compito di ridurre i rischi ipotetici e reali associati all’esercizio delle centrali nucleari.

Schema tipico di produzione di energia nucleare

La produzione di combustibile nucleare inizia con l’estrazione dell’uranio. Nella seconda fase, l’uranio viene arricchito, separando gli atomi più pesanti di uranio-238 dagli atomi più leggeri di uranio-235. È necessario, perché solo i nuclei di uranio-235 sono soggetti alla fissione termica dei neutroni. Il normale funzionamento di un reattore di potenza richiede che la frazione dell’isotopo di uranio-235 sia almeno del 5% (prima dell’arricchimento, la frazione di uranio-235 è di circa lo 0,7%). L’uranio arricchito subisce la conversione da gas a solido, viene miscelato con un plastificante e compresso per formare pellet. Questi pellet vengono inoltre sinterizzati ad alte temperature. I pellet pesano solo pochi grammi, ma hanno un elevato potenziale energetico pari a 400 kg di carbone, 250 kg di petrolio o 360 m3 di gas.

I pellet vengono inseriti in elementi produttori di calore (barre di combustibile) che costituiscono tubi sigillati in lega di zirconio. Le barre di combustibile sono assemblate in cassette individuali. Una cassetta può contenere diverse centinaia di elementi combustibili e il nocciolo del reattore nucleare diverse centinaia di cassette.

Dopo aver inserito le cassette nel reattore, viene avviata una reazione nucleare controllata durante la quale i nuclei di uranio vengono fissi con una grande quantità di calore rilasciato. Per mantenere una reazione nucleare vengono utilizzati neutroni della parte termica dello spettro energetico; pertanto, i reattori nucleari in cui avviene questa reazione sono chiamati reattori a neutroni termici.

Il calore ottenuto viene ceduto all’acqua attraverso il rivestimento delle barre di combustibile mediante diversi circuiti. Sotto pressione, l’acqua riscaldata si trasforma in vapore che fa ruotare la turbina a vapore. Innanzitutto l’energia del vapore viene trasformata in lavoro meccanico, quindi il lavoro meccanico viene trasformato in energia elettrica mediante un generatore di corrente.

Il funzionamento dei reattori a neutroni termici porta alla formazione di combustibile nucleare esaurito, una cassetta con una composizione di combustibile parzialmente bruciato. In questa composizione, la quantità rimanente di uranio-235 è molto piccola e la frazione di uranio-238 è almeno del 90%. Il combustibile viene rimosso dal reattore e inviato ai bacini di stoccaggio del combustibile esaurito dove viene immagazzinato per diversi anni, dopodiché viene rimosso dalla centrale nucleare per lo smaltimento o richiede condizioni speciali di sepoltura dei rifiuti. Pertanto, lo schema tipico della produzione di energia nucleare porta alla formazione di rifiuti problematici e pericolosi per l’ambiente. Pertanto, gli scienziati hanno cominciato a porsi una domanda riguardo all’organizzazione di un ciclo chiuso in cui il combustibile nucleare esaurito viene trasformato in nuovo combustibile dei reattori nucleari. Richiede una reazione di fissione nucleare controllata dell’uranio-238 che è predominante nella composizione del combustibile esaurito. Si è scoperto che questo compito potrebbe essere risolto mediante reattori a neutroni veloci.

Reattore a neutroni veloci

La velocità di movimento dei neutroni è inizialmente molto elevata nella fissione nucleare dell’uranio. Tali neutroni sono chiamati “veloci”. Ma passando attraverso l’acqua che serve come vettore di calore, il neutrone rallenta notevolmente e diventa “lento” (termico). Il neutrone termico provoca la fissione nucleare solo dell’uranio-235, mentre i nuclei dell’uranio-238 rimangono non fissi. Ma se i neutroni veloci fossero lenti, i nuclei di uranio-238 si fissionerebbero con una certa energia rilasciata e formerebbero plutonio-239 che può essere utilizzato anche come combustibile per motori di reazione. Per fare ciò è necessario sostituire l’acqua con un mezzo che non assorba né rallenti i neutroni. Attualmente a questo scopo viene utilizzato soprattutto il sodio, il che rende possibile la realizzazione di un reattore a neutroni veloci.

In questo tipo di apparecchiature, i neutroni veloci interagiscono con l’uranio-238 dopo di che si forma il plutonio-239. Il plutonio-239 può essere successivamente utilizzato per produrre combustibile per reattori a neutroni termici (lenti). I reattori a neutroni veloci consentono di chiudere il ciclo di produzione dell’energia nucleare: il combustibile esaurito viene trattato e rinviato ai reattori termici. Ci sono molti rifiuti precedentemente sepolti di combustibile per motori a reazione nucleare contenenti uranio-238 e, secondo le stime preliminari, questi rifiuti saranno sufficienti per diverse centinaia di anni.

Parliamo ora degli aspetti particolari della produzione e dell’utilizzo del combustibile per i reattori a neutroni veloci.

Combustibile per reattori a neutroni veloci

 La tecnologia per la produzione di combustibile misto di uranio e plutonio per reattori a neutroni veloci comprende tre fasi:

• preparazione della polvere per modellare;
• stampaggio a compressione di pellet;
• sinterizzazione dei pellet.

Se i pellet sono costituiti da più componenti, ad esempio biossido di uranio e plutonio, le polveri devono essere polverizzate e miscelate. In questa fase, l’operatività del combustibile nucleare nel reattore è garantita in larga misura, il che dipende dall’omogeneità della miscela, dalla densità dei grani, dalla dimensione dei grani, dalla microstruttura, ecc.

Nelle linee di processo esistenti per la produzione di uranio per reattori e di combustibile a base di plutonio, le polveri iniziali possono essere prima miscelate e poi polverizzate, oppure miscelate e polverizzate allo stesso tempo. A questo scopo vengono utilizzati mulini a palle o a martelli. Ma tali mulini dimostrano una bassa efficienza di polverizzazione e miscelazione delle polveri iniziali; pertanto, dopo la sinterizzazione dei pellet, si può osservare una netta separazione di due fasi che indica la mancanza di omogeneità richiesta. Inoltre, il processo stesso richiede molto tempo e richiede da diverse a decine di ore. L’impiego diun dispositivo a strato di vortice di particelle ferromagnetiche è considerato un’alternativa.

Dispositivo a strato vortice di particelle ferromagnetiche nella produzione di combustibile misto di uranio e plutonio

I dispositivi a strati di vortice di particelle ferromagnetiche utilizzano un metodo di impatto sulle sostanze fondamentalmente diverso rispetto ai mulini a sfere e a martelli. Il principio di funzionamento di tale dispositivo può essere osservato utilizzando la Figura 1.

Figura 1 – Dispositivo con uno strato a vortice di particelle ferromagnetiche (AVS): 1 – boccola protettiva; 2 – induttore di campo elettromagnetico rotante; 3 – alloggiamento dell’induttore; 4 – camera operativa in materiale amagnetico; 5 – particelle ferromagnetiche

Le polveri iniziali di biossido di titanio e plutonio insieme a particelle ferromagnetiche5 vengono messi in un contenitore di titanio che viene posto nella camera operativa4 del dispositivo AVSP-100 prodotto da GlobeCore. Dopo l’avvio del dispositivo, il contenitore esegue un movimento alternativo assiale. L’induttore2 crea un campo elettromagnetico rotante che fa sì che le particelle ferromagnetiche si mettano in movimento lungo traiettorie complesse e collidano costantemente con le particelle di polveri lavorate, con le pareti della camera operativa e tra loro nel loro percorso generando uno strato di vortici. Nel frattempo, diversi fattori influenzano le polveri lavorate nella camera operativa:

• campo elettromagnetico rotante;
• impatti diretti di particelle ferromagnetiche;
• vibrazioni acustiche e ultrasoniche derivanti dalla collisione di particelle ferromagnetiche;
• magnetostrizione di particelle ferromagnetiche, ecc.

L’effetto globale dei fattori precedenti garantisce una rapida dispersione e omogeneizzazione delle polveri iniziali, il che significa che si ottiene polvere per stampaggio di alta qualità per la produzione di pellet.

Costituendo un pericolo per il personale di manutenzione, l’inserimento dei componenti iniziali e delle particelle ferromagnetiche, nonché il raffreddamento e la rimozione dei componenti vengono eseguiti automaticamente.

Vantaggi dei dispositivi a strato di vortice

I dispositivi a strato di vortice prodotti da GlobeCore presentano i seguenti vantaggi se utilizzati nei processi tecnologici di produzione del carburante per motori a reazione:

• polverizzano e miscelano adeguatamente i componenti iniziali in polvere assicurando che siano distribuiti uniformemente in tutto il pellet;
• polverizzano e mescolano i componenti, oltre ad attivarli; il risultato atteso è un aumento del consumo di carburante;
• i pellet ottenuti sulla base delle polveri lavorate nel dispositivo a strati a vortice si dissolvono completamente nell’acido nitrico, importante per la rigenerazione del carburante del motore a reazione;
• a differenza dei mulini a palle e a martelli, i componenti vengono lavorati in pochi minuti anziché in ore o decine di ore;
• i dispositivi sono di dimensioni compatte e facilmente integrabili nelle linee di processo esistenti di produzione di combustibile per motori a reazione;
• il dispositivo può essere utilizzato in vari schemi di produzione di combustibile nucleare per reattori a neutroni veloci e lenti quando si ottengono polveri finemente disperse e miscele omogenee.