Combustibile nucleare

Un combustibile nucleare è un materiale fissile che viene posto nel nocciolo di un reattore nucleare al fine di produrre elettricità tramite il calore generato dalla fissione nucleare.

In realtà parlare di "combustibile" in tale contesto è inesatto in quanto la fissione nucleare non è una combustione (che è un processo chimico di ossidazione). In altre parole gli atomi non vengono ricombinati (trasformazione o reazione chimica), ma proprio spezzati e/o trasformati ovvero trasmutati. Tipicamente i combustibili nucleari sono materiali radioattivi già liberamente in natura.

Le varie fasi che riguardano il combustibile nucleare, dalla sua estrazione mineraria e fabbricazione fino allo smaltimento o riprocessamento del combustibile esausto, compongono il ciclo del combustibile nucleare.

Composizione

L'uranio-235 è l'unico isotopo fissile presente in natura, che si trova in basse concentrazioni nell'uranio naturale. Gli unici altri due isotopi fissili utilizzati come combustibile che trovano applicazione industriale sono il plutonio-239 e l'uranio-233, che si ottengono tramite trasmutazione nucleare rispettivamente dall'uranio-238 e dal torio-232 .

Il combustibile nucleare può contenere anche materiali fertili, come uranio-238 o torio, che può essere convertito in materiale fissile quando assorbe un neutrone. Un reattore autofertilizzante è un reattore che utilizza materiale fertile per produrre più materiale fissile di quanto ne consumi. In alcuni reattori autofertilizzanti, il nocciolo è suddiviso in due distinte zone: una zona di combustibile principale, responsabile del mantenimento della reazione nucleare autosostenuta, e una zona fertilizzante, che la circonda e nella quale il materiale fertile viene convertito in nuovo materiale fissile.

Nel contesto commerciale, il principale combustibile nucleare è l'uranio, nella maggior parte dei casi in forma di pastiglie ceramiche di diossido di uranio (UO₂). Tuttavia, esistono molti esempi di combustibile che sfruttano uranio in forma metallica pura, così come molti composti di uranio diversi, quali ossidi, leghe, nitruri o carburi. Nella maggior parte delle applicazioni, il combustibile nucleare é costituito da uranio arricchito in uranio-235 fino al 5%, sebbene esistano reattori progettati per operare con uranio naturale (non arricchito) o con arricchimenti sopra il 5%.

Combustibile in forma di ossidi

Le pastiglie di ossido metallico ceramico, tipicamente di diossido di uranio, sono il combustibile standard per quasi tutti i reattori del mondo. I reattori ad acqua leggera (LWR) utilizzano diossido di uranio a basso arricchimento, mentre i reattori ad acqua pesante pressurizzata utilizzano diossido di uranio naturale. Gli ossidi metallici si sono dimostrati i combustibili di maggior successo per i reattori nucleari. Nel 2019, tutti i reattori nucleari commerciali utilizzavano combustibili a ossido.

Uno dei principali vantaggi dei combustibili a ossido è la loro elevata temperatura di fusione. I combustibili a ossido presentano un'eccellente stabilità chimica ed esistono in un'unica fase in un ampio intervallo di composizione e temperatura. Sono inoltre efficaci nel trattenere i prodotti di fissione durante il funzionamento. I combustibili a ossido possono anche essere drogati con altri elementi per aumentarne la stabilità alle radiazioni, inclusa la capacità di trattenere i gas di fissione. Ciò permette di aumentare la resa e l'efficienza del combustibile. Tutti i principali ossidi metallici comunemente utilizzati, UO₂, PuO₂ e ThO₂, condividono la stessa struttura cristallina della fluorite.

L'ossido di uranio viene anche utilizzato in miscela con l'ossido di plutonio per formare un combustibile ad ossido misto - Mixed-Oxide (MOX). Il combustibile MOX è un'alternativa al combustibile a uranio a basso arricchimento (LEU) utilizzato nei reattori ad acqua leggera, che sono la principale tecnologia per la produzione di energia da fonti nucleari. Questa tipo di combustibile, in particolare, é stata sviluppato con l'intento di ridurre il consumo di uranio, riutilizzare il plutonio prodotto dalla trasmutazione dell'uranio-238, e facilitare la chiusura del ciclo del combustibile.

Combustibile in forma metallica

I combustibili metallici sono facili da fabbricare e presentano un'elevata conduttività termica e densità di atomi fissili. I combustibili metallici vantano una lunga storia di utilizzo, che va dal reattore a grafite X-10 del 1943, e numerosi reattori sperimentali e di ricerca. Si possono utilizzare uranio o plutonio metallico puro, tuttavia i combustibili nucleari metallici si trovano spesso sotto forma di leghe, che migliorano le properietá fisiche e di risposta all'irraggiamento. I combustibili metallici possono anche incorporare attinidi minori, che li rende ottimi candidati per la chiusura del ciclo del combustibile nucleare. Come nel caso del combustibile a ossido, gli elementi di combustibile metallico sono tipicamente inseriti in una guaina metallica, che ha il duplice ruolo di fornire supporto strutturale ed impedire il rilascio dei prodotti di fissione nel fluido refrigerante del reattore.

Rispetto agli ossidi, i combustibili metallici sono più facili da produrre e riprocessare, ma soffrono di un maggiore rigonfiamento sotto irraggiamento. Hanno un punto di fusione inferiore rispetto ai combustibili ceramici e quindi non possono resistere a temperature altrettanto elevate. I combustibili metallici si gonfiano maggiormente sotto irraggiamento perché trattengono meglio i gas di fissione rispetto ai combustibili a ossido. Anche i prodotti di fissionedella classe dei lantanidi tendono a migrare verso la superficie del combustibile e possono reagire con le guaine ferrose.

Sebbene i combustibili metallici fondano a una temperatura inferiore rispetto a quelli ceramici, la loro conduttività termica di gran lunga superiore si traduce in temperature di picco del combustibile significativamente più basse, riducendo il rischio di fusione dell'elemento di combustibile. Il combustibile metallico presenta inoltre un elevato coefficiente di dilatazione termica, che rappresenta una caratteristica di sicurezza intrinseca. Infatti, la riduzione di densitá del combustibile con l'aumento di temperatura, aumenta la fughe di neutroni dal combustibile, rallentando la reazione. Allo stesso, imetalli hanno anche un minore coefficiente Doppler, che fornisce una piú lenta risposta a variazioni di potenza, garantendo maggiori coefficienti di sicurezza durante il raffreddamento. Rispetto ai combustibili ceramici, i combustibili metallici hanno una minore capacità termica, il che consente un facile raffreddamento del combustibile in caso di incidente. Pertanto, anche con temperature di fusione più basse, la probabilitá di danneggiamento dei combustibili metallici può essere significativamente più bassa rispetto a quello dei combustibili ceramici.

Sebbene l'uranio metallico puro abbia la piú alta densitá tra i possibili elementi fissili, le sue scarse proprietá fisiche, chimiche e di risposta all'irraggiamento, ne limitano il suo uso come combustibile nei reattori. Per migliorarne le caratteristiche di irraggiamento, viene solitamente legato con altri elementi. Le leghe utilizzate includono uranio-zirconio (U-Zr), uranio-idruro di zirconio (UZrH) e uranio-molibdeno, nonché composti intermetallici come uranio-alluminio o uranio-silicio.

I combustibili metallici sono spesso utilizzati nei reattori veloci per la loro facilità di fabbricazione, l'elevata densità di materiale fissile e la facilità di riprocessamento . Il combustibile metallico è facilmente riciclabile tramite fusione o piroprocessamento . I primi reattori veloci raffreddati a sodio (SFR) utilizzavano prevalentemente combustibile metallico, in particolare l'Experimental Breeder Reactor II (EBR-II). Problemi successivi, in particolare il rigonfiamento indotto dalle radiazioni, hanno portato i programmi di reattori veloci a passare al combustibile a ossido. Grazie a una migliore comprensione del comportamento del combustibile metallico nell'EBR-II, sono stati sviluppati combustibili metallici in grado di funzionare ad alto grado di irraggiamento. Materiali di rivestimento migliori, in particolare l'HT9, hanno risolto in gran parte i problemi di deformazione del combustibile metallico.

Nei reattori al sodio, lo sviluppo di combustibili metallici é concentrato su leghe di uranio-zirconio (comunemente U-10%Zr o U-10Zr) o su leghe di uranio-plutonio-zirconio (U-Pu-Zr). Queste leghe, in particulare, possono essere fabbricate con l'aggiunta di attinidi minori, il che rende queste leghe ottimi candidati per il combustibile nucleare per bruciatori di attinidi e chiusura del ciclo del combustibile nucleare. Le leghe a base di zirconio presentano una buona stabilità all'irraggiamento e compatibilità chimica, e sono facili da riprocessare. Negli Stati Uniti, il programma del reattore veloce Integral ha sviluppato combustibili U-Zr e U-Pu-Zr in grado di resistere ad alti livelli di irraggiamento senza che il combustibile si danneggi severamente.

Combustibile TRIGA

Il combustibile TRIGA viene utilizzato nei reattori TRIGA (Training, Research, Isotopes, General Atomics). Il reattore TRIGA utilizza combustibile UZrH, che ha un coefficiente di reattività della temperatura del combustibile immediatamente negativo, il che significa che all'aumentare della temperatura del nocciolo, la reattività diminuisce. Molti di questi reattori sono progettati per avere elevate fughe di neutroni, che possono essere utilizzati per la ricerca, che fa di essi ottime sorgenti di neutroni per applicationi secondarie. Un esampio è il reattore TRIGA mark II dell'Universitá di Pavia, utilizzato per analisi ad attivazione neutronica e per la Boron Neutron Capture Therapy (BCNT), un trattamento contro forme di cancro maligne invasive, che sfrutta l'alto potere assorbente di neutroni del Boro-10.

Utilizzo

Durante il funzionamento del reattore gli atomi del "combustibile" vengono progressivamente scissi tramite il processo a catena di fissione nucleare: il materiale viene man mano trasformato in altri elementi e/o isotopi, rilasciando con ciò energia termica, la quale viene "asportata" dal reattore e utilizzata da opportuna macchina termica per azionare meccanicamente un'idonea turbina accoppiata ad alternatore, e produrre così energia elettrica.

Tipicamente la massa del combustibile nucleare presente nel reattore raggiunge la cosiddetta massa critica cioè la quantità necessaria affinché si inneschi una reazione a catena che si autosostenga in maniera stabile.

Il "combustibile" nucleare è solitamente disposto, all'interno del reattore, in barre. Questo sia per rendere più facile il loro trasporto, sia per poter alternare il combustibile alle barre di moderazione e controllo sia per rendere più agevole la loro estrazione a fine ciclo.

I "combustibili" più comunemente utilizzati sono miscele contenenti un alto contenuto di isotopi fissili. Tipicamente si utilizzano miscele ad alto contenuto di uranio 235 o di alcuni isotopi di plutonio. A seconda del tipo di reattore il combustibile può essere direttamente l'elemento fissile o piuttosto un suo ossido, può essere in forma di una lastra metallica o in forma di sferette - dette granuli - alternate ad altre sostanze che svolgono la funzione di moderatore.

Il materiale fissile deve essere collocato con una disposizione geometrica che massimizzi l'efficienza dell'effetto catena, tenuto conto della necessità di lasciare sufficiente spazio per inserire il moderatore. Durante la fase di progettazione di un reattore nucleare bisogna anche lasciare spazio alle barre di controllo e a dispositivi diagnostici. Da un punto di vista puramente teorico la forma ideale sarebbe quella sferica. Tuttavia motivi di ordine pratico e costruttivo fanno propendere per soluzioni di altro tipo: solitamente si utilizza una forma cilindrica ottenuta dall'accostamento di un gran numero di barre.

Combustibile esaurito

A differenza di quanto avviene per un combustibile tradizionale (come il carbone, il petrolio, il metano o la legna), in un reattore nucleare il consumo del combustibile è molto lento e una volta caricato dura generalmente, a seconda del tipo di reattore e del suo utilizzo, parecchi anni. D'altra parte le operazioni di ricarica sono notevolmente più complesse.

A differenza di quanto avviene con altri tipi di combustibili il prodotto della reazione (le cosiddette scorie) non vengono disperse, ma rimangono principalmente all'interno delle barre stesse o degli elementi immediatamente confinanti.

Con l'avanzare del tempo le barre diventano sempre più povere di materiale fissile, fino ad arrivare ad un punto in cui non è più efficiente sfruttarle e devono essere sostituite. A seconda delle geometrie del reattore può succedere che una parte del combustibile si esaurisca più velocemente di altre parti: tipicamente la parte centrale si esaurisce più in fretta di quella esterna. La configurazione a barre è utile in questo caso perché permette la sostituzione soltanto delle parti più esaurite.

Le barre esaurite, così come il materiale nelle immediate vicinanze, sono diventate altamente radioattive a causa della presenza dei prodotti di fissione generati dalle reazioni nonché di altro materiale che si può essere attivato durante il processo per cattura neutronica o in conseguenza di altri processi analoghi. Lo smaltimento delle barre esaurite è pertanto la parte più complessa dello smantellamento delle scorie del reattore.