Le complessità della creazione di combustibile per i reattori nucleari

Tutti i reattori nucleari a fissione funzionano con combustibile contenente uranio e altri isotopi, ma alimentare un reattore nucleare è molto più complicato che raggiungerli con un autocarro con cassone ribaltabile pieno di minerale di uranio e riempirlo. Sebbene la fissione nucleare sia abbastanza semplice da poter avvenire senza intervento umano come è accaduto ad esempio nei reattori a fissione naturale di Oklo, all'interno di un reattore commerciale l'obiettivo è creare una reazione nucleare a catena che abbia come obiettivo un elevato consumo (velocità di fissione), con un rilascio di energia quanto più costante possibile.

Ogni diverso progetto di reattore a fissione fa una serie di ipotesi sulle barre di combustibile che vengono inserite al suo interno. Queste ipotesi possono riguardare il rapporto di arricchimento degli isotopi fissili come l'U-235, la densità dei singoli pellet di combustibile, la spaziatura tra le barre di combustibile contenenti questi pellet, la configurazione di dette barre di combustibile insieme a qualsiasi controllo, moderatore e altri elementi. e così via.

Di conseguenza, gli odierni reattori ad acqua leggera, reattori ad acqua pesante, reattori a neutroni veloci, reattori ad alta temperatura e simili hanno tutti le proprie preferenze in materia di carburante, con il carburante ad alto dosaggio e basso arricchito (HALEU) che è la novità calda per i nuovi progetti di reattori. Diamo un'occhiata a cosa c'è dentro queste ricette di carburante.

Le materie prime vengono solitamente estratte dal suolo, mentre l'estrazione dell'uranio dall'acqua di mare è uno sviluppo relativamente nuovo. I paesi con la maggior quantità di minerale di uranio disponibile per l’estrazione sono l’Australia (28%), il Kazakistan (15%) e il Canada (9%), con il Canada che ha il minerale di uranio di altissima qualità. Generalmente, il prodotto delle miniere di uranio è U3O8, che contiene circa l'85% di uranio. Il passo successivo dipende dalla necessità o meno di arricchire l’uranio naturale, ovvero dalla quantità di materiale fissile (U-235) aumentata rispetto al livello naturale.

Una volta in un impianto di produzione di combustibile, l'uranio naturale originale sarà in una delle due forme, esafluoruro di uranio (UF6) o triossido di uranio (UO3), con il primo caso quando ha avuto luogo l'arricchimento. Prima che questo possa essere trasformato in pellet di combustibile, questa forma dovrà essere convertita in biossido di uranio (UO2). Questi pellet sono quelli che di solito vengono definiti pellet di combustibile ceramico, in contrasto con i tipi di combustibile metallico usati più raramente (ad esempio ZrU) che venivano utilizzati in alcuni reattori fino agli anni '80. Uno dei principali vantaggi dei pellet ceramici di UO2 è l'elevato punto di fusione di 2.865°C, che è una buona proprietà per l'ambiente ad alta temperatura di un reattore a fissione nucleare.

I pellet di combustibile ceramico vengono prodotti sotto una pressione di diverse centinaia di MPa, dopo di che vengono sinterizzati a 1.750°C in un'atmosfera priva di ossigeno (solitamente argon-idrogeno). I pellet sinterizzati vengono quindi lavorati come fase finale. Ciò li porta alle dimensioni esatte richieste per adattarsi alle barre di combustibile, con l'eventuale materiale rimosso restituito a una parte precedente del processo di produzione dei pellet. Per la maggior parte dei tipi di reattore questi pellet hanno circa 1 cm sia di diametro che di lunghezza.

Un'aggiunta interessante ad alcuni pellet può essere un assorbitore di neutroni bruciabile come il gadolinio (in forma di ossido), che viene aggiunto per rimuovere i neutroni nelle prime fasi del ciclo del combustibile, riducendo così la reattività e consentendo una maggiore durata del combustibile. Più comunemente, il diboruro di zirconio viene aggiunto come assorbitore bruciabile sotto forma di rivestimento sottile su pellet. Questo è utilizzato nella maggior parte dei reattori statunitensi, compreso il tipo AP1000 (e derivati) utilizzato anche in Cina.

Le barre di combustibile stesse sono generalmente realizzate in una lega di zirconio, che ha le proprietà benefiche di avere un elevato punto di fusione, elevata resistenza alla corrosione chimica, alle vibrazioni e agli urti. Queste leghe sono anche essenzialmente trasparenti ai neutroni, il che significa che non interferiscono in alcun modo evidente nella reazione a catena della fissione nucleare del reattore. Queste barre di combustibile contengono un gran numero di singoli pellet di combustibile ceramico, che dopo il riempimento vengono lavati e infine riempiti con gas elio pressurizzato a pochi MPa. Rimane un po' di spazio tra i tappi terminali e i pellet di combustibile, solitamente riempito con una molla che fornisce la compressione alla pila di pellet.