Innovazione nucleare

I primi reattori nucleari avanzati di terza generazione sono in funzione in Giappone dal 1996. Da allora, la tecnologia si è sviluppata rapidamente. I modelli più recenti e avanzati attualmente in costruzione hanno un design più semplice, che riduce i costi di produzione e manutenzione. Sono anche più efficienti e più sicuri. Inoltre sono già in costruzione reattori più piccoli, fino a 300 MW, che in pochi anni potrebbero creare molta confusione nel mercato nucleare.

La tecnologia dei reattori nucleari si è sviluppata per diversi decenni (vedi anche:). I modelli di prima generazione furono sviluppati nel 1950-1960. I progetti di seconda generazione dominano oggi le potenti marine nucleari statunitensi e francesi. Sono anche diffusi in molti paesi del mondo. Nelle classificazioni si distingue anche la terza generazione (e la terza +), sebbene la sua differenza dalle "due" rimanga abbastanza arbitraria.

Vale la pena ricordare che oltre l'85% dell'elettricità mondiale generata dalle centrali nucleari proviene da reattori sviluppati sulla base di progetti principalmente militari.

Ciò ha grandi conseguenze per l'industria nucleare globale, comprese quelle negative. Si spera che siano stati sviluppati reattori di quarta generazione questi saranno progetti civili nel senso stretto del termine, ma finora sono solo nella fase di ricerca e sviluppo o del concetto stesso.

Numero desiderato quattro

I moderni reattori di terza generazione hanno un design più standardizzato rispetto ai reattori della generazione precedente, che accelera il processo di approvazione, riduce i costi e i tempi di costruzione e ha un design più semplice, più robusto e più sicuro con una vita utile più lunga, in genere sessant'anni.

Questi tipi di reattori fanno anche un uso migliore del combustibile, lasciando meno rifiuti. I reattori di quarta generazione dovrebbero sviluppare tutte le caratteristiche desiderate delle unità più moderne, sebbene le specifiche, gli standard internazionali e i requisiti per essi non siano ancora stati definiti. I progetti più noti e promettenti sono i reattori con sodio (SFR) o sale fuso (MSR) come refrigerante.

Il reattore raffreddato a sale è stato messo in servizio per la prima volta con successo già nel 1954, ma gli Stati Uniti hanno comunque optato per modelli raffreddati ad acqua e hanno smesso di supportare progetti alternativi. Attualmente, ad esempio, la Russia produce elettricità dal 2016 in un avanzato reattore SFR che brucia scorie radioattive.

Ci sono altri concetti di raffreddamento nella fase di ricerca e nella costruzione di impianti di prova. Per la quarta generazione, si distinguono sei: oltre al sodio e al sale sopra menzionati, ci sono idee per l'utilizzo di acqua supercritica (SKVR), gas (SCF) e portare (ELB). Il sesto concetto sono i reattori ad alta temperatura (VKHTR) con grafite come moderatore, il cui prototipo è stato costruito dai cinesi racchiudendo combustibile radioattivo in sfere di grafite.

Dei sei possibili design, l'ultima generazione tende ad essere la più credibile. reattore a sali fusi (MSR) con combustibile liquido. Come refrigerante vengono utilizzati sali fusi di fluoro o cloruro.

Poiché il combustibile è il torio, la produzione di plutonio e altri attinidi di lunga durata rimane molto bassa poiché il processo segue una catena di decadimento. ²³²Th invece di ²³⁸U. Inoltre, il plutonio e altri rifiuti di transuranio possono essere utilizzati per avviare il torio. Ciò significa che i rifiuti nucleari possono essere utilizzati come parte della miscela di carburante nell'MSR.

I sali fusi hanno eccellenti proprietà di trasferimento del calore, alto punto di ebollizione, elevata capacità termica e basso danno da radiazioni. Pertanto, questo tipo di reattore può funzionare a una pressione molto più sicura rispetto ad altri modelli e rimuove il calore dal nucleo in modo più efficiente e previene anche fusioni ed esplosioni. Inoltre, il carburante nell'MSR viene utilizzato anche al 90%, rispetto al 3-4% dei comuni reattori ad acqua.

Dopo aver colpito neutroni ad alta energia, la pista diventa fissile. ²³³U, che produce meno scorie radioattive di z ²³⁵Uattualmente utilizzato nelle centrali nucleari. Non è stato ancora utilizzato nell'energia nucleare, poiché è stato tradizionalmente associato alla ricerca su armi nucleari, uranio e plutonio.

Il percorso non è attraente per i militari. Recentemente, NRG, il Petten Nuclear Research Center (1) sulla costa del Mare del Nord nei Paesi Bassi, in collaborazione con la Commissione Europea, ha iniziato a utilizzare i binari come combustibile e il sale fuso come refrigerante (SALIENT).

1. Reattore a sale fuso con un bruco come combustibile a Petten nei Paesi Bassi.

Reattori veloci raffreddati a sodio (SFR) sono idonei al trattamento di rifiuti ad alta attività, in particolare plutonio e altri attinidi. Il metallo liquido (sodio) viene utilizzato come refrigerante al posto dell'acqua. Ciò consente al refrigerante di funzionare a temperature più elevate e pressioni inferiori rispetto ai reattori esistenti, migliorando l'efficienza e la sicurezza del sistema.

SFR utilizza anche lo spettro dei neutroni veloci, il che significa che i neutroni possono essere fissili senza previa moderazione, come nel caso dei reattori operativi.

Reattore a temperatura molto alta (VHTR) raffreddato dal flusso di gas e progettato per funzionare ad alte temperature, fornendo una produzione di energia estremamente efficiente. Il gas ad alta temperatura può essere utilizzato anche in processi ad alta intensità energetica che attualmente utilizzano combustibili fossili come la produzione di idrogeno, la desalinizzazione, il teleriscaldamento, la raffinazione del petrolio e la produzione di ammoniaca.

Reattori pieghevoli come i Lego

Se devono essere costruite nuove centrali nucleari, devono essere molto più economiche di prima.

Le compagnie energetiche sono costrette a cercare soluzioni nucleari più efficienti dopo storie come investimenti falliti in una centrale nucleare convenzionale nella Carolina del Sud, negli Stati Uniti. I suoi costi di costruzione hanno aumentato di un quinto le bollette elettriche dei consumatori e, dopo l'affondamento di 9 miliardi di dollari, la costruzione dell'impianto è stata interrotta. Eventi simili si sono verificati in altri paesi, come il Regno Unito. In Finlandia, la costruzione di un nuovo reattore presso la centrale di Olkiluoto è già in ritardo di otto anni e supera il budget di oltre 6,5 miliardi di dollari.

Questi sei concetti sembrano essere più efficienti e più sicuri degli standard attuali, riducendo notevolmente i costi di implementazione, ma gli esperti vogliono di più: vogliono reattori modulari realizzati con blocchi simili a Lego prefabbricati e assemblati in fabbrica e piccoli reattori (SMR) che siano molto più flessibili da usare.

Ci sono molte startup che lavorano su progetti in miniatura. Molti promettono, come Oklo, sistemi pronti entro il 2025. La più nota società NuScale è considerata leader nella tecnologia mininucleare e mira a costruire una dozzina di reattori da 2026 megawatt entro il 60 con Associated Municipal Power Systems dello Utah.

La MIT Tech Review, tuttavia, raffredda l'ottimismo e rileva che meno di un decennio fa, un piccolo produttore di reattori modulari come NuScale aveva già promesso cose del genere, ma il piano è fallito dopo che non è riuscito a trovare abbastanza clienti.

Un'altra azienda innovativa, TerraPower, fondata da Bill Gates, spera di lanciare un prototipo negli anni '20.reattore a onde avanzate"(DVR). Il concetto TWR esiste da decenni. Invece di fare affidamento esclusivamente sull'uranio arricchito, l'uranio impoverito, in particolare i rifiuti lasciati dagli impianti di arricchimento, dovrebbe essere utilizzato come combustibile di rifornimento.

Inizialmente viene utilizzato l'uranio arricchito, ma poi i reattori possono funzionare con uranio impoverito per decenni. Il sodio liquido viene utilizzato come refrigerante che trasferisce il calore dal reattore alla rotazione della turbina a vapore.

I sostenitori della TWR affermano che tali reattori rimangono più sicuri dei tradizionali modelli raffreddati ad acqua perché funzionano a pressioni più basse e non sono soggetti a un'esplosione di fuoriuscita di carburante come quella avvenuta nel 1986 a Chernobyl. Tuttavia, alcuni esperti ritengono che lavorare con sodio liquido sia estremamente difficile a causa della possibilità di perdite e dell'elevata attività chimica del materiale.

Un'altra tecnologia dello stesso laboratorio, nota come Reattore veloce al cloro fuso (MCFR), non è così avanzato nel funzionamento, ma promette ulteriori miglioramenti in termini di efficienza ed economia. Gli MCFR utilizzeranno il sale fuso sia come mezzo di scambio termico che come mezzo combustibile.

Per ora, tuttavia, il produttore di reattori a sali fusi Transatomic Power ha sospeso le operazioni a settembre 2018, ritenendo di non poter completare i suoi progetti. Le società di reattori modulari spesso soffrono per la perdita di interesse degli investitori. Nel 2011

Generation mPower, uno sviluppatore di piccoli SMR, aveva contratti per costruire fino a sei reattori NuScale, ma l'investimento è stato ritardato e la mancanza di ordini alla fine ha portato alla chiusura dell'intero progetto.

Fortunatamente, nuove iniziative emergono costantemente. La società canadese Terrestrial Energy prevede di costruire una centrale elettrica da 190 MW in Ontario, dove entro il 2030 i primi piccoli reattori a sali fusi produrranno energia a un costo competitivo con investimenti che utilizzano gas naturale come protagonista.

Sappiamo già di almeno un reattore di quarta generazione, che potrebbe entrare presto in funzione.

È stato riferito che la China National Nuclear Corporation, di proprietà statale, ha un prototipo di reattore ad alta temperatura. potenza 210 MWche quest'anno dovrebbe essere collegato alla rete nella provincia orientale dello Shantung. È raffreddato con elio e può funzionare a temperature fino a 1000°C.

Un altro progetto del Regno di Mezzo è l'iniziativa del Ministero delle Risorse Naturali cinese di costruire un piccolo reattore modulare. ACP100 a Changjiang, nell'Hainan. Sarà messo in funzione già nel 2025 e la capacità target sarà di 125 MW.

Dopo diversi precedenti progetti infruttuosi, tra cui il completo abbandono nel 2014 dei tentativi di entrare nel mercato MMR, l'azienda Westinghouse, la cui tecnologia nucleare è seriamente presa in considerazione dalle autorità polacche nel contesto degli investimenti interni nell'energia nucleare, in preparazione da anni, annuncia un investimento multimilionario per dimostrare la prontezza della sua Microreattore eVinci (2) 25 MW per il normale funzionamento già nel 2022.

2. Schema del microreattore eVinci di Westinghouse.

Secondo Power Magazine, il progetto eVinci funzionerà in modo autonomo. Il nocciolo del reattore è un solido monolite in acciaio, nel quale sono presenti canali per le barre di combustibile, un moderatore (idruro metallico) e tubi di calore disposti esagonali, che fungono anche da refrigerante tra i canali del combustibile e tubi di calore. Quest'ultimo estrarrà calore dal nucleo utilizzando una tecnologia basata sulla conduttività termica e sulla transizione di fase liquida. Il calore di processo fino a 600°C sarà utilizzato per scopi petrolchimici e altri scopi industriali.

Altri leader della "piccola" industria nucleare, i russi, sembrano scommettere su centrali galleggianti.

La compagnia nucleare statale Rosatom ha completato la costruzione della prima centrale nucleare industriale galleggiante, dopo di che è stata rimorchiata con successo a destinazione nell'estremo oriente russo, dove l'accesso all'energia è difficile.

Centrale elettrica galleggiante Omonosov accademico ospita due reattori di progetto di una centrale nucleare da 35 megawatt situati su una piattaforma galleggiante e in grado di fornire 70 MW di elettricità alla città. residenti.

In molti paesi sono in corso esperimenti con piccoli reattori SMR modulari. Nel Regno Unito ci sta lavorando Rolls-Royce (3), e in Cina, la citata società CNNC, che, come la Russia, vuole installare dispositivi sulle navi.

3. Visione da mini attore Rolls-Royce

Tuttavia, gli esperti sostengono fermamente che gli SMR non sostituiranno i grandi reattori industriali. Per unità di potenza generata, i costi di investimento per la loro costruzione sono molto più elevati rispetto alle centrali nucleari costruite finora.

E poiché si tratta ancora di prototipi, i costi esatti non sono ancora noti. Tuttavia, c'è il sospetto che le economie di scala - in questo caso su piccola scala - funzionino contro di loro.

Secondo gli esperti, compresi gli autori del rapporto del Centro nazionale polacco per la ricerca nucleare, i reattori SMR possono essere preziosa aggiunta sistemi energetici, ad esempio per centrali elettriche che finora sono state utilizzate per scopi speciali.

Teoricamente possono essere un'ottima soluzione anche per località lontane dalle reti di trasmissione (ad esempio, Russia settentrionale, USA) o in paesi con una bassa capacità totale del sistema elettrico, dove l'uso di blocchi di grandi dimensioni è difficile a causa del bilanciamento della rete.

Sarcofagi temporanei

I progettisti di nuovi tipi di reattori spesso enfatizzano la capacità del loro progetto di "bruciare" o neutralizzare i rifiuti radioattivi pericolosi.

La questione della gestione di tali rifiuti continua a essere uno dei problemi più gravi dell'energia nucleare e la principale ragione dell'opposizione pubblica all'ulteriore sviluppo dell'energia nucleare.

Il caso è tornato sui media mondiali alcuni mesi fa con notizie sulla minaccia di un crollo. Cupola di Runit (4) - un'enorme cupola di cemento nelle Isole Marshall, che immagazzina scorie nucleari, incluso un isotopo estremamente pericoloso ²³⁹Pu. I prodotti delle reazioni nucleari provengono da 67 esplosioni di bombe nucleari avvenute tra il 1946 e il 1958. La tomba nucleare contiene fino a 110 esplosioni. m³ materiali radioattivi.

Si è scoperto che a causa della penetrazione delle acque salate dell'Oceano Pacifico, la struttura ha iniziato a rompersi. Una possibile fuga di notizie - letteralmente minacciosa da un momento all'altro - potrebbe avere conseguenze globali, maggiori di quelle di Chernobyl o Fukushima. La struttura è stata rapidamente costruita nel 1979 quando il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti è venuto a conoscenza dell'impatto catastrofico delle sostanze pericolose sull'ecosistema marino. Il problema è che a quel tempo non si presumeva che la struttura non sarebbe stata ammodernata per molti decenni.

A sua volta, il famoso reattore di Chernobyl n. 4 rimarrà pericolosodecine di migliaia di anni. Nel luglio 2019, trentatré anni dopo l'esplosione, 200 tonnellate di uranio, plutonio, combustibile liquido e polvere irradiata sono state finalmente circondate da un sarcofago di 40 piedi quadrati in acciaio e cemento. tonnellate per un valore di 1,5 miliardi di euro. Il nuovo sarcofago durerà in sicurezza per circa cento anni, dopodiché, sfortunatamente, le sue condizioni inizieranno a deteriorarsi e le generazioni future dovranno decidere cosa fare dopo.

Il materiale radioattivo viene tipicamente prodotto in grandi quantità in ogni fase della produzione di energia nucleare, dall'estrazione e arricchimento dell'uranio al funzionamento del reattore e al ritrattamento del combustibile esaurito.

In ottant'anni di energia nucleare sono stati costruiti 450 reattori industriali, oltre a molte stazioni sperimentali e decine di migliaia di testate nucleari, ed è stato accumulato un grande stock di scorie di vario livello.

"Problema irrisolvibile"

Secondo l'Agenzia internazionale per l'energia atomica, solo lo 0,2-3% circa del volume è costituito da rifiuti ad alta attività (5). Questo è il materiale più pericoloso che rimane radioattivo per decine di migliaia di anni.

Richiede refrigerazione e protezione costanti e contiene il 95% della radioattività associata alla produzione di energia nucleare. Un altro 7% in volume, noto come rifiuti di attività intermediaè costituito da elementi del reattore e nuclei di grafite.

Anche questo è un set molto pericoloso, ma può essere conservato in appositi contenitori perché non emana troppo calore. Il resto sono ingenti somme di cosiddetti rifiuti di basso livello e bassissimo livello, costituiti principalmente da rottami metallici, carta, plastica, elementi edilizi e qualsiasi altro materiale radioattivo connesso all'esercizio e allo smantellamento degli impianti nucleari.

Si ritiene che ca. 22 specie. m³ rifiuti solidi di alto livello e quantità sconosciute in Cina, Russia e basi militari.

Altri 460mila. m³ i rifiuti interrati sono caratterizzati da un'attività moderata. E circa 3,5 milioni di m³ sono classificati come rifiuti a bassa attività. Tuttavia, queste sono solo stime ufficiali. La quantità effettiva di scorie radioattive potrebbe essere molto più alta. Alcuni rapporti affermano che solo negli Stati Uniti vengono prodotti fino a 90 pezzi all'anno. m³ rifiuti di alto livello.

Agli albori dell'energia nucleare non si considerava praticamente alcuno spreco. Autorità, incl. Gli inglesi, gli americani e i russi li hanno poi gettati in mare o nei fiumi, tra cui oltre 150 persone. tonnellate di rifiuti a bassa attività. Da allora, miliardi di dollari sono stati spesi cercando di capire il modo migliore per ridurre la produzione e poi mantenerla per l'eternità.

Molte idee sono già emerse, ma la maggior parte di esse è stata respinta in quanto poco pratica, troppo costosa o inaccettabile dal punto di vista ambientale. Questi includono il lancio di rifiuti nello spazio, il sequestro nella roccia sintetica, il seppellimento in strati di ghiaccio, lo scarico nelle isole più isolate del mondo e lo scarico nelle fosse oceaniche più profonde del mondo.

Le soluzioni proposte basate non sul ritrattamento (ad esempio nei reattori di quarta generazione), ma sullo stoccaggio, possono essere suddivise in due gruppi: confezionamento e posizionamento in qualche luogo, preferibilmente remoto e appartato, o legame di una sostanza radioattiva sotto forma di cemento, sale, vetro, scorie e riposto in un luogo sicuro.

Negli Stati Uniti, per legge, tutti i rifiuti ad alta attività degli Stati Uniti devono essere inviati a Monti Yucca in Nevada, a circa 140 km a nord-ovest di Las Vegas - designato come deposito geologico profondo dal 1987. Tuttavia, questa ingiunzione ha portato a questioni legali, normative e costituzionali in corso, diventando oggetto di controversia politica.

Gli indiani Shoshone, i Nevada e altri gruppi combattono le discariche da anni. Nonostante vi sia stato scavato un enorme tunnel (6), il permesso per il suo utilizzo non è mai stato rilasciato e l'area è ormai quasi deserta. Non si sa nemmeno cosa farne, anche se l'amministrazione Trump vuole tornare sul progetto.

6. Ingresso al deposito di scorie nucleari a Mount Yucca, Nevada.

Nel Regno Unito, il governo ha offerto denaro alle comunità locali ma non è riuscito a convincere alcun governo locale a mantenere un deposito permanente di rifiuti profondi.

Le massicce proteste contro lo smaltimento di detriti radioattivi in ​​Francia e Germania hanno contribuito alla popolarità del Partito dei Verdi e hanno ritardato o interrotto a tempo indeterminato i lavori sui depositi proposti. Solo la Finlandia sembra essere vicina al completamento di un deposito profondo per i rifiuti ad alta attività.

A maggio sono iniziati i lavori per un impianto di "incapsulamento", dove i rifiuti saranno confezionati in contenitori di rame e portati in gallerie sotterranee fino a 500 m di profondità, ma la sicurezza a lungo termine dei contenitori è ancora in dubbio.

Paul Dorfman, fondatore del Nuclear Consulting Group, un gruppo di scienziati internazionali ed esperti indipendenti nel campo delle scorie radioattive, della politica nucleare e dei rischi ambientali, scrive su The Guardian.

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Trasmutazione laser

Tuttavia, la ricerca di concetti significativi continua. Di recente, ispirata dalla fratturazione idraulica, è nata l'idea di perforare pozzi verticali fino a 5 metri di profondità. per me iniezione nelle fessure delle rocce di una sostanza sgradevole, qualcosa come fessure nel processo di estrazione del gas di scisto.

Deep Isolation, fondata da Liz Mueller e suo padre Richard Muller, professore all'Università della California a Berkeley, è nota per questi progetti. Alcuni scienziati affermano che questa opzione è promettente, ma ci sono dubbi, poiché l'estrazione dei rifiuti di perforazione verticale potrebbe essere praticamente impossibile.

Un'altra tecnologia nota come trasmutazionemira a ridurre la radiotossicità attraverso l'uso di laser per convertire (trasmutare) atomi in isotopi pericolosi. È stato studiato per decenni nel Regno Unito, negli Stati Uniti, in Svezia e in altri paesi, ma senza molto successo.

Tuttavia, questa idea è stata restituita a dicembre 2018 grazie al fisico francese Gerard Moore (7), Premio Nobel, che, nella sua lezione in occasione del Premio Nobel, ha parlato della possibilità di utilizzare i raggi laser per neutralizzare i nuclei atomici radioattivi.

Muru dice che il tempo necessario per un'emergenza di scorie radioattive potrebbe potenzialmente essere ridotto da migliaia di anni a pochi... minuti! Tuttavia, si riserva che la versione laser per le scorie radioattive, che lui e il Prof.

Toshiki Tajima dell'Università di Irvine in California ha bisogno di molti altri anni di ricerca. Muru e Tajima vogliono creare acceleratore super veloce controllato da un laser che produce un raggio di protoni in grado di penetrare gli atomi. Il compito principale è accorciare il raggio: non è facile risolverlo.

Forse la soluzione finale ai problemi sarà ancora una volta la fusione termonucleare. Entro il 2030, la Cina annuncia la costruzione di un nuovo reattore ibrido (8) che sarà in grado di "bruciare" scorie radioattive attraverso la fusione nucleare.

8. Visualizzazione di un promettente reattore nucleare ibrido

Le centrali nucleari tradizionali producono una grande quantità di rifiuti, il cui componente principale è l'uranio-238, che non può essere utilizzato nei moderni reattori a fissione. Il reattore ibrido proposto utilizzerebbe la fusione nucleare per decomporsi. ²³⁸In teoria, è anche possibile trasformare i rifiuti dei reattori tradizionali in nuovo combustibile.

Il progetto è in fase di sviluppo presso l'Accademia cinese di fisica e ingegneria nel Sichuan, un centro di ricerca militare top secret che conduce anche esperimenti con armi nucleari cinesi. Il cuore della centrale ibrida proposta sarà un reattore a fusione alimentato da una corrente elettrica di 60 trilioni di ampere.

Il reattore sarà ricoperto da un guscio riempito di uranio-238. Neutroni ad alta velocità generati da atomi divisi per fusione. ²³⁸U, che potrebbe produrre una grande quantità di energia per supportare la fusione e quindi ridurre notevolmente la quantità di energia proveniente dall'esterno. L'intero sistema sarà incentrato sul consumo completo di combustibile nucleare e sulla prevenzione della formazione di eventuali scorie radioattive.

prof. Wang Hongwen, vicedirettore del progetto del reattore ibrido, ha dichiarato in un comunicato stampa che i componenti chiave saranno sviluppati e testati già intorno al 2020 e che il reattore sperimentale sarà completato entro il 2030. Un reattore ibrido potrebbe essere più facile da costruire, dice, in parte perché ha bisogno solo di un quinto dell'energia esterna di un reattore a "fusione pura" per mantenerlo in funzione.