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18. Ciclo del combustibile

Fino verso la fine degli anni '70 vi è stato un forte interesse allo sviluppo dei reattori

veloci, in quanto sistemi capaci di produrre, attraverso il meccanismo della

fertilizzazione più combustibile di quanto ne venga consumato. Tale entusiasmo

riposava sulla convinzione di una espansione continua dell'energia nucleare, e quindi

sulla necessità di poter disporre di combustibile fresco in grandi quantità ed a buon

mercato. Tale incentivo è scemato, fino a scomparire, con la crisi del nucleare

seguita agli incidenti di Three Miles Island e di Chernobil.

Attualmente vi è una riscoperta dell'importanza che la fertilizzazione, o breeding, può

rivestire in rapporto ai nuovi sistemi "innovativi", veloci e termici, proposti in vari

laboratori.

Per innovativi si intendono quei sistemi che, rispetto alla generazione attuale,

presentano una o più delle seguenti caratteristiche:

1- hanno un elevato contenuto di sicurezza intrinseca,

2- sono caratterizzati da cicli di combustibile chiusi, per cui riducono

significativamente il problema dei rifiuti radioattivi (elementi attinidi) a

lunghissima vita, (1)

3- hanno caratteristiche di non-proliferazione e anti-diversione .

I sistemi innovativi più interessanti, e promettenti, sono naturalmente quelli che

rispondono a tutti questi punti, anche se la loro pratica fattibilità è ancora da

dimostrare. Tratteremo nel seguito questi aspetti in rapporto ad alcuni scenari

proposti su cui vi è un largo consenso. Qui ci limiteremo a considerare alcuni punti

riguardanti il meccanismo della fertilizzazione in rapporto a due cicli di combustibile:

il ciclo dell'uranio-plutonio ed il ciclo del torio-uranio. Questi cicli sono basati sulle

catene di decadimento illustrate nelle figure riportate di seguito.

Come noto, i materiali fissili sono quelli fissionabili in tutto il range energetico dei

neutroni, in particolare ad energie termiche, mentre quelli fertili sono fissionabili solo

ad energie neutroniche molto elevate.

I reattori (veloci) in cui ha luogo il processo di breeding, possono essere distinti in

due grandi categorie: i reattori cosiddetti convertitori e quelli autofertilizzanti. I primi

stanno a designare quei sistemi che convertono in modo rilevante il materiale fertile

in materiale fissile di tipo diverso da quello primario presente nel sistema all'inizio

delle operazioni, mentri i sistemi autofertilizzanti producono ad un tasso apprezzabile

lo stesso tipo di materiale fissile primario.

1 Per diversione qui si intende sottrazione illegale di materiale fissile.

1

2

Indicheremo con BR (breeding ratio, o rapporto di fertilizzazione) la quantità

Quantità di combustibi

le termicame

nte fissile prodotto

=

BR Quantità di combustibi

le termicame

nte fissile distrutto

Il rapporto di fertilizzazione così definito vale sia par i reattori convertitori che per

quelli autofertilizzanti. D'ora in poi non staremo a distinguere, se non per casi

particolari, questi due diversi tipi di reattori che chiameremo più generalmente

fertilizzanti.

Risulta chiaro dalla definizione del rapporto di fertilizzazione che, per assicurare la

completa conversione di tutto il fertile U-238 e Th-232 estraibili economicamente, è

praticamente necessario che:

(BR) 1

Se (BR)< 1, continuando a bruciare combustibile nuovo precedentemente fertilizzato,

si utilizzerebbero le risorse naturali solo in parte. Un atomo di materiale fissile

primario risulterebbe in (BR) nuovi atomi fissili. Questi ultimi, una volta consumati,

2

risulterebbero in (BR) nuovi atomi di fissile, ecc. Il numero totale di atomi fissili

usati viene in definitiva ad essere:

1

2

l+(BR)+(BR) + ... = −

1 BR

Quindi per ciascun atomo fissile originale consumato, solamente:

3

1 BR

− =

1

− −

1 BR 1 BR

atomi di materiale fertile sono trasformati in atomi di fissile.

Nel ragionamento fatto sopra non si è tenuto conto della presenza, nell'uranio

naturale, dell'isotopo fissile U-235. In realtà, in questo materiale, all'incirca lo 0.7%

degli atomi appartiene a tale isotopo. Teoricamente quindi, per ottenere un burn-up

integrale, si dovrebbe avere una produzione di 0,993 atomi di fissile prodotto per

0.007 atomi di fissile bruciato, cioè il rapporto di fertilizzazione dovrebbe soddisfare

l'equazione:

1 0 .

993

− =

1

1 BR 0

.

007

da cui si ottiene facilmente che, in questo caso:

BR = 0.993 < 1 .

Per torio, il limite inferiore teorico del BR per ottenere un burn-up integrale è

ovviamente l'unità.

Una misura dell'efficienza di un dato materiale fissile a contribuire con i suoi neutroni

di fissione in eccesso alle catture nel materiale fertile è data dalla quantità (η-1), così

definita.: ν

η − = −

1 1

+ α

1

ν,

dove come è noto, rappresenta il numero di neutroni secondari per fissione, mentre

α

la quantità è data dal rapporto tra la sezioni d'urto di cattura e quella di fissione del

materiale fissile, cioè:

_

σ c

α = _

σ f

dove le sezioni d'urto si intendono mediate sullo spettro neutronico

La quantità (η-1) indica, chiaramente, il numero di neutroni emergenti da un processo

di assorbimento nel combustibile, seguito da fissione, disponibili per la

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AUTORE

Atreyu

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria energetica
SSD:
A.A.: 2012-2013

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Ingegneria del nocciolo e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università La Sapienza - Uniroma1 o del prof Gandini Augusto.

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