Le moderne tecniche di piroelaborazione promettono di fornire combustibile nucleare di origine nazionale a un costo accessibile per i reattori di prossima generazione, riducendo drasticamente il volume e la tossicità dei rifiuti rimanenti.

Circa il 5% dell'uranio in una barra di combustibile di un reattore ad acqua leggera viene utilizzata per produrre energia prima che le barre vengano rimosse dal reattore e poste in un deposito permanente, lasciando che le scorie nucleari esaurite (SNF) continuino a decadere a un tasso di tossicità relativamente alto per centinaia di migliaia di anni.

Il lavoro sul riciclaggio di SNF (poco meno di un terzo delle quasi 400.000 tonnellate prodotte a livello globale è stato ritrattato) ha avuto risultati contrastanti, producendo materiali potenzialmente pericolosi per armi e a un costo significativamente superiore rispetto all'estrazione di più uranio.

L'attuale capacità di ritrattamento mondiale è di circa 2.000 tonnellate all'anno attraverso stabilimenti in Francia, Gran Bretagna, India e Russia.

Dopo l'invasione russa dell'Ucraina, garantire un approvvigionamento nazionale di combustibile per i reattori nucleari statunitensi è diventata una priorità e una linea di ricerca sembra particolarmente promettente per i reattori nucleari di prossima generazione attualmente in fase di sviluppo.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory degli Stati Uniti hanno iniziato a lavorare sul riciclaggio del combustibile per reattori veloci all'inizio degli anni Sessanta durante lo sviluppo dell'Experimental Breeder Reactor-II (EBR-II) e successivamente durante il programma Integral Fast Reactor (IFR).

Argonne ha esteso il lavoro iniziato con l'EBR-II, un reattore a neutroni veloce, per sviluppare processi pirochimici per il riciclaggio di ossido, carburo e altri combustibili avanzati.

L'IFR, un reattore veloce raffreddato a metallo liquido, è stato successivamente progettato per produrre energia e consumare rifiuti e mentre ci lavoravano i ricercatori hanno adottato un piroprocesso in base al quale una reazione elettrochimica viene utilizzata per separare gli attinidi desiderati dai prodotti di fissione indesiderati per il riciclaggio in nuovo combustibile .

"In questo momento, il nostro obiettivo è spostare la piroprocessing in uno stato pronto per l'implementazione", afferma Krista Hawthorne, responsabile della sezione Pyroprocess Engineering di Argonne.

Piroprocessing ed elettroraffinazione

La piroelaborazione prende i pellet di ossido ceramico duro recuperati dai reattori ad acqua leggera, circa il 95% dei quali è ancora uranio e un altro 1% è costituito da elementi radioattivi a lunga durata attinidi mentre il resto sono prodotti di fissione inutilizzabili, e converte i costituenti dell'ossido in metallo.

Quel metallo viene quindi immerso in una vasca di sale fuso dove, attraverso l'elettroraffinazione, una corrente elettrica dissolve selettivamente e rideposita l'uranio e altri elementi riutilizzabili che vengono poi utilizzati per fabbricare combustibile che può essere utilizzato dai reattori veloci.

Il 4% del carburante che è prodotto di fissione inutilizzabile deve ancora essere smaltito tramite stoccaggio permanente, sebbene la sua tossicità radioattiva torni ai livelli di uranio naturale entro poche centinaia di anni, notevolmente inferiori alle molte migliaia di anni che impiegano i SNF non trattati tornare perché la maggior parte degli isotopi di lunga durata è stata riciclata.

Tossicità radiologica relativa dei componenti del carburante usato

Oggi, gli LWR rimangono il progetto standard per i reattori nucleari negli Stati Uniti, per i quali l'uranio grezzo è un combustibile economico e facilmente disponibile, ma man mano che i reattori veloci si avvicinano alle dimostrazioni e, entro la fine del decennio, l'adozione commerciale, il combustibile riciclato potrebbe essere la norma.

Attraverso un ampio lavoro sull'economia del riciclaggio del carburante, lo studio di Argonne del 2018, "Progettazione concettuale di un impianto di pirotrattamento su scala pilota", indica la fattibilità dell'elettroraffinazione come soluzione pratica per la gestione del carburante usato e il riciclaggio per i reattori veloci.

Nella ricerca, un sistema progettato per riciclare 100 tonnellate di carburante all'anno aveva un costo di capitale totale di 398 milioni di dollari, comprese apparecchiature di processo e sistemi di supporto, che si stima costassero 93 milioni di dollari e il costo dell'impianto di 305 milioni di dollari.

Si stima che l'aumento fino a 400 tonnellate all'anno corrisponda a un costo di capitale totale di 911 milioni di dollari e un costo operativo annuale di 90 milioni di dollari.

Dal rilascio dello studio, Argonne ha migliorato questo progetto per portarlo a un livello commercialmente valido utilizzando la tecnologia più recente.

"Stiamo facendo cose come l'integrazione di alcuni dei sensori di prossima generazione che abbiamo sviluppato con il controllo di processo per migliorare l'efficienza. Stiamo cercando di migliorare il metodo di raccolta del prodotto, riducendo il costo dei processi e stiamo utilizzando anche tecniche come l'apprendimento automatico", afferma Hawthorne.

Argonne sta sviluppando un gemello digitale dell'elettroraffinatore che riceve feedback dai sensori di monitoraggio sviluppati internamente in modo che il team sia in grado di identificare e rispondere alle mutevoli condizioni di elettroraffinazione in tempo reale.

"Stiamo lavorando su queste linee per migliorare l'efficienza e lavorare verso l'industrializzazione della piroelaborazione", afferma.

Oklo a bordo

Il lavoro di Argonne, insieme allo sviluppatore di microreattori Oklo, ha attirato l'attenzione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).

Ad agosto, il Segretario all'Energia degli Stati Uniti Jennifer Granholm ha avuto un tour dei programmi sperimentali dell'azienda ad Argonne dal CEO dei fondatori di Oklo Jacob DeWitte e dal COO Caroline Cochran insieme al direttore del laboratorio Argonne Paul Kearns.

Lo sviluppatore con sede in California ha ricevuto 11,5 milioni di dollari per tre premi competitivi DOE, incanalati attraverso il Technology Commercialization Fund (TFC), ARPA-E OPEN e ARPA-E ONWARDS, per sviluppare tecnologie di riciclaggio avanzate in collaborazione con Argonne.

Oklo ha anche ricevuto una sovvenzione tramite il Gateway for Accelerated Innovation in Nuclear (GAIN) per lavori termoidraulici sperimentali di metalli liquidi presso la nuova struttura METL (Mechanisms Engineering Test Loop) di Argonne.

La società, che dispone di un permesso di utilizzo del sito dal DOE per costruire il suo primo impianto presso l'Idaho National Laboratory (INL) e ha sviluppato la prima applicazione di licenza combinata a fissione avanzata, afferma di essere sulla buona strada per implementare il suo primo reattore avanzato commerciale negli Stati Uniti entro il 2025.

I reattori veloci di nuova generazione, come l'Aurora di Oklo, sono supportati dal riciclaggio del combustibile usato e offrono quindi una soluzione tanto necessaria per chiudere il ciclo del combustibile nucleare.

"In questo momento, i rifiuti sono un'enorme responsabilità e ci sono enormi spese solo per immagazzinarli, quindi se qualcuno dovesse pagarci per toglierglieli dalle mani, questo cambia l'economia. Anche se è gratuito, è comunque vantaggioso ed economico", dice il COO Cochran.

L'attuale preoccupazione per il costo del riciclaggio è infondata, afferma Cochran, soprattutto quando si alimentano reattori veloci di nuova generazione come Aurora di Oklo, Natrium di TerraPower o reattori a sale fuso di Moltex ed Elysium.

"Non c'è un vero motivo fondamentale per cui dovrebbe essere così costoso. È il modo in cui lo gestisci e lo regoli. Il carburante è il nostro costo singolo più grande. Se possiamo riciclarlo, allora possiamo davvero ottenere costi inferiori a qualsiasi cosa sulla rete oggi, " lei dice. + Esplora ulteriormente

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