Facilitare la tecnologia avanzata dei reattori nucleari attraverso l’innovazione dei combustibili

Mi piace immaginare un mercato dei combustibili nucleari in cui un progettista di reattori possa acquistare combustibili in modo simile a come un designer di interni acquista piastrelle.

Il progettista del reattore può portare il proprio involucro operativo, ovvero le temperature del refrigerante in ingresso e in uscita, le fluenze dei neutroni, gli scenari di incidente di base della progettazione, i refrigeranti primari e secondari, ecc. Quindi un fornitore di carburante potrebbe fornire opzioni per massimizzare le prestazioni del reattore. Tuttavia, oggi negli Stati Uniti, l’unico tipo di carburante commerciale autorizzato e qualificato è rimasto pressoché invariato dagli anni ’60. Pertanto, i reattori commerciali per la produzione di energia elettrica funzionano quasi esclusivamente con una forma di combustibile a base di biossido di uranio (UO2). Esiste un numero modesto di fornitori di carburante a livello globale che forniscono questo carburante UO2 racchiuso in un rivestimento a base di zirconio. È importante notare che altre forme di combustibile vengono utilizzate nei reattori di ricerca e nei reattori di prova1; tuttavia, per i nuclei commerciali, l’UO2 non è solo il “gold standard”, ma è l’unica opzione come carburante, almeno qui negli Stati Uniti.

In seguito all’incidente di Fukushima Daichi nel 2011, gli sforzi globali sono aumentati per portare sul mercato i cosiddetti “carburanti tolleranti agli incidenti” (ATF)2 che inizialmente sembravano offrire l’opportunità di un significativo allontanamento dallo standard industriale di lunga data. L’obiettivo del programma sui combustibili resistenti agli incidenti è quello di estendere il tempo di adattamento della forma di combustibile per reattori ad acqua leggera (LWR). lo stato delle conoscenze della tecnologia del combustibile nucleare per determinare un sostituto della forma di combustibile tradizionale che fosse economicamente sostenibile e potesse resistere a un incidente con perdita di refrigerante per un periodo di tempo più lungo prima che si verificasse il rilascio del radioisotopo. Per fare ciò, era necessario aumentare la conduttività termica e la resistenza all’ossidazione del combustibile nucleare, insieme a molti altri parametri desiderati relativi alle prestazioni del combustibile.4 Alla fine, la comunità ATF statunitense ha optato per due classi di candidati ATF: quasi a lungo termine e a lungo termine. Le soluzioni a breve termine sono progressi incrementali rispetto all’UO2 tradizionale nel rivestimento in zirconio con rivestimenti del rivestimento implementati per aumentare la resistenza all’ossidazione e droganti nell’UO2 per migliorare la conduttività termica e la ritenzione del prodotto di fissione.

Durante la primavera del 2011, al momento del terzo grave incidente nella storia della produzione di energia nucleare, ero uno studente laureato presso la Texas A&M University e stavo lavorando a un dottorato di ricerca in fisica. Il mio progetto di tesi era incentrato sull'avanzamento dello stato delle conoscenze sui sali fusi a base di uranio per un sistema proposto guidato da un acceleratore5: un nocciolo di reattore nucleare che utilizza un acceleratore di particelle come "interruttore on/off" per la reazione a catena di fissione. Nel 2022, il sale fuso è ora un punto focale chiave nella comunità nucleare da utilizzare come refrigerante o combustibile; tuttavia, nel 2011, quando ero a caccia di finanziamenti supplementari per completare la mia ricerca sulla tesi, i sali non erano neanche lontanamente in cima alla lista delle priorità per l’Ufficio per l’energia nucleare del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Ciò che era in cima alla lista e divenne il campo di ricerca sui carburanti in cui avrei dedicato il mio post-doc e i miei primi anni di incarico, erano i carburanti tolleranti agli incidenti.

Come ho già eluso, la massiccia impresa di ricerca e sviluppo ha portato all’implementazione di progressi incrementali nel tradizionale combustibile a ossido, ma ha anche valutato materiali che dovevano ancora vedere indagini significative per l’implementazione del reattore ad acqua leggera. Mentre ero un ricercatore post-dottorato al Los Alamos National Laboratory, abbiamo testato di tutto, dal molibdeno agli acciai, al carburo di silicio per i candidati al rivestimento e abbiamo avanzato sia la fabbricabilità che la comprensione termochimica di diversi nuovi composti combustibili tra cui il siliciuro di uranio, il nitruro di uranio e i composti del boruro di uranio. Pertanto, la mancanza di opzioni di combustibile commerciale non è dovuta alla mancanza di innovazione e creatività nella comunità dei combustibili nucleari, né è dovuta alla mancanza di materiali candidati che possano migliorare le prestazioni della nostra attuale flotta di reattori e consentire progetti rivoluzionari. per il futuro dell’energia nucleare.