Un reattore autofertilizzante veloce ( FBR in inglese Fast neutron reactor ) è un reattore nucleare che utilizza neutroni veloci non moderati in contrapposizione ai neutroni termici che possono essere moderati dalla grafite , dall'acqua pesante o dall'acqua leggera .
Finora, tutti i reattori veloci commerciali smantellati , costruiti o progettati sono raffreddati al sodio , ma sono state studiate altre tecnologie di reattori veloci. I reattori a neutroni veloci sono stati nuovamente presi in considerazione dal 2001 nell'ambito del Forum internazionale di quarta generazione .
Al giorno d'oggi (febbraio 2020), tre reattori a neutroni veloci forniscono una rete elettrica : i reattori russi Beloyarsk-3 ( BN-600 ) e Beloyarsk-4 ( BN-800 ) e il QCER cinese . Un reattore si sta avvicinando alla fase operativa, il ( PFBR (en) ) a Kalpakkam , in India, e un altro è in costruzione in Cina, il CFR-600. Otto sono fermi.
I neutroni emessi durante la fissione di un attinide hanno inizialmente un'alta velocità che limita la probabilità che interagiscano con il materiale fissile e portino a una reazione a catena.
Una prima soluzione è quella di rallentarli (“ termalizzare ”) da un moderatore (acqua, grafite o acqua pesante ) che gli faccia perdere energia per urti successivi. Vengono quindi chiamati neutroni termici , "permettendo un'efficiente reazione a catena e quindi una migliore resa del reattore per l' uranio 235 , la cui probabilità di fissione da neutroni termici è elevata" . È questa soluzione che viene utilizzata nei reattori attuali (tipi PWR, BWR, ecc.).
L'altra soluzione è scegliere deliberatamente di non incorporare un moderatore. Abbiamo quindi neutroni veloci , la cui energia cinetica è alta. Questi neutroni veloci hanno il vantaggio di rompere tutti i nuclei pesanti e non solo i materiali fissili . L'uso dei neutroni veloci limita anche le catture sterili (cioè le catture che non danno luogo a una nuova fissione), che tende a migliorare l'efficienza del reattore.
D'altra parte, la velocità di fuoriuscita dei neutroni dal nocciolo (neutroni che vengono quindi persi per il reattore) è maggiore e la probabilità di fissione da parte di neutroni veloci è inferiore rispetto a un reattore a neutroni termici . È quindi necessario disporre di un nucleo più arricchito di materiale fissile .
Inoltre, materiali fertili possono essere posti alla periferia del cuore (si parla di copertura fertile) in modo da utilizzare i neutroni fuoriusciti . Questo è il principio dell'allevamento : recuperare i neutroni in uscita per trasmutare un materiale a priori inutilizzabile ( fertile ma non fissile) in materiale fissile . Gli FNR corrispondono a tre dei sei tipi di reattori nucleari di quarta generazione .
I reattori a metallo liquido possono essere del tipo a piscina o del tipo ad anello. L'architettura della piscina permette di mantenere permanentemente il refrigerante del circuito primario all'interno del serbatoio principale (le pompe primarie e gli scambiatori intermedi sono immersi nel serbatoio principale), mentre i reattori di loop utilizzano pompe primarie e tubazioni con l'esterno del serbatoio serbatoio e gli scambiatori esterni.
Nel 2007, tutti RNR nel funzionamento sono progettati con un circuito di raffreddamento del sodio liquido. È il settore dei reattori nucleari con neutroni veloci e refrigerante al sodio . Sebbene infiammabile a contatto con l'aria, corrosivo e reagisce violentemente a contatto con l'acqua, il sodio è preferito per i seguenti motivi:
Sono allo studio altri refrigeranti metallici, ad esempio la lega Pb - Bi o piombo .
Nei reattori veloci raffreddati al sodio (RNR-Na), il sodio liquido può incendiarsi a contatto con l'aria, disintegrare il calcestruzzo e causare un'esplosione a contatto con l'acqua. Questo è quello che è successo durante l'incendio avvenuto nel reattore di Monju (Giappone) indicembre 1995.
Per evitare il rischio di reazione sodio/acqua vengono adottate diverse precauzioni:
Per limitare le conseguenze dell'accensione a contatto con l'aria:
Il settore è stato originariamente sviluppato con l'obiettivo di ridurre il costo di produzione del combustibile utilizzato nelle centrali, evitando la fase di arricchimento dell'uranio , e perché si temeva negli anni 1960 una carenza di riserve di uranio . La giustificazione economica del reattore a neutroni veloci deriva principalmente dalla sua capacità di generare o rigenerare plutonio oltre all'energia prodotta, questo plutonio potendo poi essere in parte riutilizzato nel reattore, riciclato in plutonio militare, o trasformato in combustibile MOX (miscela di uranio e plutonio).
Tuttavia, la redditività del settore MOX derivante dall'allevamento è stata, ad esempio, contestata dall'Accademia delle scienze degli Stati Uniti . Infatti, nel 1995, ha ritenuto che non fosse redditizio al prezzo di mercato dell'uranio . Nel 2001 l'allevamento è stato interrotto anche negli Stati Uniti . Il settore MOX derivante dal trattamento del combustibile nucleare esaurito da centrali elettriche convenzionali è invece in fase di sviluppo nello stesso Paese poiché nel 2016 è prevista l'apertura di un centro di produzione a Savannah River. Una commissione d'inchiesta del parlamento francese, sui costi dell'energia nucleare ha concluso nel 2014 che aveva grandi difficoltà a valutare l'interesse economico di MOX rispetto al semplice stoccaggio dei rifiuti, ma che nel migliore dei casi "non costava più per immagazzinare direttamente il combustibile esaurito che per riprocessarlo”, il processo MOX comporta maggiori rischi.
In Francia, il reattore a neutroni veloci è stato progettato per utilizzare il plutonio militare nei reattori civili. La chiusura del reattore Superphénix ha portato allo sviluppo di un sistema MOX per alimentare, da un lato, alcuni reattori del settore francese PWR che sono stati adattati per poter utilizzare questo tipo di combustibile (22 reattori su 58 reattori nel 2013), dall'altro, le centrali più recenti come l' EPR , che per progettazione potrebbe funzionare anche solo con combustibile MOX. Questo combustibile ha lo svantaggio di produrre più rifiuti a lungo termine rispetto al plutonio in un reattore a neutroni veloci, che alla fine del ciclo produce solo piombo.
Gli oppositori dei reattori autofertilizzanti sottolineano che occorrono circa 20-30 anni per raddoppiare la quantità di plutonio inizialmente fornita a un reattore a neutroni veloci (tempo di raddoppio). Data la diminuzione delle riserve di uranio dal 2025, allo stato attuale dei giacimenti noti, la flotta di reattori ad acqua pressurizzata dovrebbe essere gradualmente sostituita da una flotta di reattori autofertilizzanti, per avere abbastanza combustibile al plutonio. Infatti, solo dieci tonnellate di plutonio vengono prodotte ogni anno dalle centrali elettriche francesi nel settore tradizionale. La redditività di lungo periodo appare incerta, in particolare a causa di un elevato grado di tecnicità legato alla gestione di rischi più significativi rispetto al settore tradizionale. Così, ad esempio, attualmente è prevista una durata di 31 anni per lo smantellamento di Superphénix , mentre per lo smantellamento di una centrale elettrica ordinaria, i lavori principali richiedono una ventina di anni, mentre tutti i rifiuti non possono essere smantellati per almeno cinquant'anni .
Al giorno d'oggi (febbraio 2020), tre reattori a neutroni veloci forniscono una rete elettrica : i reattori russi Beloyarsk-3 ( BN-600 , da 560 MWe ) e Beloyarsk-4 ( BN-800 , da 820 MWe ) e il cinese CEFR (20 MWe ), vicino a Pechino.
Due RNR sono in costruzione, febbraio 2020. Ci si avvicina alla fase operativa, la PFBR (en) Indian (470 MWe ) a Kalpakkam . L'altro è costruito dalla Cina, un dimostratore di tipo CFR-600.
Altri otto reattori veloci sono stati definitivamente chiusi, negli Stati Uniti , nel Regno Unito , in Francia , in Germania , in Kazakistan e in Giappone .
Questo tipo di reattore nucleare è uno dei settori esaminati dal forum internazionale di IV generazione con l'obiettivo di progettare i futuri reattori nucleari.
Il reattore BN-350 si trova ad Aktau (precedentemente Shevchenko dal 1964 al 1992 ), Kazakistan, sulle rive del Mar Caspio . Questo reattore autofertilizzante è stato commissionato nel 1973 e spento nel 1999. Oltre a produrre elettricità per la città vicina (150 MW ), produceva plutonio ( fertilizzante ) e acqua potabile mediante desalinizzazione (120.000 m 3 / giorno ).
In Russia, il reattore BN- 600 da 600 MWe è operativo dal 1980 presso la centrale nucleare di Beloyarsk . Il reattore BN-800 , che utilizza la stessa tecnologia ma da 800 MWe , è in funzione dal 2016.
La Francia ha costruito tre reattori veloci nella catena dei reattori veloci refrigerante al sodio :
ASTRID è una proposta francese di un nuovo prototipo di reattore veloce di sodio liquido di raffreddamento 4 ° generazione . Questo progetto guidato dal CEA , con una capacità di 600 MWe e la cui messa in servizio doveva iniziare nel 2020; è sospeso nel 2019, almeno fino alla “seconda metà del secolo” .
In Germania, un RNR è stato costruito nel 1973 a Kalkar nel Basso Reno . Dopo molte proteste, non è stato commissionato come previsto nel 1987.
Il sito di Dounreay nell'estremo nord della Scozia ospitava due prototipi di reattori a neutroni veloci:
Il sito di Dounreay appartiene alla NDA dal 2004 . Il suo smantellamento è operato da Dounreay Site Restauration Limited sotto la supervisione dell'Autorità per l'energia atomica del Regno Unito (UKAEA). Il suo smantellamento fa parte della priorità numero due della NDA , dopo il sito di Sellafield .
In questo sito si trova anche il DMTR (Dounreay Materials Test Reactor), un reattore di ricerca del tipo DIDO (in) , che diverge per la prima volta nel 1958. Il suo primo obiettivo è stato quello di realizzare materiali sottoposti a test comportamentali ad alto flusso di irraggiamento neutronico. Fu arrestato nel 1969.
Il Chinese Experimental Fast Neutron Reactor (CEFR), un prototipo cinese di RNR, è stato costruito dai russi OKBM Afrikantov, OKB Gidopress, Nikiet e dall'Istituto Kurchatov vicino a Pechino. Questo primo reattore sperimentale cinese a neutroni veloci di quarta generazione fornisce 20 MWe (65 MWth ) di energia elettrica . Ha eseguito la sua prima divergenza su21 luglio 2010 ed era connesso alla rete su 21 luglio 2011.
Due reattori russi di tipo BN-800 dovevano essere costruiti dalla Russia nella città di Sanming , come parte di una partnership conclusa nel 2009, e messi in servizio dopo il 2020. I disaccordi sui costi e i trasferimenti di tecnologia hanno finalmente deciso la Cina di capitalizzare l'esperienza di il QCER di progettare e costruire il proprio modello FNR.
Così, il CNNC ha annunciato in ritardodicembre 2017l'inizio della costruzione di un dimostratore da 600 MWe progettato dall'Istituto cinese per l'energia atomica , il CFR-600, a Xiapu , provincia del Fujian . Potrebbero seguire un secondo esemplare, un terzo ad altissima temperatura , e altri quattro con neutroni termici.
Un modello commerciale di potenza ancora maggiore, il CFR-1000, è in fase di progettazione e potrebbe vedere un primo cantiere avviato nel 2028, per produrre da 1.000 a 1.200 MWe nel 2034. Infine, il modello CFR-1200 è previsto nel quadro della Forum internazionale di quarta generazione .
CNNC ha anche annunciato in ottobre 2017la creazione di una joint venture con la statunitense TerraPower , società creata nel 2006 e finanziata da Bill Gates , che ha in programma di commercializzare un reattore a onde viaggianti a tecnologia (TWR, reattore a onde mobili ).
: documento utilizzato come fonte per questo articolo.