Reattori autofertilizzanti

La caratteristica fondamentale di un reattore autofertilizzante sta nel fatto che esso può produrre, a partire da sostanze dette fertili, una quantità di materiale fissile superiore a quella che consuma. Il sistema autofertilizzante più diffuso usa uranio 238 come materiale fertile. L'assorbimento di un neutrone da parte di un nucleo di uranio 238 dà luogo a un processo radioattivo chiamato decadimento ß (beta), nel quale il nucleo si trasforma nell'isotopo fissile plutonio 239. La fissione di un nucleo di plutonio 239, innescata da un neutrone, avviene con emissione di una media di 2,8 neutroni, uno dei quali è necessario per indurre la fissione nello stadio successivo della reazione a catena. Circa 0,5 neutroni (in media) vengono persi perché assorbiti dalle strutture del reattore o dal refrigerante, e i restanti 1,3 neutroni possono essere assorbiti dall'uranio 238 per la produzione di altro plutonio 239, secondo la reazione.

Interno di un reattore autofertilizzante.

Il reattore che sfrutta il sistema autofertilizzante più avanzato è il Reattore autofertilizzante rapido a metallo liquido (LMFBR, Liquid Metal Fast Breeder Reactor). Per massimizzare l'efficienza del sistema la velocità dei neutroni deve essere mantenuta alta, pari circa alla velocità a cui vengono prodotti nella reazione: qualunque materiale moderatore, ad esempio l'acqua, che rallenterebbe i neutroni, va dunque escluso dal reattore. Come refrigerante viene usato un metallo liquido, di preferenza il sodio, per le sue ottime proprietà di trasferimento di calore e per l'alto punto di ebollizione. Il tempo di raddoppiamento, cioè il tempo in cui il reattore produce una quantità di combustibile doppia rispetto a quella originaria, è di circa 10 anni.

Lo sviluppo del sistema LMFBR è iniziato negli Stati Uniti prima del 1950, con la costruzione del primo reattore autofertilizzante sperimentale, EBR-1. Sono stati poi installati reattori autofertilizzanti operativi in Gran Bretagna, Francia, Russia e altri paesi dell'ex Unione Sovietica.

In un grosso impianto LMFBR, il nucleo del reattore consiste in migliaia di tubi sottili di acciaio inossidabile contenenti il combustibile, costituito per il 15-20% di ossido di plutonio e per la parte rimanente di ossido di uranio. Intorno al nocciolo vi è una regione che contiene delle sbarre riempite di solo ossido di uranio. Tutto l'apparato centrale contenente il nucleo del reattore misura circa 3 m di altezza e 5 m di diametro ed è sospeso in un grosso "contenitore" di sodio liquido che, grazie a un sistema di pompe e scambiatori di calore, mantiene il reattore a una temperatura di circa 500 °C. Il vapore viene prodotto in un altro circuito di sodio, separato dal circuito di raffreddamento radioattivo del reattore dal sistema intermedio di scambiatori di calore del contenitore. Tutto il sistema è contenuto in una grande struttura di calcestruzzo e acciaio.

Il primo importante impianto di questo tipo per la generazione di elettricità, chiamato Super-Phénix, è entrato in funzione in Francia nel 1984.