Energia nucleare: Il torio

Le recenti preoccupazioni sulla costruzione di bombe nucleari con il plutonio prodotto da centrali nucleari, hanno indotto le persone a considerare una fonte di combustibile alternativa per la produzione di energia nucleare come il Torio.

Energia nucleare e Torio

Energia nucleare: Il torio

In un articolo pubblicato su una rivista americana scientifica, un ingegnere nucleare ha affermato che l’utilizzo di combustibili a base di torio lascerebbe molto meno spreco di plutonio rispetto ai combustibili convenzionali.

Che cos’è il torio? Si tratta di un elemento chimico (simbolo Th) radioattivo che si trova in natura in grandi quantità. Il plutonio creato in laboratorio non è adatto per la fabbricazione di bombe atomiche. Il torio è un elemento economico e relativamente abbondante trovato nella crosta terrestre.

Diossido di Torio

Sebbene il torio stesso non possa sostenere una reazione a catena nucleare, sottoponendolo a una raffica di neutroni all’interno di un reattore, si converte l’elemento in uranio-233, che può supportare la fissione.

Alcuni progettisti di impianti nucleari affermano che hanno a lungo considerato la possibilità di combinare il torio con un isotopo fissile, che può innescare la reazione. Un ricercatore del MIT (Massachusetts Institute of Technology) afferma che è improbabile che l’industria dell’energia nucleare adotti il ​​torio solo per ragioni economiche.

Ma se i responsabili delle politiche impongono il suo uso nel tentativo di limitare la proliferazione delle armi, le modifiche tecniche richieste alle centrali nucleari potrebbero essere facilmente ottenute.

Torio per fabbricare bombe nucleari

Come potrebbe un determinato gruppo terroristico impossessarsi dell’uranio o del plutonio necessario per fabbricare una bomba atomica? Questa domanda se la pongono moltissime persone. Il modo più semplice è probabilmente comprarlo. Gli esperti della sicurezza si preoccupano delle nazioni che vogliono fabbricare queste terrificanti armi.

Quasi un decennio fa, il mondo ha destato un sospiro di sollievo quando gli sforzi diplomatici, compresi quelli dell’ex presidente Jimmy Carter (39º presidente degli Stati Uniti), hanno fermato quello che minacciava di diventare un conflitto violento: all’epoca, la Corea del Nord interferiva con il lavoro di monitoraggio dell’International Atomic Energy (Agenzia internazionale per l’energia atomica), in palese violazione degli obblighi di quel paese come firmatario del trattato di non proliferazione nucleare.

In particolare, i nordcoreani affermavano di aver prodotto solo una piccola quantità di plutonio dal combustibile esaurito prelevato dai loro reattori nucleari, troppo poco per fabbricare anche una sola bomba nucleare ma si sono rifiutati di consentire agli ispettori di cantieri di verificare questa affermazione.

La Corea del Nord ha rielaborato i combustibili nucleari

Perché la Corea del Nord ha rielaborato i combustibili nucleari in primo luogo? Dopo tutto, la pacifica ricerca di energia nucleare civile non richiede alcun ritrattamento, come hanno dimostrato gli Stati Uniti e molti altri paesi.

Nelle centrali elettriche degli Stati Uniti, i materiali del combustibile esaurito vengono semplicemente conservati in barili asciutti o in stagni di raffreddamento, in preparazione per il loro eventuale smaltimento presso lo Yucca Mountain Repository nel Nevada.

La decisione della Corea del Nord di rielaborare i combustibili nucleari esauriti dimostra che intende estrarre il plutonio generato all’interno dei suoi reattori nucleari per utilizzarlo per fabbricare bombe nucleari? Non esattamente.

I reattori nucleari della Corea del Nord

I reattori nucleari della Corea del Nord hanno un design molto diverso da quelli degli Stati Uniti che usano l’acqua sia come refrigerante che come moderatore. I reattori “Magnox” della Corea del Nord (un nome derivato dalla lega di ossido di magnesio che racchiude il combustibile di uranio) usa il gas come refrigerante e la grafite come moderatore, un design simile a quello utilizzato da molto tempo nel Regno Unito.

Quindi, il fatto che i nordcoreani stessero rielaborando i loro combustibili esauriti non può di per sé essere considerato una prova di cattiva intenzione. La loro interferenza con gli ispettori internazionali è, tuttavia, abbastanza preoccupante. La soluzione è, almeno in parte, una soluzione tecnica, offrendo ai nordcoreani un modo per sviluppare un programma pacifico di energia nucleare.

Potrebbero quindi continuare a gestire centrali nucleari senza creare tanta preoccupazione all’estero che nel corso del ritrattamento del combustibile esaurito potrebbero estrarre il plutonio per le bombe. Certamente, senza un’adeguata supervisione, i nordcoreani potrebbero utilizzare i loro nuovi reattori nucleari per la riproduzione del plutonio, ricondizionando i combustibili esauriti in qualche sito segreto.

Il problema dei combustibili nucleari esauriti

Ma quale è il problema dei combustibili nucleari esauriti usati per fabbricare bombe? Uno degli ostacoli importanti a tale diversione del combustibile esaurito è che rimane altamente radioattivo per secoli dopo la scarica, richiedendo quindi la gestione a distanza e strutture con un’adeguata schermatura per estrarre il plutonio.

Ci potrebbero essere soluzioni tecniche efficaci per limitare ulteriormente il problema dello sfruttamento dei combustibili nucleari esauriti a fini militari? Questa è una domanda che i progettisti di combustibili nucleari si sono chiesti ripetutamente.

L’uso del torio nei reattori nucleari

L’uso del torio nei reattori nucleari è stato considerato sin dalla nascita dell’energia nucleare negli anni cinquanta, in gran parte perché il torio è considerevolmente più abbondante dell’uranio nella crosta terrestre. In parole povere, c’è circa tre volte più torio dell’uranio.

Sfortunatamente, gli atomi di torio non possono essere facilmente indotti a dividere il requisito di base di un reattore a fissione. Ma quando una quantità di torio-232 (l’isotopo comune di quell’elemento) è collocata all’interno di un reattore nucleare, assorbe prontamente i neutroni e si trasforma in uranio-233, che, come l’uranio-235, tipicamente usato per generare energia nucleare, supporta la fissione e le reazioni a catena.

Si dice che il torio sia “fertile” piuttosto che fissile⁽¹⁾. Sotto questo aspetto è simile all’uranio-238, che rappresenta oltre il 95 percento della maggior parte dei combustibili nucleari.

Isotopi di plutonio

Un reattore convenzionale genera vari isotopi di plutonio dall’uranio-238, e parte di quel plutonio a sua volta subisce la fissione nel reattore. Creare uranio-233 dal torio è più efficiente rispetto che il plutonio dall’uranio-238, perché si creano meno isotopi.

I progettisti possono sfruttare questa efficienza per ridurre la quantità di combustibile esaurito per unità di energia generata, che riduce la quantità di rifiuti da smaltire. Ci sono anche altri vantaggi. Ad esempio, il diossido di torio, la forma di torio utilizzata per l’energia nucleare, è un composto altamente stabile, molto più del biossido di uranio normalmente impiegato nel combustibile di oggi.

Quindi, c’è meno preoccupazione che le pastiglie di combustibile possano reagire chimicamente con il rivestimento metallico che le circonda o con l’acqua di raffreddamento in caso di rottura del rivestimento protettivo. Inoltre, la conducibilità termica del diossido di torio è superiore del 10-15% rispetto a quella del biossido di uranio, rendendo più facile il flusso di calore dalle esili barre di combustibile utilizzate all’interno di un reattore.

Inoltre, il punto di fusione del diossido di torio è di circa cinquecento gradi Celsius, superiore a quello del biossido di uranio. Questa differenza offre un ulteriore margine di sicurezza in caso di sovratensione temporanea o perdita di refrigerante.

I vantaggi

La conoscenza di tali vantaggi ha spronato ripetutamente gli ingegneri nucleari a condurre esperimenti. Alcuni gruppi, hanno persino acquisito esperienza nel realizzare reattori nucleari a base di torio. Ad esempio, un reattore moderatamente raffreddato a gas, denominato Peach Bottom Unit One, situato nella Pennsylvania sudorientale, utilizzava una combinazione di torio e uranio altamente arricchito a metà degli anni sessanta.

Un altro reattore raffreddato a gas a Fort St. Vrain in Colorado è stato utilizzato con combustibile a base di torio tra il 1976 e il 1989. Test con miscele relativamente semplici di ossido di torio e ossido di uranio altamente arricchito sono iniziati anche con i reattori raffreddati ad acqua durante gli anni sessanta.

Tra il 1977 e il 1982, combinazioni più complicate di torio e uranio-235 o uranio-233 furono anche impiegate in un reattore raffreddato ad acqua a Shippingport, in Pennsylvania, in un programma sperimentale che cercava di sviluppare un combustibile che producesse più materiale fissile di consumo.

Combustibili nucleari a base di torio

Il lavoro con i combustibili nucleari a base di torio non è stato circoscritto solo agli Stati Uniti. Gli ingegneri tedeschi, ad esempio, hanno usato combinazioni di torio e uranio altamente arricchito, o torio e plutonio, in reattori nucleari sia a gas che ad acqua.

I combustibili a base di torio sono stati testati anche nel Regno Unito, in Francia, Giappone, Russia, Canada e Brasile. Ma nonostante questi notevoli sforzi iniziali, molte nazioni hanno abbandonato da tempo la nozione di usare il torio per alimentare le loro centrali nucleari.

Un paese che ha mantenuto interesse è l’India, che ha iniziato ad alimentare alcuni dei suoi reattori a metà degli anni novanta con fasci contenenti torio. Sebbene uno dei motivi per cui si impiegava il torio fosse semplicemente quello di uniformare la distribuzione dell’energia all’interno dei nuclei di questi reattori, gli ingegneri indiani hanno anche colto l’opportunità per testare quanto bene il torio potesse funzionare come fonte di energia e carburante.

I risultati positivi ottenuti hanno motivato i loro attuali piani di utilizzo di combustibili a base di torio in reattori più avanzati ora in costruzione. L’attrazione dell’India per i combustibili a base di torio deriva, in parte, dalla sua grande offerta indigena.

La ricerca del torio

Ma la ricerca del torio da parte di questa nazione, che aiuta a renderla indipendente dalle fonti di uranio all’estero, è dovuta a una ragione che non ha nulla a che fare con la sua bilancia commerciale. L’India usa alcuni dei suoi reattori per fabbricare il plutonio per le bombe atomiche. L’India si rifiuta di essere vincolata dalle disposizioni che i fornitori commerciali di uranio in paesi come il Canada richiedono.

Il precedente lavoro sul torio in altre parti del mondo non ha portato alla sua adozione in molti casi, in gran parte perché le sue prestazioni nei reattori ad acqua, come il primo nucleo della centrale elettrica di Indian Point, non erano all’altezza delle aspettative.

Considerata questa storia, potrebbe sembrare sorprendente che i combustibili nucleari a base di torio vengano nuovamente considerati, questa volta come mezzo per arginare la potenziale proliferazione delle armi nucleari. L’uso del torio per prevenire l’accumulo di plutonio richiede che il combustibile sia configurato in modo diverso rispetto alla maggior parte degli esperimenti degli anni passati.

Tali prove incorporavano l’uranio altamente arricchito e presuppongono che il combustibile esaurito venga ritrattato per l’estrazione dei suoi contenuti fissili. I complessi di combustibile a base di torio possono resistere ad una maggiore esposizione al calore e alle radiazioni sperimentate all’interno del nucleo di un reattore.

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