Il ciclo del combustibile nucleare consiste in fasi front-end che preparano l’uranio per l’uso nei reattori nucleari e fasi back-end per gestire, preparare e smaltire in sicurezza il combustibile nucleare esaurito usato o esaurito, ma ancora altamente radioattivo.
L’uranio è il combustibile più utilizzato dalle centrali nucleari per la fissione nucleare. Le centrali nucleari utilizzano un certo tipo di uranio—U-235—come combustibile perché i suoi atomi sono facilmente scissi., Sebbene l’uranio sia circa 100 volte più comune dell’argento, l’U-235 è relativamente raro a poco più dello 0,7% dell’uranio naturale. Il concentrato di uranio è separato dal minerale di uranio presso i mulini di uranio o da un liquame presso gli impianti di lisciviazione in situ. Viene quindi trasformato in impianti di conversione e arricchimento, che aumenta il livello di U-235 tra il 3% e il 5% per i reattori nucleari commerciali, e trasformato in pellet di combustibile per reattori e barre di combustibile negli impianti di fabbricazione del combustibile per reattori.,
Il combustibile nucleare viene caricato nei reattori e utilizzato fino a quando i gruppi di combustibile diventano altamente radioattivi e devono essere rimossi per lo stoccaggio temporaneo e l’eventuale smaltimento. La lavorazione chimica del materiale del combustibile esaurito per recuperare qualsiasi prodotto residuo che potrebbe subire nuovamente la fissione in un nuovo gruppo di combustibile è tecnicamente fattibile, ma non è consentita negli Stati Uniti.,
Fonte: Università di Stato della Pennsylvania Radiazioni Science and Engineering Center (di pubblico dominio)
Il front-end del ciclo del combustibile nucleare
Ricerca
Il ciclo del combustibile nucleare inizia con l’esplorazione di uranio e lo sviluppo di miniere per l’estrazione di minerale di uranio. Una varietà di tecniche sono utilizzate per localizzare l’uranio, come indagini radiometriche aeree, campionamento chimico delle acque sotterranee e dei terreni e perforazione esplorativa per comprendere la geologia sottostante., Una volta che i depositi di minerale di uranio si trovano, lo sviluppatore miniera di solito segue con più strettamente distanziati in riempimento, o perforazione di sviluppo, per determinare la quantità di uranio è disponibile e quanto potrebbe costare per recuperarlo.
estrazione di Uranio
Quando giacimenti di minerali, che sono economicamente fattibile per recuperare il passo successivo nel ciclo del combustibile è alla miniera di minerale, utilizzando una delle seguenti tecniche:
- underground mining
- cava
- posto (in-situ) soluzione di data mining
- gardo
Prima del 1980, la maggior parte degli stati UNITI, l’uranio è stato prodotto utilizzando tecniche di estrazione a cielo aperto e sotterranee. Oggi, la maggior parte dell’uranio statunitense viene prodotto utilizzando una tecnica di estrazione della soluzione comunemente chiamata in-situ-leach (ISL) o in-situ-recovery (ISR). Questo processo estrae l’uranio che ricopre le particelle di sabbia e ghiaia dei serbatoi delle acque sotterranee. Le particelle di sabbia e ghiaia sono esposte a una soluzione con un pH leggermente elevato utilizzando ossigeno, anidride carbonica o soda caustica. L’uranio si dissolve nelle acque sotterranee, che viene pompato fuori dal serbatoio e lavorato in un mulino di uranio., La lisciviazione comporta la spruzzatura di una soluzione liquida acida su pile di minerale di uranio frantumato. La soluzione defluisce attraverso il minerale frantumato e liscivia l’uranio dalla roccia, che viene recuperato da sotto la pila. Heap lisciviazione non è più utilizzato negli Stati Uniti.
Fonte: United States Nuclear Regulatory Commission (public domain)
conosci
Nel 2019, circa 43 milioni di sterline di uranio (equivalente U3O8) sono stati caricati in reattori nucleari commerciali statunitensi.,
Fresatura dell’uranio
Dopo che il minerale di uranio viene estratto da una miniera a cielo aperto o sotterranea, viene raffinato in concentrato di uranio in un mulino di uranio. Il minerale viene schiacciato, polverizzato e macinato in una polvere fine. Le sostanze chimiche vengono aggiunte alla polvere fine, che provoca una reazione che separa l’uranio dagli altri minerali. Le acque sotterranee provenienti dalle operazioni di estrazione di soluzioni vengono fatte circolare attraverso un letto di resina per estrarre e concentrare l’uranio.,
Nonostante il nome, il prodotto di uranio concentrato è tipicamente una sostanza nera o marrone chiamata yellowcake (U3O8). Il minerale di uranio estratto produce in genere da uno a quattro libbre di U3O8 per tonnellata di minerale, o dallo 0,05% allo 0,20% di yellowcake. Il materiale di scarto solido dalle operazioni minerarie sotterranee e sotterranee è chiamato sterili del mulino. L’acqua trattata dall’estrazione di soluzioni viene restituita al serbatoio delle acque sotterranee dove viene ripetuto il processo di estrazione.,
Conversione dell’uranio
Il prossimo passo nel ciclo del combustibile nucleare consiste nel convertire lo yellowcake in gas esafluoruro di uranio (UF6) in un impianto di conversione. Tre forme (isotopi) di uranio si verificano in natura: U-234, U-235 e U-238. Gli attuali progetti di reattori nucleari statunitensi richiedono una maggiore concentrazione (arricchimento) dell’isotopo U-235 per funzionare in modo efficiente. Il gas esafluoruro di uranio prodotto nell’impianto di conversione è chiamato UF6 naturale perché le concentrazioni originali di isotopi di uranio sono invariate.,
Arricchimento dell’uranio
Dopo la conversione, il gas UF6 viene inviato a un impianto di arricchimento in cui i singoli isotopi dell’uranio sono separati per produrre UF6 arricchito, che ha una concentrazione di U-235 compresa tra il 3% e il 5%.
Negli Stati Uniti sono stati utilizzati due tipi di processi di arricchimento dell’uranio: la diffusione gassosa e la centrifuga a gas. Gli Stati Uniti hanno attualmente un impianto di arricchimento operativo, che utilizza un processo di centrifuga a gas., L’UF6 arricchito è sigillato in contenitori e lasciato raffreddare e solidificare prima di essere trasportato in un impianto di assemblaggio del combustibile di reattori nucleari in treno, camion o chiatta.
Atomic Vapor laser isotope separation (AVLIS) e molecular laser isotope separation (MLIS) sono nuove tecnologie di arricchimento attualmente in fase di sviluppo. Questi processi di arricchimento basati su laser possono ottenere fattori di arricchimento iniziale (separazione isotopica) più elevati rispetto ai processi di diffusione o centrifuga e possono produrre uranio arricchito più rapidamente di altre tecniche.,
Riconversione dell’uranio e fabbricazione di combustibile nucleare
Una volta arricchito, l’uranio è pronto per essere convertito in combustibile nucleare. In un impianto di fabbricazione di combustibile nucleare, l’UF6, in forma solida, viene riscaldato in forma gassosa e quindi il gas UF6 viene lavorato chimicamente per formare polvere di biossido di uranio (UO2). La polvere viene quindi compressa e formata in piccoli pellet di combustibile ceramico. I pellet sono impilati e sigillati in lunghi tubi metallici di circa 1 centimetro di diametro per formare barre di combustibile. Le barre di combustibile vengono quindi raggruppate insieme per formare un gruppo di carburante., A seconda del tipo di reattore, ogni gruppo di combustibile ha circa 179-264 barre di combustibile. Un tipico nucleo del reattore contiene da 121 a 193 gruppi di combustibile.
Al reattore
Una volta fabbricati i gruppi di combustibile, i camion li trasportano ai siti del reattore. I gruppi di combustibile sono immagazzinati in loco in contenitori di stoccaggio di combustibile fresco fino a quando gli operatori del reattore ne hanno bisogno. In questa fase, l’uranio è solo leggermente radioattivo, ed essenzialmente tutta la radiazione è contenuta all’interno dei tubi metallici., In genere, gli operatori del reattore cambiano circa un terzo del nucleo del reattore (da 40 a 90 gruppi di combustibile) ogni 12-24 mesi.
Il nucleo del reattore è una disposizione cilindrica dei fasci di carburante che è di circa 12 piedi di diametro e 14 piedi di altezza e racchiuso in un recipiente a pressione in acciaio con pareti che sono diversi pollici di spessore. Il nucleo del reattore non ha essenzialmente parti mobili ad eccezione di un piccolo numero di barre di controllo che vengono inserite per regolare la reazione di fissione nucleare. Posizionare i gruppi di combustibile uno accanto all’altro e aggiungere acqua avvia la reazione nucleare.,
Un combustibile nucleare
Fonte: Energie Alternative e la Commissione per l’Energia Atomica, la Francia (di pubblico dominio)
La fine del ciclo del combustibile nucleare
stoccaggio Provvisorio e smaltimento finale degli Stati Uniti
Dopo l’uso nel reattore, combustibili diventare altamente radioattivi e deve essere rimosso e conservato in acqua al reattore sito in un combustibile esaurito della piscina per diversi anni., Anche se la reazione di fissione si è fermata, il combustibile esaurito continua a emettere calore dal decadimento degli elementi radioattivi che sono stati creati quando gli atomi di uranio sono stati divisi a parte. L’acqua nella piscina serve sia a raffreddare il carburante che a bloccare il rilascio di radiazioni. Dal 1968 al giugno 2013, 241.468 gruppi di combustibile erano stati scaricati e immagazzinati in 118 reattori nucleari commerciali negli Stati Uniti.
Entro pochi anni, il combustibile esaurito si raffredda nella piscina e può essere spostato in un contenitore di stoccaggio a botte secca presso il sito della centrale elettrica., Un numero crescente di operatori di reattori ora immagazzina il combustibile esaurito più vecchio in questi speciali contenitori esterni in cemento o acciaio con raffreddamento ad aria. Ulteriori informazioni sullo stoccaggio del combustibile esaurito.
La fase finale del ciclo del combustibile nucleare è la raccolta dei gruppi di combustibile esaurito dai siti di stoccaggio provvisori per la disposizione finale in un deposito sotterraneo permanente. Gli Stati Uniti non dispongono attualmente di un deposito sotterraneo permanente di scorie nucleari di alto livello.
Ultimo aggiornamento: 27 maggio 2020
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