Il reattore nucleare a neutroni veloci refrigerato a piombo, o più brevemente LFR (sigla dall'inglese Lead-cooled Fast Reactor) è un reattore nucleare veloce della IV generazione a ciclo chiuso allo stadio progettuale e pre-licenziamento, che come refrigerante può impiegare: piombo puro bismuto (55.5 wt%) - piombo (44.5 wt%) eutettico con temperatura di fusione e temperatura di ebollizione di 1750 °Cciò permette al refrigerante di lavorare a pressione atmosferica e a temperature piuttosto alte, fino a 600 K al di sotto del punto di ebollizione dello stesso; alle alte temperature, oltre ad avere una resa termodinamica migliore, è anche possibile produrre facilmente idrogeno, qualora in futuro fosse necessario per l'economia dell'idrogeno bismuto (52 wt%) - piombo (32 wt%) - stagno (16 wt%) eutetticoHigh-temperaturecharacteristics of Stainless-Steels, p.28 piombo (85 wt%) - oro (15 wt%) eutettico con temperatura di fusione
Vantaggi principali Uno dei principali vantaggi di questo tipo di reattore è che un'eventuale fuga di liquido refrigerante nel corso del suo funzionamento (per esempio un LOCA) causerebbe un'emissione modesta di radiazioni, risolvendosi una colata del refrigerante (il piombo) in grado essa stessa di schermare buona parte delle radiazioni. Il vantaggio dell'uso del piombo, inoltre è che, a differenza di quanto avverrebbe nei reattori al sodio, esso solidificherebbe in maniera relativamente rapida e non potrebbe perciò disperdersi nell'ambiente, come invece può avvenire nel caso di incidenti a un reattore raffreddato ad acqua (per esempio PWR e BWR), come nell'incidente di Three Mile Island o in quello di Fukushima. Grazie all'azione schermante del piombo, il nocciolo ha bisogno di uno schermo biologico di peso inferiore a quello tradizionale all'uranio, che riduce le perdite di neutroni, aumenta l'omogeneità del flusso e fornisce un alto coefficiente di vuoto negativo.
Poiché il reattore raffreddato al piombo opera a pressione atmosferica e senza necessità di regolazione della pressione, in caso di rotture del circuito di raffreddamento non avrebbe bisogno di reintegro del liquido refrigerante e nel caso di incidente (così come alla fine della vita utile del reattore) questo verrebbe a solidificarsi intorno al nocciolo sigillandolo, proteggendolo così dalla corrosione ed evitando contaminazioni dell'ambiente. Il rischio di formazione di una massa critica durante la fusione del nocciolo è inoltre del tutto scongiurato, poiché l'alta densità e i moti convettivi di questa classe di refrigeranti tendono a diminuire la densità del combustibile.
È inoltre possibile la circolazione del refrigerante senza un corrispondente aumento delle dimensioni del nocciolo, grazie a una differenza nei livelli liberi di ingresso e uscita, che creano condizioni di separazione del vapore durante la depressurizzazione del generatore di vapore, ed escludono il suo ingresso nel nocciolo in quantità pericolose.
La larghezza maggiore dei canali del refrigerante permessi da un basso tasso di assorbimento e moderazione abbassa la richiesta di prevalenza delle pompe e in alcuni casi la azzerano: in quest'ultimo caso è possibile praticare una circolazione naturale (senza la necessità di pompe), che è intrinsecamente sicura. La conseguente riduzione del rischio di surriscaldamento permette di utilizzare acciai commerciali per la guaina combustibile o addirittura, nel caso di reattori a bassa potenza, di rimuoverla dal progetto, eliminando così il rischio che essa si surriscaldi nel corso di eventuali blocchi locali del flusso del refrigerante.
Confronto fra refrigeranti La miscela eutettica piombo-bismuto ha proprietà nucleari pressoché identiche al piombo puro, quelle termiche invece sono globalmente abbastanza diverse: poco la densità (4%), la conducibilità termica (5%) invece notevolmente la viscosità (33%) e il numero di Prandtl (30%), oltre alla temperatura di fusione minore di circa 200 °C: la più semplice de-solidificazione l'ha favorita inizialmente nel campo propulsivo.
Oggi però è meno considerato degli altri poiché ha quattro svantaggi: il primo è che il bismuto 209 naturale assorbendo un neutrone produce per cattura radiativa bismuto 210 che rapidamente (con tempo di dimezzamento di 5 giorni) polonio 210 con attività massica di equilibrio di circa , 20000 volte maggiore del polonio 210 che si origina dal piombo 208 ()questo per cattura forma l'intermedio piombo-209 il quale o innesca la catena precedente con decadimento beta dimezzandosi in 3.36 ore, oppure con un'altra cattura radiativa si trasmuta in piombo 210 che salta con dimezzamento di 22.3 anni direttamente al bismuto 210, di cui solo lo 0,2% resta elementare mentre il resto forma col piombo della miscela il PbPo e diventa così reattivo con l'acqua a formare il gas PoH2: PbPo + H2O → PoH2 + PbO. Se si considera una perdita di gas dello 0.01% del suo quantitativo totale al giorno il rilascio nella camera centrale raggiungerebbe senza essere rimosso circa 200 volte la massima concentrazione ammessa (), mentre per il piombo ne raggiungeremmo solo l'1%Orlov, Leonov et al, Lead Coolant as a natural safety component Per evitare questo è necessaria la continua rimozione del piombo-polonio, ma ad oggi le tecnologie esistentiCap 6. Results of the coolant activation studies, in: , Idaho National Laboratory 2001 non sono sufficienti per i quantitativi che si formerebbero in un reattore di potenza, e comunque sarebbero estremamente costose.
Inoltre il bismuto è poco disponibile e più costoso: le riserve valutate al 1972 per il piombo erano circa con tasso di estrazione di al prezzo di circa , mentre per il bismuto erano rispettivamente 625 e 1000 volte inferiori (circa a ) e il prezzo oscilla tra : con una domanda di un reattore commerciale da di anche con tutto il bismuto a disposizione potrebbero essere alimentate solo una ventina di centrali al piombo-bismuto eutettico. Quindi in prospettiva questo refrigerante è automaticamente tagliato fuori dalla produzione di vasta scala e da una influenza apprezzabile sul panorama energetico futuro a meno che queste stime non si rivelino sbagliate.
A livello di corrosione da metalli liquidi (a parità di substrato) bisogna distinguere: a parità di temperatura il bismuto è circa 40 volte più corrosivo del piombo verso il ferro (formando la ferrite di bismuto che accelera molto la dissoluzione), il cromo e il nichel che sono i principali componenti di un acciaio inossidabile; considerando però che richiede una temperatura minore di esercizio, nelle rispettive condizioni operative è in realtà più corrosivo il piombo: ciò è dovuto primariamente all'aumento della solubilità dell'ossigenoJames, Trotman, 1977. La velocità di dissoluzione del piombo è notevolmente minore che in PbBie a bassa temperatura ma maggiore oltre una soglia: ciò è dovuto primariamente alla minore solubilità dell'O a parità di temperatura, che spiega anche perché in Bi puro è circa 40 volte maggiore a pari temperatura.
Infine, anche se avviene ad una temperatura più bassa, la solidificazione del piombo al contrario dell'eutettico piombo-bismuto non comporta un consistente aumento di volume, rischiando meno di spaccare le tubazioni del primario, ma ha conducibilità termica minore: contro .
Un reattore commerciale dovrebbe avere temperatura di uscita di , quindi la solidificazione non è più considerata come nei primi sottomarini russi uno dei rischi peggiori, e si pensa di risolverla con un numero ridondante di riscaldatori elettrici.
Classificazione dei combustibili I materiali combustibili candidati sono uranio fertile e transuranici sotto forma di 4 composti in ordine di compatibilità (tutti tranne il metallico sono compatibili con miscele Pb Bi): Combustibile densità (Mg/m3) densità fissile (Mg/m3) conducibilità termica (W/mK) solidus (°C) liquidus (°C) (U,Pu)N 14.3 13.5 19.8 2720 2780 (U,Pu)O2poiché la tecnologia è già sviluppata verrà impiegato sui primi reattori ELSY e ALFRED 11.0 9.7questo lo rende poco attraente 2.9 2740 2775 (U,Pu)C 13.6 12.9 19.6 2325 2480 (U,Pu)Zrci si riferisce di solito a questo tipo come a combustibile metallico: è scartato in quanto non è in grado di fronteggiare un cedimento del cladding 15.6 14 35 850 1160
I migliori sarebbero i nitruri, che isolano meglio degli ossidi alcuni prodotti di fissione corrosivi per la guaina. Le fasi essenziali di sintesi sarebbero riduzione carbotermica dell'ossigeno a sotto azoto fluente, come ad esempio:
0.8 UO2 + 0.2 PuO2 + 2 C + 0.5 N2 → U0.8Pu0.2N + 2 CO2Albert Reynolds, Alan Waltar, Fast Breeder Reactors, U.S Department of Energy, 1981
centrifugazione e successiva sinterizzazione dei pellet. Purtroppo allo stato dell'arte le impurità di ossidi e carburi sono inevitabili, e aumentano il rigonfiamento e il rilascio dei prodotti di fissione gassosi. L'eventuale eliminazione dell'azoto 14 che assorbe neutroni formando carbonio 14 è molto costosa perciò si programma di riciclare l'azoto-15 nel ciclo di arricchimento.
La ricerca è per ora sviluppata al KTH.
Storia Dal 1950 al 1990 L'idea di utilizzare l'eutettico piombo-bismuto fu concepita da Lejpunskij nel 1950. Nel 1953 CyganR. Cygan, Circulation of lead-bismuth eutectic at intermediate temperatures, NAA-SR-253,1953 costruì per primoJinsuo Zhang, A reveiw of steel corrosion by liquid lead and lead-bismuth, Corrosion Science 2009 due circuiti a convezione in acciaio al carbonio 1015 e 400 per studiare la corrosione di diversi acciai nella lega eutettica a bassa velocità () tra , sfruttando una trappola magnetica per operare ininterrottamente per 15 mesi. Nel 1958 i sovietici realizzarono un reattore sperimentale 27/VT, e nel 1963 cominciò la fase sperimentale ad opera della Marina sovietica sul sottomarino 645. All'inizio del secondo round nel 1968 questo ebbe un incidente di solidificazione e furono rilevati problemi anche al 27/VT, che le analisi successive attribuirono alla occlusione delle scorieprincipalmente prodotte dalla corrosione degli acciai strutturali del circuito, o entrate dal gas protettivo durante la ricarica del combustibile e le operazioni di manutenzione al generatore di vapore(principalmente ossidi) accumulate nei punti meno caldi del circuito che fra l'altro abbassavano la rimozione del calore dal nocciolo, poiché non erano stati sviluppati mezzi per monitorare e regolare la purezza del refrigerante. Si decise perciò di limitare la vita degli impianti, e di proseguire lo studio termochimico del piombo-bismuto.
Dal 1977 il reattore al piombo bismuto equipaggiò la famosa Classe Alfa dato che la velocità e altre prestazioni molto spinte esigevano un reattore veloce molto meno ingombrante e pesante a parità di potenza rispetto ad un reattore nucleare ad acqua pressurizzata (che era ed è tuttora la tecnologia relativamente più diffusa anche in ambito navale), e l'alto requisito di sicurezza verso eventuale contatto con acqua escludeva la tecnologia al sodio a meno di un ulteriore circuito intermedio troppo ingombrante e penalizzante per rendimento e regolazione. I progetti OK-550 e BM-40A erano in grado di produrre 155 MWt. Erano significativamente più leggeri rispetto ai tipici reattori refrigerati ad acqua ed avevano il vantaggio di poter passare dalla modalità operativa a potenza minima e minimo rumore a quella a massima potenza (molto rumorosa), anche se si dimostrarono poco affidabili, dal momento che la solidificazione della miscela di piombo-bismuto rendeva il reattore non operativo. Con la tecnologia sviluppata, non ci sono stati problemi legati al refrigerante nelle operazioni della Classe Alfa durante la loro intera vita (80 anni-reattore).
Dal 1990 al 2005