0187. Mi date maggiorni informazioni sul reattore Uhtrex?

Vorrei avere informazioni sul reattore, sviluppato a Los Alamos, denominato Uhtrex (ultra high temperature reactor experiment) o, se possibile, dei collegamenti esaurienti (web,testi,ecc.). Come mai non sono seguiti altri prototipi, visto l'utilizzo di altissime temperature che apriva il campo per efficienze notevoli? E' stata soddisfacente la produzione di energia elettrica? In cosa consisteva il "confezionamento" del combustibile? Quale è stata la temperatura operativa del refrigerante? Ho letto che tramite opportuni cicli è possibile produrre in maniera idrogeno per via termochimica: in questo caso,data l'alta temperatura di lavoro del reattore,quale sarebbe stato il rendimento calore-idrogeno? ( Alessandro) (2066)

Per comprendere lo scopo dell'esperimento UHTREX bisogna introdurre il contesto storico-logistico in cui esso è nato e si è sviluppato. L'esperimento UHTREX nasce in uno dei laboratori di ricerca nucleare fra i più affermati su scala mondiale, sia per motivazioni storiche (è qui che sono state progettate le bombe atomiche che distrussero Hiroshima e Nagasaki) che per gli alti contenuti scientifici e gli importanti risvolti tecnologici della ricerca ivi condotta. Inizialmente i laboratori di Los Alamos sono stati costruiti per un proposito ben preciso e a breve scadenza: costruire la bomba atomica e condurre ad una rapida conclusione la seconda guerra mondiale. Decretata la fine della guerra, però, il laboratorio non venne chiuso, contrariamente a quanto inizialmente preventivato, ma fu deciso di farlo diventare una struttura di ricerca ben consolidata, essendo le autorità politiche americane dell'epoca fortemente convinte che lo sviluppo di armi nucleari era ancora un'attività essenziale per la difesa del paese.

Malgrado Los Alamos, dunque, si avviasse ad essere il massimo laboratorio scientifico asservito alla difesa nazionale degli Stati Uniti d’America, fu sempre chiaro a tutti coloro che si susseguirono nella direzione dei laboratori che bisognava preparare la strada ad attività che avessero ricadute a più lungo termine, in particolar modo sviluppando e rafforzando la ricerca della fisica di base.

Rafforzare la ricerca di base avrebbe avuto delle ricadute essenziali in diversi campi tecnologici non ultimo quello della ingegneria degli armamenti.

Intorno agli anni 1960 fu deciso che, per motivi di sicurezza, gli Stati Uniti dovessero possedere un missile balistico intercontinentale e i reattori nucleari fornivano l'unica soluzione per avere le potenze necessarie per la propulsione. Nacque così il Programma Rover per la progettazione e costruzione di un reattore nucleare spaziale. Questo progetto prevedeva di utilizzare un reattore a fissione refrigerato ad idrogeno gassoso.

L'idrogeno passando attraverso gli elementi di combustibile del nocciolo del reattore si riscaldava fino a temperature elevatissime (2000°C circa) necessarie per ottenere la propulsione adeguata per il razzo.

In definitiva l’idrogeno doveva svolgere contemporaneamente la funzione di moderatore-refrigerante del reattore e quella di gas propellente del razzo.

Ebbe inizio in questo modo la ricerca di un tipo di combustibile compatibile con le elevatissime temperature che si volevano ottenere per il gas di propulsione e in grado di soddisfare le specifiche stabilite su dimensioni, peso e potenza necessari per il razzo. Si cominciò quindi a lavorare su due tipi di combustibile: uno basato su una miscela di biossido di uranio con molibdeno  e l'atro su una miscela di carburo di uranio e grafite. Già prima del progetto Rover erano disponibili elementi di combustibile che consistevano in piccole pasticche di grafite in cui erano disseminate particelle di combustibile. Queste pellets erano ottenute per stampaggio. Per il progetto Rover invece si volevano elementi di combustibile in matrice di grafite particolarmente lunghi (alcuni metri) e dotati di buchi per il passaggio di idrogeno. Essendo praticamente impossibile ottenere dei buchi lunghi e precisi per stampaggio, si pensò di ottenerli per estrusione. Il processo di lavorazione degli elementi di combustibile per estrusione rappresentava una notevole sfida tecnologica, così come un’altra importante prova tecnologica riguardava il rivestimento interno di questi tubi con carburi resistenti ad alte temperature in modo da permettere che vi potesse circolare idrogeno a 2000° C senza problemi.

Pellet di combustibile caratteristica dei reattori a gas ad alta temperatura

In questo contesto si colloca l'esperimento UHTREX che di fatto fu un diretto spin-off del programma Rover.

Il progetto UHTREX (analogamente al programma ROVER) fu originariamente un programma “classificato”, ossia coperto dal segreto militare. Solo dopo lo smantellamento del reattore UHTREX venne resa accessibile la documentazione relativa a questo progetto.

Tale documentazione consiste essenzialmente in reports interni dei Laboratori di Los Alamos. Purtroppo il laboratorio di Los Alamos, dopo gli avvenimenti del 11 Settembre non rilascia nessun tipo di documentazione e anche i siti in cui erano scarcabili i files di molte note tecniche interne non sono più raggiungibili dall'esterno. Questo spiega la difficoltà nel reperire documentazione sul progetto.

Alcune delle altre domande del nostro web-nauta (temperatura operativa del refrigerante, produzione dell’ energia elettrica, combustibile e suo confezionamento etc.) trovano risposta nell’ approfondimento , dove forniamo anche una descrizione tecnica generale dell’impianto. Ci soffermeremo invece qui su due punti che possono avere un interesse più generale: quello dei successivi prototipi e quello della produzione dell’idrogeno per via termochimica.

Perché, si chiede il nostro web-nauta, non sono seguiti altri prototipi visto l'utilizzo di altissime temperature che apriva il campo per efficienze notevoli?

Negli anni 70 il laboratorio di Los Alamos conobbe la prima crisi di budget che comportò la cancellazione di alcuni programmi: fra questi Rover e UHTREX. C’era stata, infatti, una pressione considerevole da parte dell'AEC (Atomic Energy Commission) nell'indirizzare alcune importanti risorse di Los Alalmos verso lo sviluppo di reattori commerciali ad acqua leggera e di reattori veloci autofertilizzanti i reattori nucleari refrigerati a sodio liquido. Nonostante l'interruzione del programma UHTREX a Los Alamos, lo studio di reattori a gas ad alta temperatura per la produzione di energia elettrica ad uso pacifico ha sempre rappresentato un canale di ricerca assai promettente ed importante e per questo un po' in tutto il mondo sono stati sviluppati e continuano ad esservi programmi di grande rilievo, fra i quali si annoverano, ad esempio, i GT-MHR (Gas Turbine-Modular Helium Reactor), i VHTR (Very High Temperature Reactor), GFR (Gas cooled Fast Reactor). Questi sono solo alcuni dei sistemi di IV GENERAZIONE nella “roadmap” che vuole rilanciare un utilizzo pacifico più sicuro e conveniente dell'energia nucleare.

I reattori modulari ad alte temperature, oltre a promettere elevate efficienze (48% contro il 30% dei reattori di vecchia generazione LWR), permettono di individuare soluzioni concrete ad importanti problematiche fra le quali: minimizzare la produzione delle scorie, evitare la proliferazione di materiali per armi nucleari e accoppiarsi a cicli industriali importanti, quali la produzione di idrogeno, con elevate efficienze.

Veniamo ora alla questione di estrema attualità sulla produzione dell'idrogeno sfruttando il calore ad alta temperatura dei reattori nucleari di nuova generazione. L'idrogeno è un’importante sorgente di energia per il futuro, particolarmente promettente nel campo dei trasporti. L'utilizzo di celle di combustibile ad idrogeno consentirebbe, infatti, di ridurre drasticamente il consumo di petrolio con conseguenze importanti sulla riduzione dell'inquinamento atmosferico.

I metodi attualmente adottati presentano lo svantaggio di essere inefficienti (consumo di molta potenza per produzione di poco idrogeno) oppure, qualora abbiano una buona efficienza, sono accompagnati dalla produzione di gas nocivi che vengono dalla combustione di combustibili fossili.

Al momento l'idrogeno è prodotto su scala industriale, prevalentemente, usando gas naturale (essenzialmente metano) come materiale sorgente degli atomi di idrogeno e al tempo stesso materiale generatore di calore per combustione. L'idrogeno è l'elemento più diffuso nell'universo e, sulla terra, può essere ricavato da una fonte praticamente inesauribile come l'acqua (oltre che dal metano, ecc). La termolisi dell'acqua, ossia la scissione dell'acqua nei suoi due componenti ossigeno ed idrogeno, per azione del solo calore avviene, però, a temperature molto elevate: bisogna superare i 4000°C per avere una produzione significativa di idrogeno.

Esistono, comunque, altri metodi per ottenere l'idrogeno dalla dissociazione dell'acqua, quale ad esempio il processo termochimico. In questo caso la decomposizione dell'acqua avviene come risultato finale di un set di reazioni chimiche alcune delle quali di tipo endotermico, ossia reazioni che hanno bisogno di calore fornito dall'esterno per attivarsi. In questo caso, anche se bisogna sempre fornire del calore, le temperature necessarie sono nettamente più basse di quelle del processo diretto di termolisi.

I reattori a gas ad alte temperature e i reattori veloci raffreddati a metalli liquidi sono ottimi candidati a fornire calore ad alte temperature, promettendo grosse efficienze di conversione “calore-idrogeno” senza rilascio di gas nocivi nell’atmosfera. Lo splitting dell'acqua può, in questo caso, avvenire a temperature intorno agli 800-900°C, attraverso cicli che si basano, ad esempio, sull'utilizzo dell'acido solforico e dell’acido iodidrico, con efficienze di conversione calore-idrogeno gassoso (H2) del 45-55 %. Di seguito sono riportate le reazioni coinvolte nel ciclo S-I:

Nei reattori VHTR (Very high temperature Reactor, versione avanzata dei Modular Helium Reactor) è previsto di avere elio a temperature superiori ai 1000°C. Più alta è la temperatura e più efficiente sarà la produzione termochimica dell'idrogeno.

Tenendo conto che la cinetica chimica ci insegna che, secondo la ben nota legge di Arrhenius , il rateo di avanzamento della reazione è proporzionale a e^{ -1/T} (dove T indica la temperatura dei reagenti), se anche nel caso di UHTREX si fosse adottato il processo termochimico che si basa sul ciclo S-I, si sarebbero ottenuti rapporti di conversione calore idrogeno stimabili attorno al 50-55% e cioè sostanzialmente simili a quelli attesi utilizzando GT-MHR o i VHTR.

NOTA: Si vuole far osservare che l'arricchimento medio del combustibile previsto per i GT-MHR e i VHTR è mediamente < 20%, quindi nettamente inferiore a quello del combustibile di UHTREX.

Lina Quintieri – Ingegnere Nucleare