Combustibili nucleari: front end, service period, back end

I combustibili nucleari sono quei combustibili utilizzati in un reattore nucleare che danno luogo a reazioni nucleari a catena.
I combustibili nucleari più comuni sono l’uranio 235 e il plutonio 239. L’uranio, elemento scoperto dal chimico tedesco Martin Klaproth nel 1789 presenta svariati isotopi-

L’ uranio 235 viene utilizzato a diverse concentrazioni: alcuni reattori, infatti, possono utilizzare l’uranio naturale che contiene ²³⁵U in ragione dello 0.7%. Gli altri reattori richiedono che la concentrazione dell’isotopo sia almeno del 3-5%.

Il plutonio 239 è in genere ottenuto nei reattori nucleari a partire dai minerali dell’uranio tramite un processo di cattura neutronica dell’uranio 238 che si trasforma in ²³⁹U. Quest’ultimo, a seguito di due decadimenti β si trasforma dapprima in ²³⁹Np e poi in ²³⁹Pu.

Ciclo dei combustibili nucleari

Il ciclo dei combustibili nucleari inizia con il front end che consiste nella preparazione del combustibile.

Per ottenere elettricità da un reattore nucleare vengono utilizzato principalmente un ossido di uranio ottenuto dai minerali. Esso è convertito in genere in esafluoruro di uranio che è un gas a temperature relativamente basse.

L’esafluoruro di uranio è quindi immagazzinato in bombole dove solidifica e mandato all’impianto di arricchimento.

Il processo di arricchimento separa l’esafluoruro di uranio gassoso in due parti. Una arricchita al livello richiesto e noto come uranio a basso arricchimento. L’altra si esaurisce progressivamente e viene chiamato “code” o semplicemente uranio impoverito.

Segue il service period in cui il combustibile è impiegato nel reattore dove avvengono un insieme di processi che interessano i nuclei radioattivi. Questi  decadono in nuclei più piccoli liberando energia tramite una reazione a catena.

Il combustibile nucleare è rimosso dal reattore dopo che è avvenuta la fissione di grandi quantità sia che si tratti di uranio 235 che di plutonio 239. Segue quindi il back end che consiste nelle operazioni necessarie a rendere sicuro il combustibile esaurito.

Dopo l’uso, infatti, esso deve essere raffreddato per alcuni anni poiché è estremamente caldo ed è pertanto messo in vasche di stoccaggio. In esse si ha la diminuzione dei livelli di radiazione e l’assorbimento del calore che è rimosso facendo circolare l’acqua attraverso scambiatori di calore esterni.

Vantaggi e svantaggi dei combustibili nucleari

In tutto il mondo, ci sono vaste riserve di uranio rimaste da estrarre quindi sebbene non sia una fonte  rinnovabile, è sostenibile data la sua abbondanza. A differenza dei combustibili fossili , l’utilizzo di combustibili nucleari per produrre energia non produce direttamente  anidride carbonica o anidride solforosa. 

Sebbene l’impronta di carbonio dell’utilizzo di combustibili nucleari sia inferiore, esistono ancora degli svantaggi nel loro utilizzo. I rifiuti, pur essendo un volume molto inferiore, devono essere maneggiati con molta attenzione a causa della loro radioattività .

Inoltre richiedono sistemi molto più complicati per estrarre la loro energia, il che richiede una maggiore regolamentazione. Questi sistemi e regolamenti complessi rendono i tempi di costruzione molto lunghi.