Innovazione nella Trasmutazione dei Rifiuti Nucleari
Un team di ricercatori statunitensi ha recentemente ottenuto un finanziamento federale di 3,2 milioni di dollari per sviluppare un acceleratore compatto e a basso costo, progettato per trasmutare i rifiuti nucleari a lunga vita in materiali più sicuri e meno pericolosi. Questo sostegno economico, erogato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), è destinato all’Argonne National Laboratory e al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nell’ambito del programma Nuclear Energy Waste Transmutation Optimized Now (NEWTON) di ARPA-E. L’iniziativa fa parte di un investimento complessivo di quasi 125 milioni di dollari, mirato a gestire e ridurre i rifiuti nucleari di alta attività nel paese. L’obiettivo ambizioso è rendere il riprocessamento del combustibile nucleare commerciale statunitense economicamente sostenibile entro i prossimi trent’anni.
Il Contesto della Modernizzazione degli Acceleratori
Questo progetto si inserisce in un contesto più ampio di modernizzazione degli acceleratori lineari superconduttori, con l’intento di sviluppare un sistema più piccolo, accessibile e affidabile, specificamente progettato per facilitare la trasmutazione dei rifiuti nucleari. La trasmutazione consiste nella conversione di isotopi radioattivi a lunga vita in isotopi con una vita più breve, contribuendo così a ridurre il rischio associato ai rifiuti nucleari. Attualmente, oltre 90.000 tonnellate metriche di rifiuti nucleari sono stoccate nelle centrali elettriche statunitensi. Gli acceleratori di particelle sono considerati la tecnologia più promettente per affrontare questa problematica, grazie alla loro capacità di generare fasci di protoni altamente efficienti.
Componenti Innovativi per la Trasmutazione
Il sistema proposto utilizza componenti specializzati, noti come cavità superconduttrici, impilati all’interno di acceleratori lineari. Questi sistemi generano fasci di protoni che, interagendo con bersagli di elementi pesanti, producono un intenso flusso di neutroni attraverso un processo chiamato vapor diffusion process. Michael Kelly, fisico di Argonne e leader del progetto, spiega che i neutroni, diretti verso i rifiuti radioattivi all’interno di un reattore, si moltiplicano e “bruciano” essenzialmente il combustibile nucleare usato, trasformandolo in un materiale che decade molto più rapidamente. Questa innovazione rappresenta un passo significativo nella gestione dei rifiuti nucleari.
Affrontare le Limitazioni delle Cavità Attuali
Tuttavia, le attuali cavità per acceleratori, generalmente costruite in niobio puro, presentano dimensioni ingombranti e costi elevati, che possono superare le centinaia di migliaia di dollari ciascuna. Inoltre, richiedono sistemi di raffreddamento centralizzati, costosi e che consumano grandi quantità di elio liquido a temperature comprese tra i due e i quattro kelvin. Quando raggruppate in unità di sei-otto, note come criomoduli, queste cavità possono raggiungere dimensioni paragonabili a vagoni merci ferroviari. Per superare queste limitazioni, i ricercatori stanno esplorando l’uso del niobio-tre-stagno (Nb3Sn), un materiale innovativo nel campo della scienza degli acceleratori.
Innovazioni nel Raffreddamento e nella Progettazione
Il niobio-tre-stagno può essere depositato per vaporizzazione all’interno delle cavità degli acceleratori, migliorando l’efficienza e riducendo il consumo di elio. Invece di dipendere da grandi sistemi di raffreddamento centralizzati, il team prevede di implementare criocooler compatti distribuiti lungo il linac, minimizzando così il rischio di guasti a punto singolo. Kelly sottolinea l’importanza di questa innovazione, affermando che il team non potrà valutare appieno le potenzialità di riduzione delle dimensioni e dei costi fino a quando non saranno completate ulteriori ricerche e sviluppi. Questo aspetto è fondamentale per il successo della ricerca e sviluppo in corso.
Prospettive Future e Sostenibilità
Le nuove cavità in niobio-tre-stagno potrebbero richiedere meno elio per il raffreddamento e sostituire le attuali cavità di grandi dimensioni con modelli molto più compatti, potenzialmente ridotti a un terzo o addirittura un quinto delle dimensioni. L’expertise di Fermilab nei sistemi criogenici e nei rivestimenti delle cavità si preannuncia cruciale per il progresso di questa tecnologia. Gli scienziati Grigory Eremeev e Sam Posen stanno guidando gli sforzi per perfezionare il processo di diffusione del vapore, affrontando la sfida di adattare i rivestimenti a geometrie complesse.
Mitigazione dei Rischi nei Sistemi Criogenici
Inoltre, la nuova tecnologia affronta il rischio di interruzioni totali nel caso in cui un impianto criogenico centrale dovesse guastarsi. Poiché i progetti attuali si basano su grandi frigoriferi di elio liquido, un malfunzionamento potrebbe compromettere l’intero sistema. I ricercatori stanno quindi pianificando di sostituire questa configurazione con una rete distribuita di helium refrigerators compatti e a prova di guasto. Decentralizzando il sistema di raffreddamento, si mira a ridurre le probabilità di guasti sistemici e garantire un funzionamento più fluido. È fondamentale che l’acceleratore raggiunga un tempo di operatività di almeno il 95% per mantenere stabile il processo di trasmutazione.
Conclusioni e Sviluppi Futuri
Il supporto del DOE ha reso possibile lo sviluppo di impianti di rivestimento in niobio-tre-stagno altamente capaci presso Fermilab, nonché l’implementazione di tecniche per ottenere elevate prestazioni in cavità con geometrie complesse. Posen ha concluso in una press statement: “Ora stiamo costruendo su quella base, avanzando nelle tecniche di rivestimento e applicandole a queste applicazioni entusiasmanti”. Il progetto è stato selezionato tra gli undici che nel 2025 condivideranno 40 milioni di dollari di finanziamenti ARPA-E NEWTON, destinati a promuovere tecnologie per il riciclaggio del combustibile nucleare usato. Questa iniziativa rappresenta un passo importante verso un futuro più sostenibile nella gestione dei rifiuti nucleari.
