Burnup

Nella fisica deireattori nucleari,ilburnupoconsumoè una delle misure dell'irraggiamento,definita come ilcaloreprodotto da una certamassadicombustibileindirettamente perfissionedi una parte dei suoi nuclei. L'unità di misura più utilizzata dai costruttori è ilmegawatt-giorno pertonnellatadi combustibile che espresso in simboli è MWd/t, per ragioni storiche di retaggio bellico dato che il consumo completo per l'U235puro è circa 1 000 GWd/t.

Ad esempio, considerando di volere caricare un reattore nucleare con un chilogrammo di uranio a basso arricchimento, esso va immesso nella maggior parte dei reattori sotto forma dibiossido:per comprendere l'ossigeno bisogna moltiplicare per il rapporto fra le masse molari di biossido e di uranio (238+32)/238, ottenendo una massa combustibile di 1,134 kg. Se al suo scaricamento corrisponde un consumo di 10 GWd/t, dovrà aver prodotto non solo 24 000MWhbensì 27 216MWhtermici (di cui circa il 30% viene trasformata inelettricitàa seconda delrendimentodel ciclo secondario). Dal consumo si può risalire alla frazione di fissioni avvenute, conoscendo l'energia media di ogni fissione (circa 200MeVper i reattori termici ad acqua), quindi allafluenzaneutronica conoscendo lasezione di fissionemedia del combustibile.

L'aumento del consumo ha effetti benefici sull'economia dell'interacentrale nucleare:nei progetti deireattori ad acqua leggera,l'impianto deve essere fermato per la ricarica del combustibile, quindi un alto consumo diminuisce il numero di fermate dell'impianto e permette di aumentare il fattore di carico della centrale, attualmente a circa il 90% (92% negliUSAe 93% inFinlandia). Si riduce, quindi, anche il numero di elementi di combustibile dariprocessareo altrimenti da smaltire comescoriein un dato lasso di tempo, ma aumenta di contro la presenza di prodotti di fissione,plutonioedattinidiper ciascun elemento di combustibile estratto, rendendo piùradiotossichele scorie e dunque più difficile il trattamento e/o lo stoccaggio. A parità di consumo non cambia però, la quantità totale di prodotti di fissione generati, visto che il consumo è direttamente proporzionale al numero di fissioni avvenute.

D'altra parte un maggiore consumo comporta un maggiore irraggiamento per i materiali strutturali che abbassa progressivamente le loro tenuta meccanica principalmente perinfragilimento da radiazione,che si sovrappone alloscorrimento viscosoe allacorrosionecon spesso effetti nonlineari di amplificazione reciproca. Nei reattori ad acqua per esempio il fattore limitante per la durata della ricarica è il margine sulla temperatura di transizione duttile-fragile della guaina, e quello limitante per la vita dell'impianto la temperatura di transizione duttile-fragile del recipiente, a meno che sia economico sostituirlo. Il consumo è insomma un indice del livello tecnologico del reattore intero, e non tanto del combustibile in sé.

Come ultimo vantaggio all'aumentare del consumo vi è una minore possibilità diproliferazione nucleare,visto che il plutonio prodotto nel reattore è in gran parte consumato già durante il funzionamento (circa 1/3 negli attuali LWR e circa la metà neiCANDU), e quello che esce è troppo ricco diplutonio-240(che tende a fissionarsi spontaneamente prima di raggiungere lamassa critica,e deve essere in quantità inferiore all'8%) e successivi per essere usato direttamente comeordigno nucleare.Reattori utilizzati per produrre plutonio per le bombe hanno, infatti, bassissimi burnup (circa 100 kWd/kg) per non consentire alplutonio-239direttamente prodotto dalla catturaneutronicada parte dell'U238di catturare altri neutroni e trasformarsi negli isotopi del plutonio più pesanti. Il plutonio uscente da un reattore commerciale è molto meno "puro",ad esempio, quello da unPWRa 53GWd/t, è composto dal 50,3% di Pu-239 ed il 24,1% di Pu-240, rendendolo quindi non usabile per ordigni nucleari.

I reattori ad acqua leggera di I generazione avevano dei burnup fino a circa 30 GWd/t, quelli attualmente in funzione di II sono sui 45 GWd/t, mentre i reattori attuali diIII Generazionehanno burnup che vanno dai 60 ai 70 GWd/t. Neireattori velocidi quarta generazione si vogliono superare i 200 GWd/t con l'impiego di materiali nuovi, in particolare con acciai per alte temperature derivati dal settore convenzionale o con acciai per alti irraggiamenti derivati dal settore dellafusione nucleare.