L'attuale implementazione dell'energia nucleare basata sui reattori nucleari "termici" (generazione III) ha due problematiche che la rendono insostenibile nel lungo termine: la limitata disponibilità del combustibile uranio, e la radiotossicità del combustibile irradiato. Nel contesto della ricerca sui reattori di IV generazione, alta priorità è infatti rivolta alla definizione di reattori innovativi caratterizzati da uno spettro neutronico ad alta energia (reattori "veloci"), poichè questa caratteristica favorisce sia la generazione di nuovo combustibile, contribuendo ad un uso più efficiente delle risorse di uranio, che il fissionamento degli attinidi minori, riducendo la radiotossicità del combustibile irradiato.
I reattori veloci critici presentano però due limitazioni: la durezza dello spettro neutronico è intrinsecamente legata all'energia dei neutroni di fissione (circa 2 MeV), e il fissionamento degli attinidi minori è problematico per via della vicinanza dalla condizione di "criticità pronta", situazione in cui la dinamica temporale è dominata da quella parte della popolazione neutronica caratterizzata da una vita media molto breve.
Entrambe queste limitazioni sono superate o fortemente mitigate nei sistemi ibridi, costituiti da un nocciolo di fissione che opera in condizioni sottocritiche grazie ad una sorgente di neutroni "esterna" prodotta da reazioni di fusione in un plasma termonucleare. Questa sorgente di fusione sostiene nel nocciolo di fissione un flusso neutronico stazionario che per la sua alta energia (i neutroni di fusione hanno energia di 14.1 MeV per la reazione D-T, e 2.45 MeV per la D-D) permette il raggiungimento dei suddetti obiettivi di sostenibilità in condizioni di sicurezza.
La ricerca proposta consiste in una serie di studi volti a definire un sistema ibrido compatto ad alto campo magnetico, al fine di valutare il contributo che un tale sistema può dare nell'instradare l'energia nucleare verso un percorso di vera sostenibilità.
Nell'ambito della ricerca sui reattori ibridi fusione-fissione, la ricerca proposta presenta i seguenti elementi di novità.
(I) La ricerca proposta consiste nello studiare configurazioni ibride basate su macchine tokamak compatte caratterizzate da un campo magnetico molto alto (più di 10 T) ed alte densità (dell'ordine di 10^20 m-3). In particolare, si vuole trovare la soluzione più idonea per adattare il progetto della macchina Ignitor alla versione ibrida. La linea di ricerca dei tokamak compatti ad alto campo si posiziona come alternativa a quella, seguita dalla stragrande maggioranza dei ricercatori nel campo della fusione, che considera macchine di grandi dimensioni e caratterizzate da un campo magnetico che confina il plasma di valore intermedio.
(II) Lo studio dei parametri di un plasma fusionistico (D-T o D-D) magnetizzato ottimali al fine dell'accoppiamento con un nocciolo di fissione non è mai stato intrapreso in maniera sistematica. Ci proponiamo di eseguirlo utilizzando lo stesso tipo di codici usati dalla comunità fusionistica.
(III) Oltre alla reazione deuterio-trizio, ci proponiamo di studiare la reazione di fusione deuterio-deuterio. Quest'ultima non è studiata frequentemente nel campo dei tokamak puri in base all'assunzione che la reattività è molto più bassa rispetto alla reazione deuterio-trizio. Questa argomantazione è senz'altro valida nel campo della ricerca sulla fusione pura, ma può non rivelarsi tale nel caso dei sistemi ibridi. Questo perchè i plasmi dei sistemi ibridi possono essere meno performanti rispetto a quelli di un reattore a fusione puro, e dunque la minore reattività della reazione D-D potrebbe rivelarsi comunque sufficiente nel contesto degli ibridi. Se questo venisse verificato, si otterrebbe un grande vantaggio ingegneristico poichè non sarebbe necessario produrre il trizio.
(IV) Ci proponiamo di studiare il processo di fertilizzazione in reattori ibridi basato sul ciclo del torio (Th-U) anzichè quello più convenzionale dell'uranio. La stragande maggioranza degli studi sulla fertilizzazione portati avanti fin dagli albori dell'energia nucleare si sono basati infatti sulla trasmutazione dell'uranio 238 in plutonio 239 (ciclo U-Pu). Le criticità associate a tale ciclo sono svariate, tra cui quella di produrre una quantità significante di attinidi minori, dando luogo a scorie nucleari ad alta radiotossicità. Questa problematica è ridotta notevolmente nel caso del ciclo Th-U essendo il torio un elemento più leggero. Il ciclo del torio presenta anche il vantaggio di generare protoactinio, un isotopo che conferisce una grande stabilità neutronica al combustibile prodotto (costanza del fattore di moltiplicazione durante il burn-up) [1].
La ricerca sui sistemi ibridi fusione-fissione è ancora al livello di esplorazione delle loro potenzialità, e ad oggi nessuna macchina ibrida è stata realizzata. La prova scientifica e tecnologica che tali sistemi possano effettivamente contribuire alla sostenibilità dell'energia nucleare, come descritto in precedenza, in particolare rimpiazzando la soluzione dei reattori veloci critici convenzionali e le associate problematicità, costituirebbe un passo fondamentale nello sviluppo dell'energia nucleare. L'attività di ricerca delineata potrebbe portare nel medio/lungo termine alla definizione di una proposta progettuale di sistema ibrido che potrebbe confrontarsi e competere con le proposte in fase di definizione da altri gruppi di ricerca nel mondo.
[1] "Potential role of fusion neutron source in nuclear power systems", G.G: Kulikov, et al, FUNFI4 conference, 2021