Il torio potrà sostituire l’uranio come combustibile nei reattori nucleari? Scopriamo quali sono le sue potenzialità ed i suoi limiti.

Il torio è un elemento radioattivo che in natura esiste in un’unica forma isotopica: il torio 232. Decade molto lentamente: il suo tempo di dimezzamento è pari a 14.5 miliardi di anni, circa tre volte l’età della terra. La ricerca sul torio nasce per indagare il suo potenziale utilizzo come combustibile nei reattori nucleari.

Attualmente il combustibile tradizionalmente utilizzato nei reattori è l’uranio 235. Il torio e l’uranio, pur avendo proprietà simili, differiscono per il loro comportamento. L’uranio 235 è un materiale fissile: quando viene colpito da un neutrone, dà luogo ad una reazione di fissione, liberando altri neutroni che vanno a innescare nuove reazioni di fissione. Al contrario, il torio è un materiale fertile: quando assorbe un neutrone decade fino a trasformarsi in un elemento fissile, l’uranio 233. Per questo motivo, il torio può essere utilizzato nei reattori autofertilizzanti, cioè quei reattori in cui il combustibile è composto sia da uranio 235 (fissile) che da torio 232 (fertile). In questo modo, si può avere una disponibilità continua di fissile: man mano che si consuma, l’uranio 235 viene sostituito dall’uranio 233, prodotto dalla trasformazione del torio. La ricerca sul torio è condotta parallelamente a quella sui reattori di quarta generazione, più sicuri e innovativi, che ne prevedono l’utilizzo come componente del combustibile nucleare. I reattori di quarta generazione sono, come i loro antecedenti, dei reattori che producono energia per mezzo di reazioni di fissione ma che si distinguono dai primi perché ne rappresentano un’evoluzione in termini di sicurezza e sostenibilità. Rispetto all’uranio, l’utilizzo del torio comporta diversi vantaggi:

– È più abbondante: nella crosta terrestre è presente in quantità di circa quattro volte superiori. Questo significa che può rispondere alla crescente richiesta di energia sul lungo periodo.

– Un reattore alimentato al torio produce una quantità inferiore di elementi radioattivi a vita lunga come plutonio, americio e curio. Questo fa sì che il combustibile esaurito che rimane nel reattore abbia una pericolosità di vari ordini di grandezza inferiore a quella di un reattore all’uranio e che le scorie prodotte possano essere smaltite più facilmente. La principale sorgente di radiotossicità (ovvero della capacità di produrre effetti dannosi per l’organismo) è infatti rappresentata dal plutonio e dagli elementi radioattivi a vita lunga che si generano durante il funzionamento del reattore e che rimangono nel combustibile nucleare una volta che l’uranio si è consumato. Il plutonio si genera principalmente dall’uranio 238, un isotopo largamente presente nel combustibile tradizionale a base di uranio. Se questo viene sostituito dal torio, la produzione di plutonio si riduce notevolmente e con essa anche la radiotossicità del combustibile esaurito.

Schema della reazione di fissione nucleare.

– Questo aspetto permette anche di ridurre un altro rischio: il  furto del combustibile nucleare esaurito per scopi bellici, ovvero per costruire un’arma. Un ordigno nucleare necessita di una certa quantità di plutonio particolarmente “puro”, che il ciclo del torio non produce. Un’ulteriore barriera contro la proliferazione nucleare è offerta dal campo di radiazione associato al combustibile esausto proveniente dal torio: l’uranio 233 prodotto dal torio può decadere in uranio 232, un isotopo che emette radiazione gamma molto pericolosa. Diventa così molto più difficile maneggiare il materiale per realizzare un ordigno.

-Il torio, come l’uranio, è utilizzato in forma di ossido per produrre il combustibile. L’ossido di torio ha una conducibilità termica molto più alta dell’ossido di uranio. La maggiore stabilità termica che ne deriva permette di ridurre la temperatura del combustibile, riducendo di conseguenza il rilascio nel reattore di prodotti di fissione gassosi (che tendono ad “avvelenare”il combustibile, impedendone la completa fissione). Limitare la liberazione di questi prodotti gassosi significa poter sfruttare il combustibile più efficacemente, consumandone una quantità maggiore. A questo proposito, si stima che il 90% di uranio 233 prodotto da torio incorre nella reazione di fissione mentre solo il rimanente 10% rimane nel combustibile esausto: ciò significa che il 90% del materiale fissile è utilizzabile. La principale conseguenza positiva è che l’impianto si fermerà meno frequentemente per la ricarica del combustibile.

-L’uranio 233 prodotto dal fertile torio è un combustibile migliore di uranio 235 e plutonio 239 alle alte temperature. Questo lo rende più adatto all’utilizzo nella filiera di reattori ad alta temperatura.

-Oltre che nei reattori di nuova generazione, il combustibile a base di torio potrebbe essere usato nei reattori tradizionali che funzionano con l’uranio, con piccole modifiche tecniche alla configurazione del reattore. Per esempio, potrebbe essere utilizzato nella filiera di reattori canadesi CANDU, che necessitano di una minor concentrazione di fissile per poter funzionare.

Il principale svantaggio è che il torio non può essere usato da solo come combustibile: deve essere aggiunta una quantità iniziale di materiale fissile, come l’uranio 235, per poter fornire i neutroni necessari a fertilizzare il torio. Inoltre, è più difficile riprocessare il combustibile a base torio, ovvero rimuovere il materiale fissile residuo per poterlo poi utilizzare di nuovo nel reattore. La ricerca prosegue su questo tema, mirando a risolvere le sfide ancora presenti e sfruttando i vantaggi che questa risorsa offre per poter rendere il nucleare una fonte di energia più pulita e sicura.

Bibliografia

Humphrey, Uguru Edwin, and Mayeen Uddin Khandaker. “Viability of thorium-based nuclear fuel cycle for the next generation nuclear reactor: Issues and prospects.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 97 (2018)

Todosow, Michael, et al. “Use of thorium in light water reactors.” Nuclear technology 151.2 (2005)

World nuclear association, https://www.world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/thorium.aspx

Immagine di copertina: Thorium infographic stock photo from Malachy666/Shutterstock

Immagine della reazione di fissione: fission reaction diagram stock photo from OSweetNature/Shutterstock