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Si è detto nelle sezioni precedenti che esistono, sebbene in numero limitato, dei reattori che adottano come fluido refrigerante un gas: l’anidride carbonica o l’elio. Per la generazione IV è in fase di progettazione il reattore a letto di sfere, raffreddato ad elio, di cui un prototipo dovrebbe incominciare a funzionare nel 2006 in Sudafrica.

Ogni sfera del diametro di circa 60 mm è costituita da un guscio di grafite all’interno del quale sono presenti 15.000 particelle di diametro di poco più di mezzo millimetro che contengono il combustibile di ossido di uranio. Ogni particella possiede una serie di gusci concentrici che avvolgono il combustibile nucleare: si parte dallo strato esterno di carbonio pirolitico, che a sua volta contiene il rivestimento di carburo di silicio il quale, data la sua notevole resistenza, ha la funzione di contenitore a pressione per i prodotti di fissione. Vi è poi un ulteriore strato di carbonio pirolitico che insieme ad un ultimo strato di carbonio poroso ospita al proprio interno il nucleo di ossido di uranio.

Nel nocciolo oltre alle sfere di combustibile sono presenti anche 100.000 sfere che contengono solamente grafite: ciò consente di controllare la distribuzione di potenza e di temperatura del reattore.

In media ogni minuto una sfera di combustibile viene estratta dal basso del nocciolo e dall’alto ne viene inserita una nuova. In tal modo ogni sfera viaggia gradatamente verso il basso impiegando circa 6 mesi a completare il suo iter. Il nocciolo si trova quindi sempre in condizioni ottimali dal punto di vista del combustibile e ogni sfera è sottoposta a sollecitazioni inferiori rispetto a quelle che deve sopportare un elemento di combustibile fisso, aumentando pertanto il grado di sicurezza di questi nuovi reattori rispetto agli attuali.

L’elio preleva l’energia termica prodotta dal nocciolo e viene immesso ad una temperatura di 900°C direttamente in una turbina a gas la quale, accoppiata all’alternatore, produce l’energia elettrica.

L’elio di raffreddamento ha alcuni vantaggi rispetto all’acqua naturale: in primo luogo il sistema alternatore-turbina ad elio ha un rendimento del 40% rispetto a quello del 25% dell’analogo sistema utilizzato nei reattori raffreddati ad acqua naturale. In secondo luogo l’elio è un gas inerte e come tale non reagisce chimicamente con i materiali con cui viene a contatto, al contrario dell’acqua che ha invece una azione corrosiva sulle strutture del reattore.

Un ulteriore vantaggio dei reattori a letto di sfere è dato dalle dimensioni sicuramente più contenute rispetto ai reattori attuali; inoltre il numero ridotto di sottosistemi presenti ne abbatte il costo complessivo, assolvendo al requisito di competitività economica richiesto dal progetto Generation IV.