La matematica ha spesso rivelato geometrie nascoste nel mondo naturale. Dalle spirali dei girasoli alle fronde delle felci, le forme che si ripetono e ottimizzano superfici e volumi non sono solo affascinanti: possono anche ispirare innovazione tecnologica. È su questa linea che un gruppo di ricercatori dell’Idaho National Laboratory (INL) sta sperimentando un nuovo tipo di combustibile nucleare basato sulle triply periodic minimal surfaces (TPMS), superfici minime periodiche che potrebbero rivoluzionare efficienza e sicurezza dei reattori.
Minimal surfaces e natura: quando la geometria diventa tecnologia
Per chi non lo sapesse, le minimal surfaces sono strutture che assumono la minima area possibile entro un confine. Un esempio immediato è la pellicola di sapone che si forma su una bacchetta per bolle: il liquido crea spontaneamente una superficie minima. Se la geometria cambia, cambia anche la forma: immergendo una spirale metallica in acqua saponata, la membrana assume l’aspetto di un elicoide, simile a una vite ma sempre ottimizzato per ridurre la superficie.
Questi pattern non appartengono solo a laboratori e giochi da bambini: ali di farfalla, membrane mitocondriali, midollo osseo e conchiglie di ricci di mare mostrano lo stesso principio. Le minimal surfaces sono presenti ovunque la natura debba ottimizzare spazio e scambio energetico.
Da qui nasce l’idea del progetto INFLUX (Intertwined Nuclear Fuel Lattice for Uprated heat eXchange): rimpiazzare le tradizionali barre cilindriche dei combustibili con una struttura a TPMS, dotata di intrecci tridimensionali che facilitano il passaggio del refrigerante e trasferiscono calore in modo più efficiente.
Dalle barre degli anni ’50 a INFLUX: l’additive manufacturing apre nuove strade
La forma standard del combustibile nucleare — un fascio di cilindri — deriva da vincoli industriali degli anni ’50. Come ricorda il ricercatore Nicolas Woolstenhulme, “i cilindri hanno in realtà una forma pessima per il trasferimento di calore”. La scelta non fu idealmente tecnica, ma produttiva: quello consentiva la manifattura.
L’avanzamento della stampa 3D ha però cambiato lo scenario. Oggi è possibile costruire strutture complesse, anche impossibili da ottenere con metodi tradizionali. Il team INL ha quindi realizzato con la stampa 3D un prototipo del combustibile con un composito polimerico conduttivo, inserendo sensori di temperatura per studiare come il calore attraversi la rete tridimensionale del TPMS.
I test hanno confermato risultati sorprendenti: il coefficiente di scambio termico triplica rispetto al combustibile standard. Un miglioramento così netto significa maggiore densità di potenza, combustibile più freddo, minor degrado nel tempo e migliori performance economiche del reattore.
La produzione reale del combustibile resta complessa. L’intreccio che potenzia la dissipazione termica rende difficile l’impiego di materiali nucleari convenzionali. Per superare l’ostacolo, INL ha combinato additivi commerciali e hot-isostatic pressing, riuscendo a fabbricare INFLUX in configurazioni ceramica/metallo e metallo/metallo.
Sicurezza, neutronica e prossimi passi
Il design INFLUX costringe il refrigerante a passare attraverso un labirinto morbido e continuo, migliorando la miscelazione dei fluidi senza penalizzare il flusso. Nelle barre tradizionali, il centro resta molto caldo e rilascia calore a lungo anche dopo l’arresto della reazione. Il combustibile INFLUX invece smaltisce calore più rapidamente, un vantaggio cruciale in caso di emergenze come perdita di refrigerante o spegnimenti improvvisi.
Il nuovo design offre anche benefici neutronici: i canali lineari tra barre tradizionali favoriscono la fuga dei neutroni, mentre nella struttura TPMS ci sono meno linee dirette di fuga, aumentando le probabilità di interazione utile con il combustibile.
La tecnologia è promettente, ma al momento ancora in fase esplorativa. Bisogna stabilire quali reattori trarrebbero più vantaggio dal nuovo combustibile. Micro–reattori compatti e sistemi raffreddati a gas potrebbero essere tra i primi candidati. Nel frattempo, l’approccio potrebbe trovare applicazione immediata in scambiatori di calore interni ai reattori, dove la geometria TPMS migliorerebbe conversione termica e resa energetica senza attendere l’adozione del combustibile.
