Poprzednie części cyklu o energetyce jądrowej:

• Energetyka jądrowa dziś: plusy i minusy
• Energetyka jądrowa: na ile wystarczy uranu
• Energetyka jądrowa, jaką byśmy chcieli widzieć

Aby reaktor mógł działać, musi mieć paliwo o szczególnych własnościach. Podczas rozpadu  atomu ciężkiego pierwiastka powstają dwa atomy ze środka układu okresowego oraz neutrony.  Pochodzący z rozpadu neutron może trafić w kolejny atom ciężkiego pierwiastka, rozszczepiając go. Jeśli w wyniku pojedynczego rozszczepienia pochodzące z niego neutrony powodują rozszczepienie dokładnie jednego kolejnego atomu, reaktor pracuje dostarczając stałej ilości energii (jest to tzw. stan krytyczności reaktora; jeśli ilość rozszczepień jest >1, reaktor jest nadkrytyczny i jego moc rośnie; jeśli zaś ilość rozszczepień jest <1, reaktor jest podkrytyczny i jego moc maleje). Taka reakcja zasadniczo rzecz biorąc jest możliwa jedynie dla dwóch izotopów uranu ²³³U i ²³⁵U, oraz dla izotopu plutonu ²³⁹Pu, dla których z każdej reakcji rozszczepienia emitowane są 2-3 neutrony. Spośród nich, jedynie ²³⁵U istnieje w przyrodzie w mierzalnych ilościach, oba pozostałe mają krótki czas życia i nie występują naturalnie na Ziemi. Jednak możemy je dość łatwo wytworzyć.

Rys.3.  Trzy paliwa dla reaktorów rozszczepialnych.
²³³U można wytwarzać z toru ²³²Th przez wychwyt neutronu
²³⁵U występuje naturalnie w rudach uranu (w ilości 0.7%, pozostałe 99.3% przypada na ²³⁸U)
²³⁹Pu można wytwarzać z uranu ²³⁸U przez wychwyt neutronu

Do utrzymania reakcji w stanie krytycznym potrzebny jest tylko jeden neutron z rozpadu, pozostałe można więc wykorzystać do transmutacji nierozszczepianych, żyjących miliardy lat, izotopów ²³⁸U oraz ²³²Th w rozszczepialne izotopy ²³⁹Pu i ²³³U. W ten sposób absorpcja neutronów w nieprzydatnym wcześniej do celów energetycznych materiale może produkować paliwo – jest to zasada działania reaktorów powielających pozwalająca na produkowanie większej ilości paliwa, niż jest zużywane w reaktorze.

Nawet w dzisiaj stosowanych reaktorach LWR, 1/3 wytwarzanej energii pochodzi z rozpadów izotopu ²³⁹Pu, powstającego w wyniku wychwytu neutronów przez wychodzący w skład prętów paliwowych ²³⁸U.

Obecnie wykorzystywany cykl paliwowy oparty na uranie ²³⁵U charakteryzuje wiele opisanych wcześniej problemów. Zastosowanie reaktorów powielających ²³⁸U pozwoliłoby na zwiększenie ilości dostępnego paliwa o dwa rzędy wielkości, jednak w tym cyklu wciąż powstają duże ilości długo aktywnych aktynowców (szczególnie plutonu), cykl paliwowy sprzyja produkcji materiałów rozszczepialnych do bomb atomowych, a wielu ekspertów nie zgodziłoby się ze stwierdzeniem, że bezpieczeństwo tych reaktorów jest choćby porównywalne z bezpieczeństwem obecnie stosowanych reaktorów LWR.

Przyjrzyjmy się teraz cyklowi paliwowemu opartemu o tor.

Tor ²³²Th można przetwarzać w uran ²³³U, który może służyć jako paliwo dla reaktora. Cykl oparty na torze i ciekłej formie paliwa ma wiele zalet. Przyjrzymy się tu reaktorom LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor), opartym o ciekłe sole fluorków – jest to jedna z realizacji reaktorów MSR (Molten Salt Reactor), wykorzystujących roztopione sole. Przedstawiając ich działanie chcemy pokazać, że można zrobić elektrownie jądrowe dużo lepsze, niż obecnie używane.

Klasyczne reaktory LWR wykorzystują paliwo w stanie stałym. Pastylki paliwowe, składające się ze wzbogaconego do 3% ²³⁵U umieszcza się w prętach paliwowych, które następnie trafiają do reaktora, gdzie większość tego izotopu „wypala się” przez rozpady promieniotwórcze, wyzwalając energię. Znajdujący się w paliwie znacznie bardziej obfity ²³⁸U zamienia się w ²³⁹Pu, który rozpadając się również wytwarza energię.

Zdj. Pastylka paliwowa paliwa uranowego do elektrowni LWR

W prętach paliwowych zachodzi nie tylko wypalanie ²³⁵U, lecz również szereg innych niekorzystnych zjawisk, powodujących pogarszanie się jakości paliwa. Pozostające w formie stałej paliwo jest poddawane niejednorodnym warunkom termicznym. W środku prętów paliwowych powstają gorące miejsca o temperaturze 2000°C, materiał napręża się, pojawiają się pęknięcia, a produkty rozszczepienia wydostają się do czynnika chłodzącego, wywołując jego skażenie. Do degradacji i zmiany własności materiału przyczyniają się też intensywny strumień neutronów, akumulacja pozostałości rozszczepienia oraz gazów szlachetnych (szczególnie ksenonu i kryptonu), które mają olbrzymi przekrój czynny na wychwyt neutronów i „gaszą” reakcję.

Problemów tych można uniknąć, stosując ciekłe sole fluorków. Ale najpierw przyjrzyjmy się konstrukcji reaktora

Marcin Popkiewicz

Czytaj odcinek [5/7]: LFTR, MSR - czyli jak zrobić reaktor IV generacji