Energetyka jądrowa: tor jako paliwo [4/7]

Poprzednie części cyklu o energetyce jądrowej:

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.

Trzy paliwa

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)
239
Pu 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.

Równanie

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.

Pastylka paliwowa

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

Komentarze

16.01.2010 3:29 T.K.

> 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)

To oczywiste, że powstaje pluton bo stanowi on paliwo. Poza tym rdzeń tzw. powielacza może wytwarzać tyle samo paliwa co go zużywać. Oczywiście musi istnieć jakaś nadwyżka materiału rozszczepialnego do podmiany wypalonych prętów, ale nie ma mowy o jakimkolwiek kumulowaniu jak w przypadku produktów rozszczepienia.

> 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.

Nie wiem jaki jest dokładny skład izotopowy plutonu w paliwie reaktora prędkiego o wypaleniu 150 GWd/MTHM, ale z tego co kiedyś czytałem pamiętam, że jest daleki od pożądanego do produkcji broni jądrowej. Są oczywiście tacy co kategorycznie twierdzą, że każdy "reactor-grade plutonium" nadaje się na "doskonałe i niezawodne" bomby jądrowe, ale ja nie mam do nich za grosz zaufania. Więc jeśli ma Pan jakieś namiary na tą kompozycję to chętnie sobie poanalizuję.
Jeśli zaś chodzi o bezpieczeństwo to przydało by się sprecyzować o jakim reaktorze powielającym ci eksperci mówią: w układzie basenowym czy pętlowym, paliwem tlenkowym czy metalicznym, z osłoną z gazu obojętnego czy bez osłony, powielającego maksymalną ilość paliwa czy zrównoważonego. A jakby zastąpić sód ołowiem to co by "wielu ekspertów" powiedziało?

> 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.

Zgodzę się z tym, że wałeczki lub pastylki paliwowe składające się ze spiekanych tlenków uranu nagrzewają się miejscowo do 2000°C, ale to chyba nie powoduje pęknięcia samych prętów ze stopu Zircaloy. Nie mogę przytoczyć żadnych precyzyjnych danych, ale czytałem, że obecnie pękanie prętów zdarza się rzadko.

22.02.2011 13:19 EJTAM

Pu do bomb to głównie 239, który jak dłużej potrzyma się go w reaktorze to ulega wypaleniu i innym reakcjom, inne izotopy Pu są mniej przydatne lub całkowicie nieprzydatne;

w reaktorach powielających głównym celem jest produkcja Pu-239, który oprócz zastosowań militarnych jest jeszcze lepszym paliwem niż U;

mikropęknięcia z powodu naprężeń termicznych są obecne w ceramicznych pastylkach, z tego powodu pastylki są w koszulkach, zapobiega to uwolnieniu produktów gazowych do obiegu, jest to jedna z barier ochronnych;

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto