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