ArtykulyRozwiązania technologiczne

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

Podobne wpisy

Więcej w Artykuly