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

Poprzednie części cyklu o energetyce jądrowej:

Konstrukcja, zasady działania

Zaprojektujmy więc nasz reaktor. Konstrukcja będzie naprawdę prosta. Wystarczą "Garnek, rury, i pompa…". Schemat działania reaktora będzie wyglądać, tak, jak na poniższym rysunku.

rys-1

Rys. 4. Schemat działania reaktora LFTR.

Na zewnątrz rdzenia, w płaszczu, mamy fluorek 232Th, rozpuszczony w ciekłych fluorkach metali alkalicznych, który wychwytuje neutrony i zamienia się w 233U - nasze paliwo (dając jednocześnie skuteczną osłonę przed promieniowaniem).

rys-2

Materiał z płaszcza kierujemy do separacji chemicznej. Separacja uranu 233U jest bardzo prosta: wykonujemy fluorowanie roztworu, podczas którego zachodzi reakcja UF4 (w roztworze) + F2 → UF6 (gazowy). Następnie odseparowany 233U kierujemy do reaktora, gdzie posłuży za paliwo. Separujemy też intensywnie pochłaniający neutrony i mogący wygaszać reakcję proaktyn 233Pa, który składujemy "na boku" poza reaktorem i czekamy, aż zamieni się w 233U.

W rdzeniu mamy fluorek 233U, również rozpuszczony w ciekłych fluorkach metali alkalicznych. Materiał ten również poddajemy odgazowaniu (pozbywając się m.in. pochłaniającego neutrony ksenonu) oraz separacji chemicznej, podczas której wychwytywane są produkty rozszczepienia.

Całość procesu przeróbki paliwa można przeprowadzić na miejscu z użyciem bardzo prostych i tanich instalacji chemicznych. Żadnego wzbogacania, wirówek i zaawansowanej fizyki jądrowej. Sama chemia.

Wytwarzane ciepło jest odprowadzane i napędza turbinę, która wytwarza prąd.

Schemat cyklu paliwowego jest pokazany poniżej.

rys-3

Rys. 5. Schemat cyklu powielania 232Th do 233U

Jądro uranu 233U ulega rozszczepieniu po trafieniu neutronem, co wyzwala energię i 2-3 neutrony. Do podtrzymania reakcji wystarcza jeden neutron, pozostałe neutrony służą do wytwarzania 233U ze znajdującego się w płaszczu 232Th. Powstaje krótko żyjący 233Th, a po nim 233Pa, który usuwamy z płaszcza, a po zamianie w będący naszym paliwem 233U, wpuszczamy go do rdzenia.

Wysokie bezpieczeństwo pracy

LFTR to rozwiązanie bardzo bezpieczne, zawdzięczające swoją stabilność głównie wykorzystaniu ciekłych soli fluorków, które mają wiele korzystny cech, powodujących, że bezpieczeństwo reaktora jest wpisane w jego konstrukcję:
• Silnie ujemny współczynnik reaktywności - wzrost temperatury powoduje rozszerzenie się soli, spadek jej gęstości i w rezultacie przejście reaktora w stan podkrytyczny o mniejszej mocy. Reaktor samoczynnie będzie dostosowywał swoją pracę do odbieranej z niego mocy.
• LFTR to rozwiązanie niskociśnieniowe - nie ma pary wodnej pod wysokim ciśnieniem, żadna z substancji nie zmienia stanu skupienia, ani nie wchodzi w gwałtowne reakcje (jak ciekły sód)
• Silnie ujemny fluor i silnie dodatnie metale alkaliczne tworzą wyjątkowo stabilne sole, także w wysokich temperaturach, odporne na uszkodzenia radiacyjne.
• Dzięki samostabilności reaktora LFTR fizycznie niemożliwe są reakcje takiego typu, które doprowadziły do katastrofy w Czarnobylu, podczas której nastąpiły egzotermiczne reakcje cyrkonu z parą wodną, zapalenie się grafitu i ciśnieniowy wybuch wyrzucający materiał promieniotwórczy do atmosfery.
• W przypadku nadmiaru mocy czynnik roboczy spływa do zbiornika pod reaktorem, gdzie nie ma warunków dla zachodzenia reakcji. Zapewnia to aktywnie chłodzony „korek” z soli, zatykający odpływ soli z reaktora do dolnego zbiornika (Rys. 6). W przypadku dużego wzrostu temperatury korek się topi, sól spływa z reaktora i reakcja zatrzymuje się. Również w sytuacji spadku mocy i zaprzestania produkcji prądu następuje roztopienie się aktywnie chłodzonego korka (zaprzestanie produkcji energii powoduje wyłączenie się chłodzenia). Dzięki temu reaktor LFTR jest więc pasywnie odporny na wypadki typu Three Mile Island, spowodowane przez utratę czynnika chłodzącego.
• Forma ciekła eliminuje problem "gorących punktów" i niejednorodności wypalania i zachowania się paliwa.
• Sole fluorków nie powodują korozji i utleniania elementów reaktora
• Ciekłe sole są łatwe do pompowania, chłodzenia i przetwarzania
• Chemiczne przetwarzanie w formie ciekłej jest bardzo łatwe, w szczególności wygodne jest oczyszczanie cieczy ze szkodliwych substancji, takich jak pochłaniające neutrony 135Xe czy 233Pa; poprawia to możliwość powielania materiału rozszczepialnego.

rys-4

Rys. Praktyczna implementacja LFTR wykonana w Oak Ridge National Laboratory, w dolnej części reaktora widoczny jest aktywnie chłodzony korek/zawór, przez który można spuścić czynnik roboczy do zbiornika pod reaktorem, gdzie nie ma warunków dla zachodzenia reakcji.

LFTR to konstrukcja samostabilizująca się z efektywnymi ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi. Prowadzący eksperymenty na reaktorze naukowcy, wychodząc w piątek z pracy, spuszczali paliwo z rdzenia do dolnego zbiornika, wyłączając w ten sposób reaktor. Wracając w poniedziałek do pracy, przepompowywali je z powrotem do reaktora, i reakcja ruszała.

Ze względu na niskie ciśnienie pracy i prostą konstrukcję, instalacja LFTR nie potrzebuje wiele miejsca (może być wręcz mobilna), konstrukcja może być wytwarzana masowo, a nie tak, jak obecne elektrownie LWR, których budowa jest skomplikowanym, długotrwałym, unikalnym i kosztownym procesem. Elektrownia LFTR jest też praktycznie bezobsługowa, a jej demontaż i utylizacja w porównaniu z elektrowniami klasycznymi są proste, tanie i czyste środowiskowo, głównie ze względu na małe rozmiary instalacji i niską ilość odpadów radioaktywnych (szczególnie tych długożyjących). Wytwarzana moc elektryczna reaktora LFTR, w zależności od potrzeb może wahać się w granicach od 100 kW do 1 GW, czyniąc go bardzo elastycznym rozwiązaniem.

Obfitość paliwa

Koncentracja toru 232Th w skorupie ziemskiej w 1m3 skały wynosi średnio 12 gramów. 232Th jest w skorupie ziemskiej ponad 3-4 razy więcej niż wszystkich izotopów uranu łącznie (z czego jedynie 0,7% przypada na służący obecnie jako paliwo 235U). Światowe rezerwy toru są szacowane na 1 400 000 ton, z czego znacząca część w stabilnych gospodarkach rynkowych, m.in. w Australii (340 tys. ton), USA (300 tys. ton), Norwegii (180 tys. ton) i Kanadzie (100 tys. ton). Nie ma ryzyka konfliktu o skąpe zasoby. Nawet pojedyncza kopalnia w Idaho jest w stanie dostarczać 4500 ton toru rocznie, co pozwoliłoby na produkcję ponad dwukrotnie większej ilości energii elektrycznej, niż świat obecnie zużywa. A właściwie to nawet nie trzeba tego robić - w hałdach po spalonym węglu z elektrowni węglowych znajduje się ilość toru wystarczająca na zaspokojenie obecnych potrzeb energetycznych przez stulecia. Przeciętna elektrownia węglowa o mocy 1000 MW co roku wyrzuca na hałdy 13 ton toru. W samych Stanach Zjednoczonych szacuje się ilość toru na hałdach węglowych na 300 000 ton.

rys-5

Wysoka efektywność cyklu paliwowego

Klasyczna elektrownia LWR z 1 tony naturalnego uranu wyprodukuje 35 GWh energii. Zasilany torem reaktor oparty na ciekłych fluorkach z 1 tony naturalnego toru wyprodukuje 11 000 GWh energii.

rys-6

Rys. 6. Porównanie cyklu paliwowego "klasycznej" elektrowni jądrowej o elektrowni opartej o LFTR.

Dla zapewnienia energii dla Europejczyka na całe życie wystarczyłoby niecałe 50 gramów toru.

Mała ilość odpadów, krótki czas życia odpadów

Klasyczna elektrownia LWR z 250 ton naturalnego uranu wytworzy 35 ton długo żyjących odpadów i ponad 200 ton odpadów o niższej aktywności. Elektrownia działająca w cyklu torowym opartym o LFTR wyprodukuje sto kilkadziesiąt kilogramów odpadów, które wystarczy odizolować pod ziemią na 300 lat, a nie dziesiątki tysięcy lat.

rys-7

Rys. 7. Porównanie obecnego uranowego cyklu paliwowego elektrowni LWR z elektrownią zasilaną torem LFTR. Powstająca w elektrowni LFTR ilość odpadów jest niewielka i krótko żyjąca.

Reaktor LFTR nie wytwarza odpadów, w których znajdują się długo żyjące aktynowce. Po 10 latach 83 % produktów rozszczepienia zmienia się w izotopy stabilne, które można poddać separacji i sprzedać. Znaczna ich część to cenne surowce (np. molibden, rod, ruten, stront, cez, technet, …). Pozostałe 17% również szybko zmienia się w izotopy stabilne i po 300 latach ich aktywność spada do poziomu naturalnej rudy uranowej (zielona linia na Rys. 1.).

Możliwość neutralizacji istniejących odpadów o długim czasie życia

Reaktory LFTR mogą ponadto posłużyć do pozbycia się już istniejących wyprodukowanych przez klasyczne elektrownie aktynowców - odpadów o długim czasie życia. Dołączenie ich domieszki do reaktora może pozwolić na poddanie ich rozszczepieniu na krótko żyjące izotopy ze środka układu okresowego, które przestaną być radioaktywne w przeciągu 300 lat (zielona linia na Rys. 1.). W samych Stanach Zjednoczonych zgromadziło się już ponad 50 000 ton wysoko aktywnych odpadów (głównie wypalonego paliwa z reaktorów).

rys-8

Rys. Dane dla USA: Przewidywane nagromadzenie odpadów z elektrowni atomowych bez przetwarzania. Składowisko Yucca Mountain nie będzie w stanie ich pomieścić, szczególnie, jeśli miała by wzrosnąć ilość "konwencjonalnych" elektrowni jądrowych LWR.

To bardzo ważne - reaktory LFTR mogą rozwiązać problem odpadów stworzony przez reaktory LWR.

Wysoka odporność na ryzyko rozprzestrzeniania broni jądrowej

Będący paliwem 233U w nieunikniony sposób będzie zanieczyszczony 232U, który rozpada się dość szybko (okres połowicznego rozpadu 78 lat) i którego łańcuch rozpadu zawiera tal 208Tl, będący silnym emiterem twardego promieniowania gamma, niszczącego elektronikę i materiały wybuchowe mające wywołać detonację bomby. Wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, pochodzące z rozpadu 208Tl czyni materiał promieniotwórczy łatwym do wykrycia.

Ponadto wysoka radioaktywność takiego materiału jest zabójcza dla ludzi. Aktywność kuli uranu 233U zanieczyszczonego 0.01% 232U jest tysiąc razy wyższa od aktywności plutonu o jakości pozwalającej na użycie go w broni jądrowej. Po 30 minutach pracy z 5 kg kulą takiego uranu osoba pozostająca w 50 cm odległości od niej otrzymałaby dawkę promieniowania jonizującego 5 rem (50 mSv), przyjmowaną za dawkę graniczną.
Z tych powodów nikt nigdy nie próbował wytwarzać broni atomowej opartej o 233U, pomimo względnej łatwości wytwarzania tego izotopu z 232Th.

Inne korzyści

Wysoka temperatura pracy przekłada się nie tylko na wysoką wydajność wytwarzających prąd turbin, ale także na możliwość wykorzystania ciepła reaktora do innych celów, takich jak wytwarzanie wodoru, który może służyć jako paliwo (co dodatkowo zwiększa efektywność pracy reaktora), czy odsalanie wody.

Podsumowanie zalet reaktora LFTR w jednym obrazku

rys-9

Porównanie elektrowni LWR i LFTR

rys-10

Marcin Popkiewicz

Czytaj odcinek [6/7]: Reaktory LFTR, MSR – problemy

Komentarze

13.01.2010 19:03 Sceptyk

Skoro to takie dobre, dlaczego nie buduje się takich elektrowni na masową skalę?

13.01.2010 19:29 Dragon

Cierpliwości, będzie o tym w kolejnych częściach...

02.07.2012 1:03 Pro LFTR

Nie buduje się takich elektrowni na masową skalę, bo nigdy nie został zbudowany prototyp. Nie został zbudowany, bo jedyne państwo na poważnie badające nowe technologie jądrowe dla celów cywilnych w latach 60' zdecydowało się pójść w innym kierunku, a niedługo potem wszelkie nowe projekty zamrożono [dopracowując jedynie wtedy używane, które jak wiemy są relatywnie kiepskie] i tak jest do teraz. Żeby tej politycznej niechęci było mało to przemysł atomowy też nie jest zainteresowany, bo 1) To dla nich coś zupełnie nowego, więc nie mają żadnych przewag w zajmowaniu się tym 2) Przejście na LFTR dałoby takie korzyści, że cały ich dotychczasowy biznes nie miałby racji bytu 3) Kto raz stworzy LFTR nie mógłby go zablokować patentami, więc nie uzyskałby żadnych przewag i barier. Wydałby kasę i nie miał gwarancji zwrotu.

07.04.2013 14:37 hosimin

To bardzo ciekawe. Nie wiedziałem, że tor jest taki cacy. Panie Kolego wyjdź Pan szerzej ze swymi ideami do publiczności. Pozdrawiam i życzę sukcesów!
hosimin

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto