Thorium-brændselskredsløbet er en nuklear brændselscyklus, der bruger thorium - isotopen Th-232 som det fissile materiale . I reaktoren omdannes Th-232-isotopen til den fissile kunstige uran -isotop U-233 , som er nukleart brændsel , i en proces med nuklear transmutation . I modsætning til naturligt uran indeholder naturligt thorium kun spormængder af fissilt materiale (såsom Th-231), som er utilstrækkelige til at igangsætte en nuklear kædereaktion . For at initialisere brændstofkredsløbet under disse forhold kræves yderligere fissile materialer eller en yderligere kilde til neutroner. I en thoriumreaktor absorberer Th-232 neutroner og bliver til U-233. Denne proces ligner dem i uranforædlingsreaktorer , hvor uranisotopen U-238 absorberer neutroner for at danne den fissile isotop Pu-239. Afhængigt af reaktorens design og brændselskredsløbet er den resulterende U-233 enten fissilt in situ eller kemisk adskilt fra det brugte nukleare brændsel og brugt til at fremstille nyt brændsel.
Thoriumbrændselskredsløbet har flere potentielle fordele i forhold til uranbrændselskredsløbet , herunder større tilgængelighed af thorium, bedre fysiske og nukleare egenskaber, mindre produktion af plutonium og actinider , hvilket betyder bedre overensstemmelse med det nukleare ikke-spredningsregime, når det bruges i traditionelt letvand reaktorer [1] [2] (selvom dette ikke er tilfældet for reaktorer med smeltet salt). [3] [4]
Den oprindelige interesse for thoriumcyklussen var motiveret af bekymringer om verdens begrænsede uranressourcer. Det blev antaget, at thorium efter udtømningen af uranreserverne ville blive brugt som et additiv til uran som et fissilt materiale. Men da uranreserverne er relativt store i mange lande, er interessen for thoriumbrændselskredsløbet falmet. En bemærkelsesværdig undtagelse var Indiens tre-trins atomkraftprogram. [5] I det 21. århundrede har thoriums potentiale i form af ikke-spredning af atomvåben og reduktion af produktionen af atomaffald ført til en fornyet interesse for thoriums brændselskredsløb. [6] [7] [8]
I 1960'erne på Oak Ridge National Laboratory demonstrerede eksperimenter med smeltet saltreaktor, der brugte U-233-isotopen som brændstof, en del af thorium-brændselskredsløbet. Eksperimenter med smeltet saltreaktor (MSR) nødvendige for at evaluere thoriums egenskaber brugte thorium(IV)fluorid i form af en smelte, hvilket eliminerer behovet for at fremstille brændselsceller. JSR-programmet blev lukket i 1976 efter dets bagmand, Alvin Weinberg , blev fyret. [9]
I 2006 foreslog Carlo Rubbia konceptet med en energiforstærker (acceleratordrevet system, ADS), som han så som en ny og sikker måde at generere atomenergi ved hjælp af eksisterende acceleratorteknologier. Rubbias koncept giver mulighed for at undgå ophobning af højaktivt nukleart affald ved at generere energi fra naturligt thorium og forarmet uran . [10] [11]
Kirk Sorensen, en tidligere NASA-videnskabsmand og chefteknolog hos Flibe Energy, har længe været en fortaler for thorium-brændselskredsløbet og især den flydende fluorid-thorium-reaktor (LFTR). Mens han var på NASA, udforskede han først thoriumreaktorer som en mulighed for at drive månekolonier. I 2006 grundlagde Sorensen webstedet "energyfromthorium.com" for at fremme og formidle information om denne teknologi. [12]
I 2011 konkluderede Massachusetts Institute of Technology, at selvom der ikke er nogen større tekniske hindringer for anvendelsen af thorium-brændselskredsløbet, efterlader eksistensen af letvandsreaktorer ringe incitament til nogen væsentlig markedspenetrering af denne teknologi. Derfor er der ringe chance for, at thoriumkredsløbet vil erstatte konventionelt uran på atomenergimarkedet, på trods af dets potentielle fordele. [13]
"Thorium er som råt træ, det skal først omdannes til uran, ligesom råt træ skal tørres for at brænde"
— Ratan Kumar Sinha, tidligere formand for Indiens Atomenergikommission [14]I thoriumcyklussen dannes nukleart brændsel, når en neutron fanges af Th-232 isotopen (dette kan forekomme i både en hurtig neutronreaktor og en termisk neutronreaktor ), som producerer Th-233 isotopen. Den sidste isotop er ustabil. Typisk udsender det en elektron og en antineutrino ( ν ) i processen β−
-henfald og bliver til en isotop af protactinium Pa-233. Denne isotop gennemgår endnu et β-henfald og bliver til U-233, som kan bruges som brændstof:
Processen med nuklear fission producerer radioaktive fissionsprodukter, der kan have halveringstider fra et par dage til over 200.000 år. Ifølge nogle undersøgelser [15] kan thoriumkredsløbet fuldstændigt genbruge aktinidaffald, så der kun efterlades fissionsprodukter som affald, og om nogle få hundrede år vil affaldet fra en thoriumreaktor være mindre giftigt end uranmalm, som bruges i produktion af lavberiget uranbrændsel til letvandsreaktorer med samme effekt. Andre undersøgelser indikerer, at aktinid-kontamination kan dominere affaldet i thoriumkredsløbet i nogle fremtidige perioder. [16]
Når neutroner i en reaktor rammer spaltelige atomer (for eksempel nogle isotoper af uran), bryder de enten kernen eller absorberes af den, hvilket forårsager nukleare transformationer (transmutationer) af grundstofferne. I tilfælde af U-233 er det mere sandsynligt, at transmutation producerer brugbart nukleart brændsel end transuranaffald . Når U-233 absorberer en neutron, splittes den enten eller bliver til U-234. Sandsynligheden for fission ved absorption af en termisk neutron er omkring 92 %, dvs. forholdet mellem fangst og fissionssandsynlighed er omkring 1:12, hvilket er bedre end det tilsvarende tal for U-235 (1:6) eller for Pu- 239 og Pu-241 (for begge ca. 1:3). [17] [18] Resultatet er mindre affald af transuranium end en reaktor, der anvender et uran-plutonium brændselskredsløb.
U-234, ligesom de fleste lige nuklider , fissionerer ikke, men fanger en neutron og bliver til U-235. Hvis denne fissile isotop ikke spaltes ved indfangning af en neutron, bliver den til U-236, Np-237, Pu-238 og til sidst til fissile Pu-239 og tungere isotoper af plutonium . Np-237 kan fjernes fra brændstoffet og opbevares som affald eller omdannes til plutonium, som dels er fissilt, og dels omdannes til Pu-242, og derefter til americium og curium , som igen kan bortskaffes som affald eller returneres ind i reaktoren til transmutation og fission.
Pa-231 (med en halveringstid på 32.700 år), som dannes ud fra Th-232 ved reaktionen ( n ,2 n ) (via isotopen Th-231, som så bliver til Pa-231), er dog hovedfaktoren i den langsigtede radiotoksicitet af brugt nukleart brændsel.
Uran-232 dannes også i denne proces ved reaktionen (n,2n), når hurtige neutroner rammer U-233 langs kæden gennem Pa-233 og Th-232:
Uran-232 har en relativt kort halveringstid (68,9 år), og nogle af dets henfaldsprodukter, såsom Rn-224, Bi-212 og især Tl-208, udsender højenergiske gammastråler . Den komplette henfaldskæde og halveringstider for hver isotop er vist i følgende figur:
Thorium-cyklusbrændstoffer udsender hård gammastråling, der ødelægger elektronik og derved begrænser deres brug som atomvåben. U-232 kan ikke adskilles kemisk fra U-233 i brugt nukleart brændsel , men kemisk adskillelse af thorium fra uran fjerner henfaldsproduktet Th-228 og forhindrer dannelsen af andre thoriumcyklusisotoper. Forurening kan også undgås ved at bruge en smeltet saltforædler og adskille Pa-233, før det henfalder til U-233. Hård gammastråling skaber en strålingsfare, der kræver fjernmanipulation under oparbejdning.
Som atombrændsel ligner thorium U-238, som udgør det meste af det naturlige og forarmet uran. Det termiske neutronabsorptionstværsnit ( σ a ) og resonansintegralet (gennemsnitligt neutronabsorptionstværsnit for mellemenergineutroner) for Th-232 er cirka 3,3 gange højere end de tilsvarende værdier for U-238.
Ifølge eksisterende skøn er reserverne af thorium i jordskorpen cirka tre til fire gange højere end reserverne af uran, [19] selvom de nuværende oplysninger om reserverne af thorium er begrænsede. I øjeblikket opnås thorium som et biprodukt ved udvinding af sjældne jordarters grundstoffer fra monazitsand .
Selvom det termiske neutronfissionstværsnit (σ f ) af den resulterende U-233 isotop er sammenligneligt med det for U-235 og Pu-239, har det et meget lavere indfangningstværsnit (σ γ ), hvilket tillader færre neutronabsorptioner, der ikke er ledsaget ved fission. Endelig overstiger forholdet mellem antallet af udsendte neutroner og en absorberet neutron (η) 2 i en bred vifte af energier, herunder det termiske spektrum, og som et resultat kan thoriumbrændstof blive grundlaget for en termisk forædlingsreaktor . Opdrætteren af uran-plutonium-cyklussen skal bruge neutroner med højere energi, da multiplikationsfaktoren for termiske neutroner er mindre end 2.
Thoriumbrændstof har også gunstige fysiske og kemiske egenskaber, der forbedrer reaktor- og affaldsopbevaringsydelsen. Sammenlignet med det overvejende reaktorbrændsel har urandioxid (UO 2 ), thoriumdioxid (ThO 2 ) et højere smeltepunkt , højere termisk ledningsevne og en lav varmeudvidelseskoefficient . Thoriumdioxid udviser også større kemisk stabilitet og oxiderer i modsætning til urandioxid ikke yderligere .
På grund af det faktum, at U-233 produceret i thorium-cyklussen er betydeligt forurenet med U-232-isotopen, er det brugte nukleare brændsel i reaktorerne med det foreslåede design ikke særlig velegnet til fremstilling af uran i våbenkvalitet, hvilket bidrager til nuklear ikke-spredningsordning. U-233 kan ikke isoleres kemisk fra en blanding med U-232. Derudover har den adskillige henfaldsprodukter, der udsender højenergiske gammastråler . Disse højenergifotoner udgør en strålingsfare , hvilket tyder på fjernarbejde med separeret uran.
Den langsigtede (i størrelsesordenen 10 3 - 10 6 år) strålingsfare ved konventionelt brugt uranbrændsel forårsages hovedsageligt af plutonium og mindre actinider og sekundært af langlivede henfaldsprodukter. En neutronindfangning af isotopen U-238 er tilstrækkelig til at producere transuranelementer , mens Th-232 kræver indfangning af fem neutroner. 98-99% af kernerne i thoriumbrændselskredsløbet omdannes til U-233 eller U-235, de resterende langlivede transuraner produceres i små mængder. Derfor er thorium et potentielt attraktivt alternativ til uran i MOX-brændstof for at minimere produktionen af transuran-elementer og maksimere ødelæggelsen af plutonium. [tyve]
Der er flere vanskeligheder ved at bruge thorium som nukleart brændsel, især til fastbrændselsreaktorer:
I modsætning til uran indeholder naturligt thorium kun én isotop og har ingen fissile isotoper, så fissile materialer som U-233 eller U-235 skal tilføjes til det for en kædereaktion . Dette sammen med den høje sintringstemperatur af thoriumoxid komplicerer fremstillingen af brændstoffet. Eksperimenter blev udført på Oak Ridge National Laboratory i 1964-1969 med thoriumtetrafluorid som brændstof til en smeltet saltreaktor , hvor det som forventet ville være lettere at adskille urenheder, der bremser eller stopper kædereaktionen.
I en åben brændselscyklus (det vil sige ved brug af U-233 in situ) er en høj grad af forbrænding nødvendig for at opnå en gunstig neutronbalance. Selvom thoriumdioxid viser udbrændingshastigheder på 170.000 MWd/t og 150.000 MWd/t på henholdsvis Fort St. langt størstedelen af eksisterende reaktorer.
I den åbne thoriumbrændselscyklus går den resterende langlivede isotop U-233 til spilde.
Et andet problem med thorium brændstofkredsløbet er den relativt lange tid, det tager for Th-232 at blive til U-233. Halveringstiden for Pa-233 er omkring 27 dage, hvilket er en størrelsesorden længere end for Np-239. Som en konsekvens heraf omdannes eksisterende Pa-233 til thoriumbrændstof. Pa-233 er en god neutronabsorber, og selvom den til sidst afføder den fissile isotop U-235, kræver dette absorption af to neutroner, hvilket forværrer neutronbalancen og øger sandsynligheden for transuraner .
Desuden, hvis fast thorium anvendes i en lukket brændselscyklus, der vender tilbage til U-233-cyklussen, er fjernbetjening påkrævet i fremstillingen af brændstoffet på grund af de høje niveauer af stråling fra U-233-henfaldsprodukter. Dette gælder også for sekundært thorium på grund af tilstedeværelsen af Th-228, som er en del af U-232-henfaldskæden. Derudover er thoriumbehandlingsteknologier (f.eks. THOREX ) kun under udvikling.
Selvom tilstedeværelsen af U-232 komplicerer sagerne, er der offentliggjorte dokumenter, der viser, at U-233 blev brugt én gang i en atomvåbentest . USA testede en sammensat U-233-plutoniumbombe under Operation Teapot i 1955, dog med langt mindre effekt end forventet. [21]
Selvom thoriumbrændstof producerer langt færre langlivede transuranelementer end uran, har nogle langlivede aktinider langsigtede radiologiske effekter, især Pa-231.
Forsvarere af flydende nukleare og smeltede saltreaktorer , såsom LFTR, hævder, at disse teknologier opvejer manglerne ved thorium i fastbrændselsreaktorer. Da der kun blev bygget to flydende fluorreaktorer (ORNL ARE og MSRE), og ingen af dem brugte thorium, er det svært at bedømme de reelle fordele ved disse reaktorer.
Thoriumbrændstof er blevet brugt af flere forskellige typer reaktorer, herunder letvandsreaktorer , tungtvandsreaktorer , højtemperaturgasreaktorer, natriumkølede hurtige reaktorer og smeltede saltreaktorer . [22]
Informationskilde: IAEA TECDOC-1450 "Thorium Fuel Cycle - Potential Benefits and Challenges", Tabel 1: Thoriumudnyttelse i forskellige forsøgs- og kraftreaktorer. [17] Tabellen viser ikke Dresden 1 -reaktoren (USA), hvor der blev brugt "thoriumoxid-vinkelstænger". [23]
Navn | Land | Reaktor type | Strøm | Brændstof | Års arbejde |
---|---|---|---|---|---|
AVR | Tyskland |
HTGR, eksperimentel (stensbundsreaktor) | 15 MW(e) | Th+U-235 Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider | 1967-1988 |
THTR-300 | Tyskland | HTGR, power (sten type) | 300 MW(e) | Th+U-235, Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider | 1985-1989 |
Lingen | Tyskland | BWR bestrålingstest | Test brændstof (Th,Pu)O 2 pellets | 1968-1973 | |
Dragon ( OECD - Euratom ) | Storbritannien, Sverige, Norge, Schweiz |
HTGR, Eksperimentel (stift-i-blok design) | 20 MW | Th+U-235 Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider | 1966-1973 |
Ferskenbund | USA | HTGR, Eksperimentel (prismatisk blok) | 40 MW(e) | Th+U-235 Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider | 1966-1972 |
Fort St. Vrain | USA | HTGR, Power (prismatisk blok) | 330 MW(e) | Th+U-235 Driver brændstof, coatede brændstofpartikler, Dicarbide | 1976-1989 |
MSRE ORNL | USA | MSR | 7,5 MW | U-233 smeltede fluorider | 1964-1969 |
BORAX-IV & Elk River Station | USA | BWR (stiftsamlinger) | 24 MW(e) |
2,4 MW(e) Th+U-235 Driver brændstofoxid pellets | 1963-1968 |
udskibningshavn | USA | LWBR , PWR , (stiftsamlinger) | 100 MW(e) | Th+U-233 Driver brændstof, oxid pellets | 1977-1982 |
Indisk punkt 1 | USA | LWBR , PWR , (stiftsamlinger) | 285 MW(e) | Th+U-233 Driver brændstof, oxid pellets | 1962-1980 |
SUSPOP/KSTR KEMA | Holland | Vandig homogen suspension (stiftsamlinger) | 1 MW | Th+HEU, oxid pellets | 1974-1977 |
NRX & NRU | Canada | MTR (stiftsamlinger) | 20 MW; 200 MW | Th+U-235, Test Brændstof | 1947 (NRX) + 1957 (NRU); Bestrålingstest af få brændselselementer |
CIRUS; DHRUVA; & KAMINI | Indien | MTR termisk | 40 MW; 100 MW; 30 kW (lav effekt, forskning) | Al+U-233 Driver brændstof, 'J' stang af Th & ThO2, 'J' stang af ThO 2 | 1960-2010 (CIRUS); andre i drift |
KAPS 1 &2 ; KGS 1 & 2; RAPS 2, 3 og 4 | Indien | PHWR , (stiftsamlinger) | 220 MW(e) | ThO 2 pellets (til neutronflux-udfladning af indledende kerne efter opstart) | 1980 (RAPS 2)+; fortsætter i alle nye PHWR'er |
FBTR | Indien | LMFBR, (stiftsamlinger) | 40 MW (t) | ThO 2 tæppe | 1985; i brug |