Thorium brændstofkredsløb

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]

Historie

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]

Nukleare reaktioner af thorium

"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:

Affald af fissionsprodukter

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]

Spild af actinider

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 forurening

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.

Atombrændsel

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.

Fordele

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]

Ulemper

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.

Reaktorer

Thoriumbrændstof er blevet brugt af flere forskellige typer reaktorer, herunder letvandsreaktorer , tungtvandsreaktorer , højtemperaturgasreaktorer, natriumkølede hurtige reaktorer og smeltede saltreaktorer . [22]

Liste over thoriumreaktorer

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) 01500015 MW(e) Th+U-235 Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider 1967-1988
THTR-300 Tyskland HTGR, power (sten type) 300.000300 MW(e) Th+U-235, Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider 1985-1989
Lingen Tyskland BWR bestrålingstest 06000060 MW(e)
Test brændstof (Th,Pu)O 2 pellets 1968-1973
Dragon ( OECD - Euratom ) Storbritannien, Sverige, Norge, Schweiz
HTGR, Eksperimentel (stift-i-blok design) 02000020 MW Th+U-235 Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider 1966-1973
Ferskenbund USA HTGR, Eksperimentel (prismatisk blok) 04000040 MW(e) Th+U-235 Driverbrændstof, coatede brændstofpartikler, oxid og dicarbider 1966-1972
Fort St. Vrain USA HTGR, Power (prismatisk blok) 330.000330 MW(e) Th+U-235 Driver brændstof, coatede brændstofpartikler, Dicarbide 1976-1989
MSRE ORNL USA MSR 0075007,5 MW U-233 smeltede fluorider 1964-1969
BORAX-IV & Elk River Station USA BWR (stiftsamlinger) 0024002,4 MW(e)
24 MW(e)
Th+U-235 Driver brændstofoxid pellets 1963-1968
udskibningshavn USA LWBR , PWR , (stiftsamlinger) 100.000100 MW(e) Th+U-233 Driver brændstof, oxid pellets 1977-1982
Indisk punkt 1 USA LWBR , PWR , (stiftsamlinger) 285000285 MW(e) Th+U-233 Driver brændstof, oxid pellets 1962-1980
SUSPOP/KSTR KEMA Holland Vandig homogen suspension (stiftsamlinger) 0010001 MW Th+HEU, oxid pellets 1974-1977
NRX & NRU Canada MTR (stiftsamlinger) 02000020 MW; 200 MW Th+U-235, Test Brændstof 1947 (NRX) + 1957 (NRU); Bestrålingstest af få brændselselementer
CIRUS; DHRUVA; & KAMINI Indien MTR termisk 04000040 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) 220.000220 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) 04000040 MW (t) ThO 2 tæppe 1985; i brug

Noter

  1. Ralph Moir. Atomreaktorer til flydende brændsel . American Physical Society Forum om Fysik & Samfund (januar 2011). Hentet 31. maj 2012. Arkiveret fra originalen 20. september 2020.
  2. Ofte stillede spørgsmål om nukleare materialer
  3. Kang, J.; Von Hippel, FN U-232 og spredningsmodstanden af ​​U-233 i brugt brændsel  (engelsk)  // Science & Global Security : journal. - 2001. - Bd. 9 . — S. 1 . doi : 10.1080 / 08929880108426485 . Arkiveret kopi (ikke tilgængeligt link) . Hentet 2. marts 2015. Arkiveret fra originalen 3. december 2014. 
  4. "Superbrændstof" Thorium en spredningsrisiko? (5. december 2012). Hentet 6. april 2018. Arkiveret fra originalen 27. oktober 2014.
  5. Ganesan Venkataraman. Bhabha og hans storslåede besættelser , side 157  . Universities Press, 1994.
  6. IAEA-TECDOC-1349 Potentiale af thorium-baserede brændselscyklusser til at begrænse plutonium og reducere den langlivede affaldstoksicitet . Det Internationale Atomenergiagentur (2002). Hentet 24. marts 2009. Arkiveret fra originalen 28. april 2021.
  7. Evans, Brett . Videnskabsmand opfordrer til at skifte til thorium , ABC News  (14. april 2006). Arkiveret fra originalen den 28. marts 2010. Hentet 17. september 2011.
  8. Martin, Richard . Uran er så sidste århundrede - Indtast Thorium, den nye grønne atombombe , Wired  (21. december 2009). Arkiveret fra originalen den 26. juni 2010. Hentet 19. juni 2010.
  9. Miller, Daniel Nuklear samfund afviste reaktorsikkerhedsmeddelelse: ekspert . ABC News (marts 2011). Dato for adgang: 25. marts 2012. Arkiveret fra originalen 20. marts 2012.
  10. Dean, Tim New age nuclear (link ikke tilgængeligt) . Cosmos (april 2006). Hentet 19. juni 2010. Arkiveret fra originalen 5. januar 2010. 
  11. MacKay, David J.C. Bæredygtig energi - uden den varme luft  (neopr.) . - UIT Cambridge Ltd., 2009. - S. 166. Arkiveret4. juni 2016 påWayback Machine
  12. Flib Energi . Flib energi. Hentet 12. juni 2012. Arkiveret fra originalen 7. februar 2013.
  13. Fremtiden for det nukleare brændselskredsløb, MIT, 2011, s. 181 , < https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2011/04/MITEI-The-Future-of-the-Nuclear-Fuel-Cycle.pdf > . Hentet 6. april 2018. . 
  14. Dato fastsat for brændselsreaktor  (2. september 2013). Arkiveret fra originalen den 8. september 2013. Hentet 4. september 2013.
  15. Le Brun, C. Indvirkningen af ​​MSBR-konceptteknologien på langlivet radiotoksicitet og spredningsresistens (PDF). Technical Meeting on Fissile Material Management Strategies for Sustainable Nuclear Energy, Wien 2005. Hentet 20. juni 2010. Arkiveret fra originalen 22. maj 2012.
  16. Brissot R., Heuer D., Huffer E., Le Brun, C., Loiseaux, JM, Nifenecker H., Nuttin A. Atomenergi med (næsten) intet radioaktivt affald? (utilgængeligt link) . Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (LPSC) (juli 2001). — "ifølge computersimuleringer udført hos ISN dominerer denne Protactinium den resterende toksicitet af tab efter 10.000 år ". Arkiveret fra originalen den 25. maj 2011. 
  17. 1 2 IAEA-TECDOC-1450 Thorium Fuel Cycle-potentielle fordele og udfordringer (PDF). Det Internationale Atomenergiagentur (maj 2005). Hentet 23. marts 2009. Arkiveret fra originalen 4. august 2016.
  18. Interaktivt diagram over nuklider . Brookhaven National Laboratory . Dato for adgang: 2. marts 2015. Arkiveret fra originalen 21. juli 2011. Termiske neutrontværsnit i stalde (isotop, fangst: fission, f/f+c, f/c) 233U 45,26:531,3 92,15% 11,74; 235U 98,69:585,0 85,57% 5,928; 239Pu 270,7:747,9 73,42% 2,763; 241Pu 363,0:1012 73,60% 2,788.
  19. Brugen af ​​Thorium som atombrændsel (PDF). American Nuclear Society (november 2006). Dato for adgang: 24. marts 2009. Arkiveret fra originalen 8. september 2008.
  20. Thoriumtest begynder , World Nuclear News (21. juni 2013). Arkiveret fra originalen den 19. juli 2013. Hentet 21. juli 2013.
  21. Operation Teapot . Atomvåbenarkiv (15. oktober 1997). Hentet 9. december 2008.
  22. Udledninger af brugt atombrændsel fra amerikanske reaktorer (1993  ) . - Energy Information Administration , 1995. - S. 111. - ISBN 978-0-7881-2070-1 . Arkiveret 1. april 2019 på Wayback-maskinen De blev fremstillet af General Electric (samlingskode XDR07G ) og senere sendt til Savannah River Site til genbehandling.

Litteratur

Links