Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Fizica atomică și nucleară » Reactoare nucleare reproducătoare

Reactoare nucleare reproducătoare

Reactor rapid răcit cu sodiu (Schema unui reactor teoretic rapid, răcit cu sodiu, a 4-a generație.)

Un reactor reproducător este un reactor nuclear care generează mai mult material fisionabil decât consumă, deoarece economia lor neutronică este suficient de mare pentru a genera mai mult combustibil fisionabil decât utilizează materialele fertile, cum ar fi uraniul-238 sau toriu-232. În primul rând, reactoarele reproducătoare au fost considerate mai avantajoase deoarece economia lor de combustibil a fost mai bună decât la reactoarele de apă ușoară, dar interesul a scăzut după anii 1960, când s-au găsit mai multe rezerve de uraniu, iar noile metode de îmbogățire a uraniului au redus costurile cu combustibilul.

Eficiența combustibilului și tipurile de deșeuri nucleare

Reactoarele reproducătoare ar putea, în principiu, să extragă aproape toată energia conținută în uraniu sau toriu, reducând cerințele de combustibil cu un factor de 100 în comparație cu reactoarele de apă ușoară, care se utilizează pe scară largă, care extrag mai puțin de 1% din energia din uraniu extras din pământ. Eficiența ridicată a combustibilului din reactoarele reproducătoare ar putea reduce considerabil preocupările privind alimentarea cu combustibil sau energia utilizată în minerit. Aderenții lor susțin că prin extracția de uraniu cu apă de mare ar fi suficient combustibil pentru reactoarele reproducătoare pentru a satisface nevoile noastre de energie timp de 5 miliarde de ani la rata totală de consum a energiei din 1983, făcând astfel energia nucleară eficientă.

Deșeurile nucleare au devenit o preocupare mai mareprin anii 1990. În termeni generali, combustibilul nuclear uzat are două componente principale. Prima constă din produsele de fisiune, fragmentele rămase de atomi de combustibil după ce au fost dezintegrate pentru a elibera energia. Produsele de fisiune vin sunt de ordinul a zecilor de elemente și sutelor de izotopi, toate fiind mai ușoare decât uraniul. Cea de-a doua componentă principală a combustibilului uzat este elementele transuranice (atomi mai grei decât uraniul), care sunt generați din uraniu sau atomi mai grei din combustibil atunci când absorb neutroni, dar nu suferă fisiune. Toți izotopii transuranici se încadrează în seria actinide pe tabelul periodic, și astfel sunt deseori denumiți actinide.

Comportamentul fizic al produselor de fisiune este semnificativ diferit de cel al elementelor transuranice. În special, produsele de fisiune nu suferă ele însele fisiune și, prin urmare, nu pot fi utilizate pentru arme nucleare. În plus, numai șapte izotopi ai produsului de fisiune de viață lungă au un timp de înjumătățire mai mare de o sută de ani, ceea ce face ca depozitarea lor geologică sau eliminarea lor să fie mai puțin problematice decât pentru materialele transuranice.

Deși cu probleme legate de deșeurile nucleare, ciclurile de combustibil reproducătoare au devenit interesante din nou, deoarece pot reduce reziduurile de actinide, în special plutoniul și actinidele minore. Reactoarele reproducătoare sunt concepute pentru a fisiona deșeurile actinidice ca un combustibil și, astfel, pentru a le transforma în mai multe produse de fisiune.

După ce “combustibilul nuclear uzat” este îndepărtat dintr-un reactor de apă ușoară, el trece printr-un profil de dezintegrare complex, deoarece fiecare nucleu se descompune la o rată diferită. Există un decalaj mare în timpul de înjumătățire prin dezintegrare a produselor de fisiune în comparație cu izotopii transuranici. Dacă izotopii transuranicii sunt lăsați în combustibilul uzat, după 1000 până la 100.000 de ani, dezintegrarea lentă a acestor izotopii transuranici ar genera cea mai mare parte a radioactivității din combustibilul uzat. Astfel, îndepărtarea substanțelor transuranice din deșeuri elimină o mare parte din radioactivitatea pe termen lung a combustibilului nuclear uzat.

Reactoarele comerciale cu apă ușoară din ziua de astăzi produc un nou material fisionabil, mai ales sub formă de plutoniu. Deoarece reactoarele comerciale nu au fost niciodată concepute ca reproducătoare, ele nu convertesc suficient uraniu-238 în plutoniu pentru a înlocui uraniul-235 consumat. Cu toate acestea, cel puțin o treime din energia produsă de reactoarele nucleare comerciale provine de la fisiunea plutonului generată în combustibil. Chiar și cu acest nivel de consum de plutoniu, reactoarele de apă ușoară consumă doar o parte din plutoniu și actinidele minore pe care le produc, iar izotopii nonfisili ai plutoniului se acumulează împreună cu cantități semnificative de alte actinide minore.

Raportul de conversie, pragul de rentabilitatea, raportul de reproducere, timpul de dublare și arderea

Reactorulul Integral Rapid (Reactorul II experimental reproducător, care a servit drept prototip pentru Reactorulul Integral Rapid.)

O măsură a performanței unui reactor este “raportul de conversie” (numărul mediu de atomi noi fisili creați la fiecare eveniment de fisiune). Toate reactoarele nucleare propuse, cu excepția celor special concepute și operate pentru arderea actinidelor, au un anumit grad de conversie. Atâta timp cât există o cantitate de material fertil în fluxul de neutroni al reactorului, este întotdeauna creat un nou material fisil.

Raportul dintre noul material fisionabil din combustibilul uzat și materialul fisionabil consumat din combustibilul proaspăt este cunoscut ca “raportul de conversie” sau “raportul de reproducere” al unui reactor.

De exemplu, reactoarele cu apă ușoară utilizate în mod obișnuit au un raport de conversie de aproximativ 0,6. Reactoarele cu apă grea sub presiune (PHWR) care funcționează cu uraniu natural, au un raport de conversie de 0,8. Într-un reactor reproducător, raportul de conversie este mai mare decât 1. “Pragul de rentabilitate” este atins atunci când raportul de conversie devine 1: reactorul produce cât mai mult material fisionabil pe care îl folosește.

Timpul de dublare” este perioada de timp necesară pentru ca un reactor reproducător să producă suficient material fisionabil nou pentru a crea o sarcină de pornire pentru un alt reactor nuclear. Aceasta a fost considerată o măsură importantă a performanței reactoarelor reproducătoare în primii ani, când uraniul a fost considerat a fi rar. Cu toate acestea, deoarece uraniul este mai abundent decât se credea, și având în vedere cantitatea de plutoniu disponibilă în combustibilul uzat al reactorului, timpul de dublare a devenit o metrică mai puțin importantă în designul reactorului modern reproducător.

Arderea” este o măsură a cantității de energie extrasă dintr-o anumită masă de metale grele în combustibil, exprimată adesea (în cazul reactoarelor de putere) în termeni de gigawatt-zile pe tonă de metale grele. Arderea este un factor important în determinarea tipurilor și abundențelor izotopilor produse de un reactor de fisiune. Reactoarele reproducătoare, prin proiectare, au arderea extrem de ridicată în comparație cu un reactor convențional, deoarece reactoarele reproducătoare produc mult mai mult din deșeurile lor sub formă de produse de fisiune, în timp ce majoritatea sau toate actinidele sunt destinate a fi fisionate și distruse.

În ultimul timp, dezvoltarea reactorului reproducător s-a concentrat asupra reactoarelor cu raporturi reduse de reproduere, de la 1,01 pentru Reactorul Shippingport care funcționează pe combustibil cu toriu și răcit cu apă ușoară convențională, la peste 1,2 pentru reactorul sovietic BN-350 cu răcire lichid-metal. Modelele teoretice ale reactoarelor nuleare reproducătoare cu răcire cu sodiu lichid care curge prin tuburile din interiorul elementelor de combustibil (construcție “tub în teacă”) sugerează că proporțiile de reproducere de cel puțin 1,8 sunt posibile la scară industrială. Reactorul de testare BR-1 sovietic a atins un raport de reproducere de 2,5 în condiții necomerciale.

Tipuri de reactoare reproducătoare

Producția de actinide transuranice grele în reactoare de fisiune termonucleară
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Sasahara.svg

(Producția de actinide transuranice grele în reactoare de fisiune termonucleară cu neutroni prin captarea neutronilor și dezintegrări. Începând cu uraniul-238, sunt produși izotopii de plutoniu, americiu și curiu. Într-un reactor reproducător rapid, toți acești izotopi pot fi arși drept combustibil.)

Sunt posibile multe tipuri de reactoare reproducătoare:

Un reactor “reproducător” este pur și simplu un reactor proiectat pentru o economie de neutroni foarte înaltă, cu o rată de conversie asociată mai mare de 1,0. În principiu, aproape orice tip de reactor ar putea fi modificat pentru a deveni reproducător. Un exemplu al acestui proces este transformarea reactorului de apă ușoară în conceptul de reactor super rapid (Super Fast Reactor), folosind apa ușoară într-o formă supercritică cu densitate extrem de scăzută, pentru a crește economia neutronică suficient de mare pentru a permite reproducerea.

În afară de răcirea cu apă, există multe alte tipuri de reactoare reproducătoare concepute în prezent. Acestea includ modele răcite cu sare topită, răcite cu gaze și răcite cu metale lichide în numeroase variante. Aproape oricare dintre aceste tipuri de design de bază poate fi alimentat cu uraniu, plutoniu, multe actinide minore sau toriu, și poate fi proiectat pentru mai multe scopuri diferite, cum ar fi crearea de combustibil fisionabil, funcționarea pe termen lung la starea de echilibru sau arderea activă a deșeurilor nucleare.

Pentru comoditate, este posibil să fie mai ușor să divizăm tipurile existente ale reactorului în două categorii largi pe baza spectrului neutronilor lor, ceea ce are efectul natural de a împărți modelele reactorului în cele proiectate să utilizeze în principal uraniu și elemente transuranice, și cele proiectate să utilizeze toriu și să evite elementele transuranice.

  • Reactorul reproducător rapid sau FBR (Fast breeder reactor) utilizează neutroni rapizi (nemoderați) pentru a reproduce plutoniul fisionabil și, eventual, elementele transuranice de la uraniul-238 fertil. Spectrul rapid este suficient de flexibil pentru a putea, de asemenea, să reproducă uraniu-233 fisionabil din toriu, dacă se dorește.
  • Reactorul reproducător termic utilizează neutroni cu spectru termic (moderați) pentru a reproduce uraniul-233 fisil din toriu (ciclul combustibilului cu toriu). Datorită comportamentului diferiților combustibili nucleari, o reproducere termică este considerată comercial fezabil numai cu combustibil de toriu, ceea ce evită acumularea elementelor transuranice.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.