Reaktor Brennstoff

Thorium er et grunnleggende element i naturen, i likhet med jern og uran. I likhet med uran tillater egenskapene det som skal brukes til å drive en kjernekjedereaksjon som kan drive et kraftverk og produsere elektrisitet (blant annet andre ting). Thorium i seg selv vil ikke spaltes og frigjøre energi. Snarere, når det utsettes for nøytroner, vil den gjennomgå en rekke kjernereaksjoner inntil den til slutt fremstår som en isotop av uran kalt U-233, som lett vil spaltes og frigjøre energi neste gang det absorberer et nøytron. Thorium kalles derfor fertilt , mens U-233 kalles fissilt .

Reaktorer som bruker thorium opererer på det som kalles thorium-uran (Th-U) brensel syklus. De aller fleste eksisterende eller foreslåtte kjernereaktorer bruker imidlertid anriket uran (U-235) eller gjenbrukt plutonium (Pu-239) som brensel (i uran-plutonium-syklusen), og bare en en håndfull har brukt thorium. Nåværende og eksotiske design kan teoretisk sett romme thorium.

Th-U-brenselsyklusen har noen spennende funksjoner sammenlignet med den tradisjonelle U-Pu-syklusen. Selvfølgelig har også ulemper. På denne siden lærer du noen detaljer om disse og avslutter med evne til produktivt å diskutere og debattere thorium med kunnskap om det grunnleggende.

Både Kina og India har betydelige reserver av nye kjernekraftverk. Thoriumholdige mineraler og ikke så mye uran. Så forvent at denne energikilden blir en stor sak. i den ikke altfor fjerne fremtid…

Hva er de viktigste fordelene med thorium?

• Thorium-sykluser tillater unikt langsomme nøytroner formeringsreaktorer (i motsetning til uransykluser, som bare kan formere seg med raske nøytroner ). Dette betyr at hvis drivstoffet er reprosessert , reaktorer kunne drives uten gruvedrift eventuell ekstra U-235 for reaktivitetsforsterkning, som betyr at kjernebrenselet ressursene på jorden kan utvides med minst to størrelsesordener uten noen av komplikasjonene med raske reaktorer.
• Th-U-brenselsyklusen bestråler ikke uran-238 og produserer derfor ikke Transurane (større enn uran) atomer som plutonium, americium, curium osv. Disse transuranene er et stort problem knyttet til langvarig lagring av atomavfall. Dermed vil Th-U-avfall være mindre giftig med en halveringstid på en 300+ års tidsskala.

Er det noen ytterligere fordeler med Thorium?

Thorium er mer rikelig i jordskorpen enn uran , med en konsentrasjon på 0,0006 %. mot 0,00018 % for uran (faktor på 3,3x). Dette blir ofte nevnt som en viktig fordel, men hvis du ser på ved de kjente reservene av økonomisk utvinnbart thorium kontra uran, vil du finne at de er begge nesten identiske. I tillegg finnes det en betydelig mengde uran oppløst i sjøvann, mens det er 86 000 ganger mindre thorium der. Hvis lukkede brenselsykluser eller avl noen gang blir vanlig, vil denne fordelen være irrelevant fordi både Th-U og U-Pu-brenselsykluser vil vare oss godt inn i titusenvis av år, som er omtrent like lenge som moderne historie.

Hva er ulempene med thorium?

• Vi har ikke like mye erfaring med Th . Atomindustrien er ganske konservativ, og det største problemet med Thorium er at vi mangler operativ erfaring med det. Når penger står på spill, er det vanskelig å få folk til å endre seg fra normen.
• Thoriumbrensel er litt vanskeligere å fremstille . Thoriumdioksid smelter ved 550 grader høyere temperatur enn tradisjonelt urandioksid, så det kreves svært høye temperaturer for å produsere fast brensel av høy kvalitet. I tillegg er Thorium ganske inert, noe som gjør det vanskelig å kjemisk bearbeide. Dette er irrelevant for væskedrevne reaktorer som er omtalt nedenfor.
• Bestrålt thorium er farligere radioaktivt på kort sikt . Th-U-syklusen produserer alltid noe U-232, som henfaller til Tl-208, som har en gammastråle kilde på 2,6 MeV. Bi-212 forårsaker også problemer. Disse gammastrålene er svært vanskelige å skjerme, og krever dyrere håndtering og/eller reprosessering av brukt brensel.
• Thorium fungerer ikke like bra som U-Pu i en rask reaktor . Mens U-233 utmerket drivstoff i det langsomme nøytronregimet, det er mellom U-235 og Pu-239 i raskt spektrum (se dette plottet som viser frigjorte nøytroner per absorbert nøytron i drivstoff ). Så doblingstiden for avl er langsommere for thorium-sykluser enn for uran-plutonium-sykluser i raske reaktorer. I tillegg er Thoriumsykluser ikke ideell i reaktorer som krever høy nøytronkraft økonomi (som for eksempel avl-og-brenn-konsepter).

Spredningsproblemer

Thorium er generelt akseptert som proliferasjonsresistent sammenlignet med U-Pu-sykluser. Problemet med plutonium er at det kan kjemisk separeres fra avfallet og kanskje brukes i bomber. Det er offentlig kjent at selv plutonium av reaktorkvalitet kan bli til en bombe hvis det gjøres forsiktig. Ved å unngå plutonium helt, er thorium-sykluser overlegne i denne forbindelse.

I tillegg til å unngå plutonium, har Thorium ekstra selvbeskyttelse mot de harde gammastrålene som sendes ut på grunn av U-232 som omtalt ovenfor. Dette gjør det mer utfordrende å stjele Thoriumbasert drivstoff. I tillegg kommer varmen fra gammastrålingen som gjør våpenfabrikasjon vanskelig, ettersom det er vanskelig å holde våpengropen fra å smelte på grunn av sin egen varme. Merk imidlertid at gammaene kommer fra nedbrytningskjeden til U-232, ikke fra selve U-232. Dette betyr at forurensningene kan separeres kjemisk og materialet ville være mye enklere å jobbe med. U-232 har en halveringstid på 70 år, så det tar lang tid før materialet er rent nok til å kunne brukes til atomvåpen uten prosessering.

Den ene hypotetiske sprednings problemet med Thoriumbrensel er imidlertid at Protactinium kan kjemisk separeres kort tid etter at det er produsert, og fjernet fra nøytronfluksen (banen til U-233 er Th-232 → Th-233 → Pa-233 → U-233). Deretter vil den nedbrytes direkte til ren U-233. Denne ruten for å få tak i våpenmateriale er svært vanskelig. Men Pa-233 har en halveringstid på 27 dager, så når materialet har blitt transmutert og separert, for deretter å bli blandet inn med den mindre rene drivstoffblandingen har man et sikkert drivstoff. Våpenmateriale ville være mye vanskeligere å produsere. Så bekymringer om at folk stjeler brukt brensel reduseres i stor grad av Thorium, men muligheten for at eieren av en Th-U-reaktor får tak i bombemateriale er absolutt tilstede.

Saltsmelte reaktorer

En spesielt god egenskap med thorium syklusen som passer godt for den langsomme nøytronformeringskapasiteten til Th-U-brenselsyklusen er saltsmeltesaltreaktoren (MSR). Flytende Fluorid-Thoriumreaktorer (LFTR) er den mest kjente typen MSR. I disse støpes ikke brenselet til pellets, men heller oppløst i et kar med flytende salt. Kjedereaksjonen varmer opp saltet, som naturlig konvekterer gjennom en varmeveksler for å bringe varmen ut til en turbin og lager elektrisitet. En ‘online’ kjemisk prosess fjerner nøytron-gifter fra fisjonsprodukter og tillater ‘online’ påfylling av drivstoff (eliminerer behovet for å stenge ned for brenselhåndtering osv.). Ingen av disse reaktorene er i drift i dag, men Oak Ridge hadde en testreaktor av denne typen på 1960-tallet kalt Molten Salt Reactor Experiment  (MSRE). MSRE beviste at konseptet kan brukes i praksis over lengre tid. Den konkurrerte med de flytende metallkjølte hurtigformeringsreaktorene (LMFBR-er -> Liquid Metal Fast Breeder Reactor) for føderal finansiering og tapte kampen om finansiering. Alvin Weinberg diskuterer historien til dette prosjektet i mange detaljer i selvbiografien hans, Den første atomkraften Era  , og det finnes mer informasjon tilgjengelig på  Internett. Disse reaktorene er ekstremt trygge, spredningsresistent, ressurseffektiv, miljømessig overlegen og kanskje til og med billig. Hvem skal starte utviklingen av disse? Det finnes allerede omtrent flere oppstartbedrifter som jobber med dem, og Kina utvikler dem også.