ziemia
Autor: Krzysztof Andrzejewski | dodano: 2012-07-09
Czy tor skieruje energetykę na nowe tory?

Pastylki paliwa torowego z reaktora w Bombaju.


Gdy słyszymy „energetyka jądrowa", myślimy o uranie. Głównym źródłem energii w reaktorach jądrowych przyszłości może się jednak okazać inny, przez ostatnie dwie dekady nieco zapomniany pierwiastek.

Prawdopodobnie już w październiku tego roku liczba ludzi na Ziemi przekroczy 7 mld, a przewiduje się, że w latach 2045-2050 liczba ta wzrośnie nawet do 9 mld. Równolegle zwiększa się zapotrzebowanie na energię - i w konsekwencji na surowce energetyczne. Statystycznie, obywatel świata zużywa rocznie energię równoważną ok. 10 baryłkom ropy naftowej, a przeciętny mieszkaniec USA potrzebuje ich aż 55. Wzrastający poziom życia w krajach rozwijających się dodatkowo zwiększy głód energii. Szacuje się, że w ciągu 30 lat zapotrzebowanie na nią może się na świecie podwoić. W tej sytuacji sięga się po mniej zasobne pokłady surowców energetycznych, usprawnia wydobycie i poszukuje nowych źródeł. Spore nadzieje pokłada się w zasobach odnawialnych, takich jak wiatr, słońce, źródła geotermalne, biomasa czy biopaliwa.

Renesans przeżywa także energetyka jądrowa, zwłaszcza w Chinach, Korei Południowej, Indiach i Rosji. Ostatnio proces ten został nieco przyhamowany wskutek wydarzeń w Fukushimie, ale nawet Japonia podtrzymuje swoje zainteresowanie energią jądrową, a specjaliści podkreślają wysoki poziom bezpieczeństwa reaktorów najnowszych generacji. Zasoby uranu nie należą jednak do największych. Wśród potencjalnych paliw energetyki jądrowej przyszłości wymienia się więc dotychczas stosunkowo mało eksploatowany tor. Jest to szczególnie obiecujący surowiec. Bezpośrednio nie jest paliwem jądrowym, ale można go w nie przekształcić. A co szczególnie ważne, jego zasoby w skorupie ziemskiej są czterokrotnie większe niż uranu.

Tor kontra uran
Naturalny uran składa się z dwóch izotopów: U-238 (99,3%) i U-235 (0,7%). Izotop U-235 jest rozszczepiany przez neutrony termiczne (czyli o niskich energiach, ok. 625 eV). W nowoczesnych reaktorach lekkowodnych, w których zwykła woda odbiera ciepło z paliwa i spowalnia neutrony z rozszczepienia do energii termicznych, zawartość procentowa U-235 w paliwie uranowym jest znacznie większa - zawiera się w granicach 2-5%. W trakcie pracy reaktora U-238 jest przetwarzany na pierwiastki transuranowe, z których pierwszy, pluton Pu-239, jest rozszczepialny i od razu po powstaniu staje się paliwem jądrowym, wyrównującym do pewnego stopnia ubytek U-235.

W przeciwieństwie do uranu, tor występuje w przyrodzie głównie w postaci jednego izotopu, Th-232. Izotop ten nie jest rozszczepiany przez neutrony termiczne i aby powstał z niego rozszczepialny uran U-233, należy go napromieniować w reaktorze. Przekrój czynny toru na pochłanianie neutronów w niższych energiach (innymi słowy, prawdopodobieństwo zajścia tego zjawiska) jest większy niż dla U-238. Dzięki temu przetwarzanie Th-232 na U-233 jest efektywniejsze niż przetwarzanie U-238 na Pu-239.

Otrzymany z toru uran U-233 jest znakomitym paliwem jądrowym: przy rozszczepieniu produkuje więcej neutronów niż U-235 czy Pu-239. Efekt ten pozwala budować reaktory powielające paliwo działające na neutronach termicznych. Co więcej, paliwo z U-233 ma lepsze własności fizyczne i chemiczne, a jego przechowywanie po wypaleniu jest łatwiejsze. W dobie ciągłych zagrożeń terrorystycznych ważny jest też fakt, że wytwarzany w reaktorze U-233 ma domieszkę U-232, którego łańcuch rozpadu zawiera wiele silnie promieniotwórczych izotopów, wykluczających odzyskiwanie U-233 na drodze chemicznej bez użycia dużych i drogich, zdalnie sterowanych instalacji chemicznych. W rezultacie materiał ten nie jest łatwym surowcem do produkcji bomb jądrowych metodami chałupniczymi.

W uranie U-238 już jedno pochłonięcie neutronu przez jądro prowadzi do powstania izotopów plutonu Pu-239 i otwiera drogę do powstania dalszych transuranowców, natomiast w paliwie torowym potrzeba do tego aż sześciu pochłonięć. Dzięki temu w paliwie torowym powstaje 1000 razy mniej długożyciowych transuranowych pierwiastków promieniotwórczych niż w paliwie uranowym (tzn. zużyte paliwo wymaga krótszych okresów składowania). Efekt ten wykorzystuje się w celach pokojowych: paliwo reaktorowe zawierające mieszaninę toru z plutonem z rozbrajanych bomb jądrowych ułatwia pozbycie się niechlubnego dziedzictwa zimnej wojny.

Technologia przerobu wypalonego paliwa torowego nie jest jeszcze dobrze opracowana. Sam Th-232 nie jest paliwem jądrowym, a jego wykorzystanie jest nieuchronnie związane z drogim i kłopotliwym przerobem chemicznym wypalonego paliwa. Problemem jest tu powstawanie metalicznego pierwiastka protaktynu

Pa-233 - to właśnie on przekształca się w izotop U-233. Niestety, proces przekształcenia zachodzi z opóźnieniem, wynikającym z 27-dniowego okresu zaniku

Pa-233. W rezultacie izotop Pa-233 może pochłaniać neutrony, co pogarsza ekonomię procesów zachodzących w paliwie jądrowym z torem.

Nie taki nowy
Pierwszym reaktorem, w którym zastosowano paliwo torowe, był uruchomiony w 1957 roku w Shippingport w stanie Ohio niewielki (60 MW) reaktor wodny ciśnieniowy (PWR). W 1977 roku przekształcono go w reaktor pokazowy, przeznaczony do sprawdzenia możliwości powielania paliwa w reaktorze termicznym z wykorzystaniem toru. Eksperyment trwał do 1982 roku i zakończył się sukcesem: reaktor przepracował 29 tys. godzin na pełnej mocy i wyprodukował 2,1 mld kilowatogodzin przy dyspozycyjności 76%.

Rdzeń reaktora w Shippingport składał się z ułożonych w pierścień sześciokątnych kaset z prętami zawierającymi uran U-233 i tor. Wewnątrz kaset znajdowały się pręty z torem wzbogaconym do 5-6% w U-233. Doświadczenia wykazały, że po zakończeniu pracy w rdzeniu znajdowało się 1,39% więcej materiału rozszczepialnego (uranu U-233) niż na początku, czyli nastąpiło powielenie. Problemem pozostał jednak jego odzysk ze spieku dwutlenku uranu UO2 i dwutlenku toru ThO2.

łopoty z odzyskiwaniem uranu U-233 z wypalonego paliwa spróbowano rozwiązać w Oak Ridge National Laboratory, w reaktorze z paliwem w stanie płynnym. Były nim stopione sole (fluorki) toru, uranu lub plutonu (stąd nazwa typu: MSR, czyli Molten Salt Reactor). Testowy reaktor o mocy 7,4 MW pracował w latach 1964-1969 i dowiódł, że można w sposób ciągły usuwać z paliwa szkodliwe produkty rozszczepienia (metodami chemicznymi; ksenon Xe-135 wydziela się w postaci bąbli gazu) oraz uzupełniać paliwo zużyte do podtrzymania reakcji rozszczepienia.

Płynne paliwo ułatwiało separowanie wytworzonego uranu U-233 i umożliwiało pracę obiegów chłodzących w wysokich temperaturach (ok. 650°C), a w konsekwencji stosowanie turbin
gazowych do produkcji energii elektrycznej z wysoką sprawnością termodynamiczną (rozważano nawet zastosowanie reaktorów tego typu jako źródeł ciepła dla procesów chemicznych). Ciekły stan paliwa zapewniał także wysoką stabilizację i bezpieczeństwo pracy reaktora. Wadą była konieczność operowania na dużych ilościach stopionego, gorącego medium, co wiązało się ze zwiększeniem ryzyka wypadków typowych dla fabryk chemicznych.

Na świecie
W latach 60., 70. i 80. na paliwie torowym pracowało kilka reaktorów. Jednym z ciekawszych był zbudowany w Juelich prototypowy reaktor AVR (Arbeitsgemeinschaft Versuchs Reaktor). Działał od 1967 do 1988 roku, jego moc termiczna wynosiła 46 MW, a elektryczna 15 MW. Paliwem były kule wielkości piłki tenisowej, wykonane z grafitu pyrolitycznego, który pełnił również funkcję moderatora. W kulach znajdywały się tysiące mikrokapsułek z materiałem rozszczepialnym w otoczce z węglika krzemu. Kule z paliwem były usypane w stożkowym zbiorniku. W trakcie wypalania wypalone kule usuwano od dołu, a świeże dosypywano od góry. Chłodziwo stanowił hel pracujący w temperaturze 950°C. Tak wysoka temperatura wiązała się z licznymi problemami technicznymi. W ich wyniku doszło do skażenia zbiornika reaktora izotopami cezu Cs-137 i strontu Sr-90, a potem do problemów z bezpiecznym składowaniem po wycofaniu z eksploatacji. Reaktor pracował jednak ponad 750 tygodni na mocy 15 MW, w tym 95% czasu na paliwie torowym. Ogółem zużyto w nim 1360 kg toru zmieszanego z wysoko wzbogaconym uranem.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 08/2011 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
09/2019
08/2019
Kalendarium
Wrzesień
15
W 1857 r. niemiecki astronom Karl Theodor Robert Luther odkrył planetoidę (47) Aglaja.
Warto przeczytać
Podobnie jak setki tysięcy turystów przyjeżdżasz w 1938 roku do Niemiec. Na parkingu we Frankfurcie podchodzi do ciebie Żydówka i prosi, byś zabrał stąd jej nastoletnią córkę, bo tu nie przeżyje. Co robisz?

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Krzysztof Andrzejewski | dodano: 2012-07-09
Czy tor skieruje energetykę na nowe tory?

Pastylki paliwa torowego z reaktora w Bombaju.


Gdy słyszymy „energetyka jądrowa", myślimy o uranie. Głównym źródłem energii w reaktorach jądrowych przyszłości może się jednak okazać inny, przez ostatnie dwie dekady nieco zapomniany pierwiastek.

Prawdopodobnie już w październiku tego roku liczba ludzi na Ziemi przekroczy 7 mld, a przewiduje się, że w latach 2045-2050 liczba ta wzrośnie nawet do 9 mld. Równolegle zwiększa się zapotrzebowanie na energię - i w konsekwencji na surowce energetyczne. Statystycznie, obywatel świata zużywa rocznie energię równoważną ok. 10 baryłkom ropy naftowej, a przeciętny mieszkaniec USA potrzebuje ich aż 55. Wzrastający poziom życia w krajach rozwijających się dodatkowo zwiększy głód energii. Szacuje się, że w ciągu 30 lat zapotrzebowanie na nią może się na świecie podwoić. W tej sytuacji sięga się po mniej zasobne pokłady surowców energetycznych, usprawnia wydobycie i poszukuje nowych źródeł. Spore nadzieje pokłada się w zasobach odnawialnych, takich jak wiatr, słońce, źródła geotermalne, biomasa czy biopaliwa.

Renesans przeżywa także energetyka jądrowa, zwłaszcza w Chinach, Korei Południowej, Indiach i Rosji. Ostatnio proces ten został nieco przyhamowany wskutek wydarzeń w Fukushimie, ale nawet Japonia podtrzymuje swoje zainteresowanie energią jądrową, a specjaliści podkreślają wysoki poziom bezpieczeństwa reaktorów najnowszych generacji. Zasoby uranu nie należą jednak do największych. Wśród potencjalnych paliw energetyki jądrowej przyszłości wymienia się więc dotychczas stosunkowo mało eksploatowany tor. Jest to szczególnie obiecujący surowiec. Bezpośrednio nie jest paliwem jądrowym, ale można go w nie przekształcić. A co szczególnie ważne, jego zasoby w skorupie ziemskiej są czterokrotnie większe niż uranu.

Tor kontra uran
Naturalny uran składa się z dwóch izotopów: U-238 (99,3%) i U-235 (0,7%). Izotop U-235 jest rozszczepiany przez neutrony termiczne (czyli o niskich energiach, ok. 625 eV). W nowoczesnych reaktorach lekkowodnych, w których zwykła woda odbiera ciepło z paliwa i spowalnia neutrony z rozszczepienia do energii termicznych, zawartość procentowa U-235 w paliwie uranowym jest znacznie większa - zawiera się w granicach 2-5%. W trakcie pracy reaktora U-238 jest przetwarzany na pierwiastki transuranowe, z których pierwszy, pluton Pu-239, jest rozszczepialny i od razu po powstaniu staje się paliwem jądrowym, wyrównującym do pewnego stopnia ubytek U-235.

W przeciwieństwie do uranu, tor występuje w przyrodzie głównie w postaci jednego izotopu, Th-232. Izotop ten nie jest rozszczepiany przez neutrony termiczne i aby powstał z niego rozszczepialny uran U-233, należy go napromieniować w reaktorze. Przekrój czynny toru na pochłanianie neutronów w niższych energiach (innymi słowy, prawdopodobieństwo zajścia tego zjawiska) jest większy niż dla U-238. Dzięki temu przetwarzanie Th-232 na U-233 jest efektywniejsze niż przetwarzanie U-238 na Pu-239.

Otrzymany z toru uran U-233 jest znakomitym paliwem jądrowym: przy rozszczepieniu produkuje więcej neutronów niż U-235 czy Pu-239. Efekt ten pozwala budować reaktory powielające paliwo działające na neutronach termicznych. Co więcej, paliwo z U-233 ma lepsze własności fizyczne i chemiczne, a jego przechowywanie po wypaleniu jest łatwiejsze. W dobie ciągłych zagrożeń terrorystycznych ważny jest też fakt, że wytwarzany w reaktorze U-233 ma domieszkę U-232, którego łańcuch rozpadu zawiera wiele silnie promieniotwórczych izotopów, wykluczających odzyskiwanie U-233 na drodze chemicznej bez użycia dużych i drogich, zdalnie sterowanych instalacji chemicznych. W rezultacie materiał ten nie jest łatwym surowcem do produkcji bomb jądrowych metodami chałupniczymi.

W uranie U-238 już jedno pochłonięcie neutronu przez jądro prowadzi do powstania izotopów plutonu Pu-239 i otwiera drogę do powstania dalszych transuranowców, natomiast w paliwie torowym potrzeba do tego aż sześciu pochłonięć. Dzięki temu w paliwie torowym powstaje 1000 razy mniej długożyciowych transuranowych pierwiastków promieniotwórczych niż w paliwie uranowym (tzn. zużyte paliwo wymaga krótszych okresów składowania). Efekt ten wykorzystuje się w celach pokojowych: paliwo reaktorowe zawierające mieszaninę toru z plutonem z rozbrajanych bomb jądrowych ułatwia pozbycie się niechlubnego dziedzictwa zimnej wojny.

Technologia przerobu wypalonego paliwa torowego nie jest jeszcze dobrze opracowana. Sam Th-232 nie jest paliwem jądrowym, a jego wykorzystanie jest nieuchronnie związane z drogim i kłopotliwym przerobem chemicznym wypalonego paliwa. Problemem jest tu powstawanie metalicznego pierwiastka protaktynu

Pa-233 - to właśnie on przekształca się w izotop U-233. Niestety, proces przekształcenia zachodzi z opóźnieniem, wynikającym z 27-dniowego okresu zaniku

Pa-233. W rezultacie izotop Pa-233 może pochłaniać neutrony, co pogarsza ekonomię procesów zachodzących w paliwie jądrowym z torem.

Nie taki nowy
Pierwszym reaktorem, w którym zastosowano paliwo torowe, był uruchomiony w 1957 roku w Shippingport w stanie Ohio niewielki (60 MW) reaktor wodny ciśnieniowy (PWR). W 1977 roku przekształcono go w reaktor pokazowy, przeznaczony do sprawdzenia możliwości powielania paliwa w reaktorze termicznym z wykorzystaniem toru. Eksperyment trwał do 1982 roku i zakończył się sukcesem: reaktor przepracował 29 tys. godzin na pełnej mocy i wyprodukował 2,1 mld kilowatogodzin przy dyspozycyjności 76%.

Rdzeń reaktora w Shippingport składał się z ułożonych w pierścień sześciokątnych kaset z prętami zawierającymi uran U-233 i tor. Wewnątrz kaset znajdowały się pręty z torem wzbogaconym do 5-6% w U-233. Doświadczenia wykazały, że po zakończeniu pracy w rdzeniu znajdowało się 1,39% więcej materiału rozszczepialnego (uranu U-233) niż na początku, czyli nastąpiło powielenie. Problemem pozostał jednak jego odzysk ze spieku dwutlenku uranu UO2 i dwutlenku toru ThO2.

łopoty z odzyskiwaniem uranu U-233 z wypalonego paliwa spróbowano rozwiązać w Oak Ridge National Laboratory, w reaktorze z paliwem w stanie płynnym. Były nim stopione sole (fluorki) toru, uranu lub plutonu (stąd nazwa typu: MSR, czyli Molten Salt Reactor). Testowy reaktor o mocy 7,4 MW pracował w latach 1964-1969 i dowiódł, że można w sposób ciągły usuwać z paliwa szkodliwe produkty rozszczepienia (metodami chemicznymi; ksenon Xe-135 wydziela się w postaci bąbli gazu) oraz uzupełniać paliwo zużyte do podtrzymania reakcji rozszczepienia.

Płynne paliwo ułatwiało separowanie wytworzonego uranu U-233 i umożliwiało pracę obiegów chłodzących w wysokich temperaturach (ok. 650°C), a w konsekwencji stosowanie turbin
gazowych do produkcji energii elektrycznej z wysoką sprawnością termodynamiczną (rozważano nawet zastosowanie reaktorów tego typu jako źródeł ciepła dla procesów chemicznych). Ciekły stan paliwa zapewniał także wysoką stabilizację i bezpieczeństwo pracy reaktora. Wadą była konieczność operowania na dużych ilościach stopionego, gorącego medium, co wiązało się ze zwiększeniem ryzyka wypadków typowych dla fabryk chemicznych.

Na świecie
W latach 60., 70. i 80. na paliwie torowym pracowało kilka reaktorów. Jednym z ciekawszych był zbudowany w Juelich prototypowy reaktor AVR (Arbeitsgemeinschaft Versuchs Reaktor). Działał od 1967 do 1988 roku, jego moc termiczna wynosiła 46 MW, a elektryczna 15 MW. Paliwem były kule wielkości piłki tenisowej, wykonane z grafitu pyrolitycznego, który pełnił również funkcję moderatora. W kulach znajdywały się tysiące mikrokapsułek z materiałem rozszczepialnym w otoczce z węglika krzemu. Kule z paliwem były usypane w stożkowym zbiorniku. W trakcie wypalania wypalone kule usuwano od dołu, a świeże dosypywano od góry. Chłodziwo stanowił hel pracujący w temperaturze 950°C. Tak wysoka temperatura wiązała się z licznymi problemami technicznymi. W ich wyniku doszło do skażenia zbiornika reaktora izotopami cezu Cs-137 i strontu Sr-90, a potem do problemów z bezpiecznym składowaniem po wycofaniu z eksploatacji. Reaktor pracował jednak ponad 750 tygodni na mocy 15 MW, w tym 95% czasu na paliwie torowym. Ogółem zużyto w nim 1360 kg toru zmieszanego z wysoko wzbogaconym uranem.