Szczególne aspekty produkcji paliwa do reaktorów na neutrony prędkie

Według różnych szacunków udział energii jądrowej wynosi co najmniej 10–16% wszystkich surowców energetycznych wytwarzanych na świecie. W niektórych krajach, takich jak Francja, energia jądrowa plasuje się wysoko — 71,6%. W Chinach udział energii jądrowej nie przekracza 4%. Wykorzystanie energii jądrowej jest przedmiotem dyskusji, ponieważ wiąże się z nim szereg rzeczywistych i możliwych problemów:

• konieczność składowania odpadów promieniotwórczych;
• awarie prowadzące do katastrof ekologicznych (elektrownie jądrowe w Czarnobylu i Fukushimie);
• elektrownie jądrowe mogą być obiektem ataków terrorystycznych i stanowią potencjalną broń masowego rażenia;
• możliwości wykorzystania paliwa elektrowni jądrowej do produkcji broni jądrowej.

Ale faktem jest, że pomimo wszelkich zagrożeń, energia jądrowa nie może być obecnie całkowicie zastąpiona innymi źródłami i będzie wykorzystywana przez ludzkość w najbliższej przyszłości. Dlatego na obecnym etapie zadanie polegające na ograniczeniu hipotetycznych i rzeczywistych zagrożeń związanych z eksploatacją elektrowni jądrowych pozostaje aktualne.

Typowy schemat produkcji energii jądrowej

Produkcja paliwa jądrowego zaczyna się od wydobycia uranu. W drugim etapie uran jest wzbogacany, w wyniku czego cięższe atomy uranu-238 są oddzielane od lżejszych atomów uranu-235. Jest to konieczne, ponieważ tylko jądra uranu-235 są podatne na rozszczepienie neutronów termicznych. Normalna praca reaktora energetycznego wymaga, aby frakcja izotopu uranu-235 wynosiła co najmniej 5% (przed wzbogaceniem frakcja uranu-235 wynosi około 0,7%). Wzbogacony uran przechodzi przemianę z gazu w ciało stałe, jest mieszany z plastyfikatorem i sprężany w celu utworzenia peletek. Pelety te są dodatkowo spiekane w wysokich temperaturach. Pelety ważą zaledwie kilka gramów, ale mają wysoki potencjał energetyczny odpowiadający 400 kg węgla, 250 kg ropy naftowej lub 360 m3 gazu.

Pelety umieszczane są w elementach wytwarzających ciepło (pręty paliwowe), które stanowią szczelne rurki wykonane ze stopu cyrkonu. Pręty paliwowe są montowane w poszczególnych kasetach. Jedna kaseta może zawierać kilkaset elementów paliwowych, a rdzeń reaktora jądrowego — kilkaset kaset.

Po umieszczeniu kaset w reaktorze rozpoczyna się kontrolowana reakcja jądrowa, podczas której następuje rozszczepienie jąder uranu z wydzielaniem dużej ilości ciepła. W celu podtrzymania reakcji jądrowej wykorzystuje się neutrony z termicznej części widma energetycznego; dlatego reaktory jądrowe, w których zachodzi ta reakcja, nazywane są reaktorami na neutrony termiczne.

Uzyskane ciepło jest przekazywane do wody przez płaszcze prętów paliwowych za pomocą kilku pętli. Pod ciśnieniem podgrzana woda zamienia się w parę, która wprawia turbinę parową w ruch obrotowy. Najpierw energia pary jest przetwarzana na pracę mechaniczną, a następnie praca mechaniczna jest przetwarzana na energię elektryczną za pomocą generatora prądu.

Eksploatacja reaktorów termoneutronowych powoduje powstawanie wypalonego paliwa jądrowego — kasety z częściowo spalonym składem paliwa. W tym składzie pozostała ilość uranu-235 jest bardzo mała, a frakcja uranu-238 wynosi co najmniej 90%. Paliwo jest usuwane z reaktora i kierowane do składowisk wypalonego paliwa jądrowego, gdzie jest składowane przez kilka lat, po czym jest usuwane z elektrowni jądrowej w celu utylizacji lub wymaga specjalnych warunków składowania odpadów. Zatem typowy schemat produkcji energii jądrowej prowadzi do powstawania problematycznych i niebezpiecznych dla środowiska odpadów. Dlatego naukowcy zaczęli zadawać sobie pytanie dotyczące zorganizowania obiegu zamkniętego, w którym wypalone paliwo jądrowe jest przetwarzane na nowe paliwo reaktorów jądrowych. Wymaga kontrolowanej reakcji rozszczepienia jądrowego uranu-238, który jest dominujący w składzie wypalonego paliwa. Okazało się, że zadanie to można rozwiązać za pomocą reaktorów na neutrony prędkie.

Reaktor na neutrony prędkie

Prędkość ruchu neutronów jest początkowo bardzo duża w rozszczepieniu jądrowym uranu. Takie neutrony nazywane są „szybkimi”. Ale przechodząc przez wodę, która jest nośnikiem ciepła, neutron znacznie zwalnia i staje się „wolny” (termiczny). Neutron termiczny powoduje rozszczepienie jądrowe tylko uranu-235, podczas gdy jądra uranu-238 pozostają nierozszczepione. Ale gdyby szybkie neutrony były powolne, jądra uranu-238 rozszczepiłyby się z uwolnioną energią i utworzyły pluton-239, który może być również wykorzystany jako paliwo do silników reakcyjnych. W tym celu konieczna jest wymiana wody na medium, które nie pochłania i nie spowalnia neutronów. Obecnie najczęściej wykorzystuje się do tego celu sód, co umożliwia realizację reaktora na neutrony prędkie.

W tego rodzaju urządzeniach szybkie neutrony oddziałują z uranem-238, po czym powstaje pluton-239. Pluton-239 może być następnie wykorzystany do produkcji paliwa do termicznych (wolno)reaktorów neutronowych. Reaktory na neutrony prędkie umożliwiają zamknięcie cyklu produkcji energii jądrowej: wypalone paliwo jądrowe jest przetwarzane i odsyłane z powrotem do reaktorów termicznych. Zakopanych wcześniej odpadów paliwa do silników reakcji jądrowych zawierających uran-238 jest bardzo dużo i według wstępnych szacunków tych odpadów wystarczy na kilkaset lat.

Omówimy szczególne aspekty produkcji i wykorzystania paliwa do reaktorów na neutrony prędkie.

Paliwo do reaktorów na neutrony prędkie

 Technologia wytwarzania mieszanego paliwa uranowo-plutonowego dla reaktorów prędkich neutronów obejmuje trzy etapy:

• przygotowanie proszku do formowania;
• formowanie tłoczne peletów;
• spiekanie peletów.

Jeśli peletki są wykonane na bazie kilku składników, na przykład dwutlenków uranu i plutonu, proszki muszą być sproszkowane i wymieszane. Na tym etapie w dużym stopniu zapewniona jest sprawność paliwa jądrowego w reaktorze, która zależy od jednorodności mieszanki, gęstości i wielkości ziaren, mikrostruktury itp.

W istniejących ciągach technologicznych do produkcji paliwa reaktorowego uranu i plutonu proszki wyjściowe mogą być najpierw mieszane, a następnie proszkowane lub mieszane i proszkowane jednocześnie. Do tego celu stosuje się młyny kulowe lub młotkowe. Ale takie młyny wykazują niską wydajność proszkowania i mieszania początkowych proszków; dlatego po spiekaniu peletów można zaobserwować wyraźny rozdział dwóch faz, co wskazuje na brak wymaganej jednorodności. Ponadto sam proces jest czasochłonny i trwa od kilku do kilkudziesięciu godzin. Sposób użycia młyn elektromagnetyczny cząstek ferromagnetycznych jest traktowany jako alternatywa.

Młyn elektromagnetyczny cząstek ferromagnetycznych w produkcji mieszanki paliwa uranowo-plutonowego

Urządzenia z warstwą wirową cząstek ferromagnetycznych wykorzystują zasadniczo inną metodę oddziaływania na substancje w porównaniu z młynami kulowymi i młotkowymi. Zasadę działania takiego urządzenia można zaobserwować na rysunku 1.

Rysunek 1 – Urządzenie z warstwą wirową cząstek ferromagnetycznych (AVS): 1 – tuleja ochronna; 2 – induktor wirującego pola elektromagnetycznego; 3 – obudowa wzbudnika; 4 – komora operacyjna wykonana z materiału niemagnetycznego; 5 – cząstki ferromagnetyczne

Początkowe proszki dwutlenku tytanu i plutonu wraz z cząstkami ferromagnetycznymi 5 umieszczane są w tytanowym pojemniku, który umieszcza się w komorze operacyjnej 4 urządzenia AVSP-100 wyprodukowanego przez GlobeCore. Po uruchomieniu urządzenia pojemnik wykonuje osiowy ruch posuwisto-zwrotny. Induktor 2 wytwarza wirujące pole elektromagnetyczne, które powoduje, że cząstki ferromagnetyczne zaczynają poruszać się po skomplikowanych trajektoriach i nieustannie zderzają się z cząstkami przetwarzanych proszków, ze ścianami komory roboczej oraz ze sobą po drodze, tworząc warstwę wirową. Tymczasem kilka czynników wpływa na przetwarzane proszki w komorze roboczej:

• wirujące pole elektromagnetyczne;
• bezpośrednie oddziaływania cząstek ferromagnetycznych;
• drgania akustyczne i ultradźwiękowe powstałe w wyniku zderzenia cząstek ferromagnetycznych;
• magnetostrykcja cząstek ferromagnetycznych itp.

Kompleksowe działanie powyższych czynników zapewnia szybkie zdyspergowanie i homogenizację proszków wyjściowych, dzięki czemu uzyskuje się wysokiej jakości proszek formierski do produkcji peletów.

Stwarzające zagrożenie dla personelu obsługi, wprowadzanie składników początkowych i cząstek ferromagnetycznych, a także chłodzenie i wyjmowanie komponentów odbywa się automatycznie.

Zalety młyn elektromagnetyczny

Młyn elektromagnetyczny produkowane przez GlobeCore mają następujące zalety, gdy są stosowane w procesach technologicznych produkcji paliwa do silników reakcyjnych:

• właściwie rozdrabniają i mieszają początkowe sproszkowane składniki, zapewniając ich równomierne rozprowadzenie w peletce;
• rozdrabniają i mieszają składniki, a także je aktywują; oczekiwanym rezultatem jest zwiększone spalanie paliwa;
• peletki otrzymane na bazie proszków przetworzonych w warstwie wirowej rozpuszczają się całkowicie w kwasie azotowym, który jest ważny dla regeneracji paliwa do silników reakcyjnych;
• w przeciwieństwie do młynów kulowych i młotkowych, komponenty są przetwarzane w ciągu kilku minut, a nie godzin lub dziesiątek godzin;
• urządzenia są niewielkich rozmiarów i łatwe do zintegrowania z istniejącymi ciągami technologicznymi produkcji paliwa do silników reakcyjnych;
• urządzenie może być stosowane w różnych schematach produkcji paliwa jądrowego do reaktorów neutronowych szybkich i wolnych przy uzyskiwaniu drobno zdyspergowanych proszków i jednorodnych mieszanin.