Patente para el reprocesamiento de combustible gastado procedente de reactores de neutrones rápidos
El secreto de la proliferación del combustible nuclear
Para comprender el secreto de la apreciación del combustible nuclear, primero debemos comprender el secreto de la fisión del combustible nuclear. En términos generales, basándose en la abundancia de combustible nuclear en la naturaleza, el costo de extracción y la dificultad de la fisión, elegimos el isótopo de uranio U-235 (el símbolo del elemento es U) como combustible del reactor nuclear. siguiente:
Reacción en cadena del uranio-235
Debido a que el número total de protones y neutrones en el núcleo de los elementos pesados es muy alto, el uranio es el elemento 92, que tiene 92 protones. Dependiendo del isótopo, la cantidad de neutrones varía. Un núcleo tan grande es inestable bajo la acción de la fuerza fuerte y la repulsión electromagnética y, por lo tanto, puede desintegrarse o fisionarse. Cuando un átomo de uranio es golpeado por un neutrón térmico, comienza el proceso de fisión:
Proceso de fisión del uranio-235
Primero, el átomo de U-235 se convierte en U después de adquirir un neutrón. -236, pero la base del U-236 es inestable y se dividirá en dos núcleos más pequeños, a saber, Kr-92 (Kr-92 elemento 36) y Ba-141 (Ba-Ba-141 (elemento 56)
El proceso de fisión nuclear de los átomos de U-235
La clave de la reacción en cadena
La clave de la reacción en cadena reside en este 3n redundante, que se dice que tres neutrones redundantes escaparán durante el proceso de fisión, pero el neutrón rápido U-235 no será absorbido, o la tasa de absorción es extremadamente pobre. Se escapa del reactor antes de ser capturado por el siguiente núcleo y no puede continuar con la fisión. , la fisión en cadena fallará y el reactor de fisión se detendrá. Por lo tanto, es necesario reducir la velocidad de los neutrones, porque el U-235 prefiere los neutrones de baja velocidad, por lo que el reactor de agua ligera y el reactor de agua pesada del reactor nuclear se nombran según las propiedades. del moderador:
Moderador del reactor de agua ligera: agua H2O
Moderador del reactor de agua pesada: agua pesada D2O
La mayoría de los reactores nucleares comerciales modernos son de estos dos tipos , otros Es solo que la estructura de seguridad es diferente
El secreto del reactor reproductor
La reacción en cadena depende del número de 3n neutrones adicionales, que también es la clave para aumentar. El valor del combustible nuclear porque el U-238 es rápido. El bombardeo de neutrones se puede convertir en plutonio-239. Cada fisión puede producir 2-3 neutrones para convertir el U-238 en plutonio-239, por lo que cada núcleo de uranio quemado en dicho reactor. Produce más de un plutonio, por lo que cada vez hay más combustible, por eso se llama así.
¿Qué pasa si el núcleo del uranio-238 absorbe un neutrón y se convierte en uranio-239? en neptunio-239 y luego se desintegra en plutonio? , ¿es posible quemar más núcleos diferentes? Los valores son los siguientes:
Uranio-235: 2,10
Plutonio-239: 2,45
Uranio -233: 2,31
El plutonio-239 tiene el valor más alto, por lo que la mayoría de los reactores rápidos en funcionamiento o en funcionamiento utilizan plutonio-239 como combustible nuclear en todas partes (la antigua Unión Soviética utilizaba la concentración relativamente alta de uranio-235). , en la periferia, está el U-238 (un isótopo de uranio no fisionable) que puede absorber neutrones y luego convertirlos en combustible nuclear. Nació un verdadero reactor reproductor que utiliza plutonio-239 como combustible. cada vez más, ¡que es un reactor perfecto!
La capacidad instalada de los reactores reproductores rápidos es muy pobre
Pero, de hecho, solo unos pocos están funcionando en todo el mundo. ¿Por qué la industria energética tradicional se resiste a esto?
¿Por qué no se construyen estos reactores reproductores rápidos en grandes cantidades?
En el artículo anterior, aprendimos que hay dos moderadores populares en los reactores nucleares modernos, uno es un reactor de agua ligera, el moderador es agua y el otro es un reactor de agua pesada, el moderador es pesado. agua. Pero los reactores reproductores rápidos requieren neutrones rápidos y no necesitan ralentizar los neutrones, por lo que no puede aparecer agua ni agua pesada alrededor del núcleo del reactor.
Sin embargo, el agua y el agua pesada no sólo son moderadores, sino también medios importantes para el intercambio de calor. Por ejemplo, los reactores de agua ligera incluyen reactores de agua a presión y reactores de agua en ebullición. El primero utiliza agua supercrítica primaria a alta presión para transferir alta temperatura al medio en el circuito secundario, que generalmente es agua. El reactor de agua en ebullición calienta directamente el agua hasta convertirla en vapor (que es radiactivo) y luego impulsa la turbina de vapor para generar electricidad. ¡El proceso de un reactor de agua pesada es el mismo que el de un reactor de agua a presión!
¿Qué utiliza un reactor reproductor rápido para transferir calor?
La transferencia de calor requiere un medio, por lo que no es exagerado decir que la historia de la civilización humana es una historia de agua hirviendo. Incluso si se hierve agua en futuros reactores de fusión nuclear, solo será una renovación. Sin embargo, es imposible hervir agua directamente en reactores reproductores de neutrones rápidos, por lo que se deben realizar cambios. Este medio tiene los siguientes requisitos:
Primero, este medio no puede ralentizar los neutrones.
En segundo lugar, la superficie de absorción de neutrones es pequeña.
Por último, el medio debe fluir con facilidad.
Pero para sorpresa de todos, los científicos eligieron el sodio metálico como medio de transferencia de calor, porque si se ignoran las deficiencias del sodio sólido y su fácil combustión y explosión, es el medio de transferencia de calor perfecto para reactores rápidos, por lo que La mayoría de los países que construyeron los primeros reactores rápidos eligieron el sodio como refrigerante. De hecho, la estructura de un reactor reproductor rápido es similar a la de un reactor de agua a presión. El agua o agua pesada en el circuito primario se reemplaza por sodio metálico. El sodio metálico es un líquido que fluye a altas temperaturas. La turbina exterior lo intercambia para hervir el agua y, después de enfriarlo, regresa al reactor para absorber calor.
Reactor Reproductor Rápido
El punto de ebullición del sodio metálico es de 883°C, por lo que la temperatura del reactor debe controlarse por debajo de esta temperatura. Pero los reactores refrigerados por sodio no tienen alta presión, por lo que el riesgo de presión no es grande. Sin embargo, el sodio es una sustancia que puede arder y explotar cuando entra en contacto con el aire o el agua. Una vez que se produce una fuga de sodio metálico a alta temperatura, el riesgo es grande, por lo que el mayor problema que enfrentan los reactores de neutrones rápidos fríos son los incendios causados por la fuga de sodio. ¡Esto parece ser un problema sin resolver!
Reactor de valor añadido de neutrones rápidos refrigerado por sodio
Famoso accidente del reactor rápido refrigerado por sodio
El conocido accidente del reactor rápido refrigerado por sodio es el Monju reactor en Japón. El 8 de febrero de 1995, la carcasa del termómetro (termopar) del sistema de enfriamiento secundario del reactor Manjus resultó dañada y 640 kilogramos de vapor de sodio salieron disparados de la tubería, lo que provocó un incendio. El reactor se cerró de emergencia y el responsable de la investigación se suicidó en un hotel de Tokio hace un mes.
Reactor reproductor Monju de Japón
Desde entonces, se han cometido errores importantes en el diseño de seguridad del reactor Monju y en las medidas tomadas en caso de fugas. Así que el tira y afloja sobre si reiniciar se prolongó durante casi 15 años. El 6 de mayo de 2010, sin embargo, el 26 de agosto del mismo año, el brazo mecánico de reemplazo de combustible del reactor falló, haciendo imposible su reemplazo. el combustible enriquecido (del que Japón separará el plutonio-239), provocando la caída del responsable.
Japón desguazó oficialmente el reactor Monju
2016 65438 + 21 de febrero, el gobierno japonés decidió iniciar la construcción en 1970 y ponerlo en funcionamiento en 1995. El costo total fue de 1 billón de yenes, pero Sólo funcionó normalmente durante 250 días. ¡La pila Manjusri está retirada!
¿Qué pasa con otros refrigerantes?
El plomo metálico como refrigerante también puede cubrir las necesidades. El plomo tiene una sección transversal de absorción de neutrones más pequeña que el sodio y tiene una mayor densidad de potencia, lo que permite su uso para construir centrales nucleares más grandes. Sin embargo, sus problemas son tan obvios como sus ventajas. Debido a que el punto de fusión del plomo es de 327 °C, es difícil derretirlo en la tubería. Una vez que se inicia, debe fluir continuamente. ¡El vapor de plomo es muy tóxico y los costes de construcción son demasiado elevados!
Diagrama estructural del reactor rápido soviético refrigerado por plomo
El reactor reproductor rápido refrigerado por gas es en realidad el tipo de reactor más antiguo en la historia de los reactores nucleares refrigerados por gas (se utiliza grafito). Como moderador, Cherno Bailey hizo un reactor de agua hirviendo de grafito con tubo de presión), pero tenía baja densidad de potencia y bajo consumo de combustible, y fue reemplazado por reactores de agua hirviendo y reactores de agua presurizada. Sin embargo, las desventajas del enfriamiento por aire son menos obvias que las del sodio y el plomo en los reactores reproductores rápidos.
Reactor reproductor rápido refrigerado por gas
El reactor reproductor rápido refrigerado por gas todavía está en investigación. Se trata de un reactor nuclear de cuarta generación que utiliza helio o dióxido de carbono como gas refrigerante. Se espera que su aparición pueda resolver el problema, aprovechar al máximo sus ventajas y utilizar el combustible gastado que es difícil de procesar en los tiempos modernos, de modo que incluso si la fusión nuclear aún no se ha realizado, la humanidad pueda persistir durante miles de años. años.
Además de los reactores reproductores rápidos, ¿hay otros reactores que arden cada vez más?
En términos generales, además de los reactores reproductores rápidos, los reactores de agua pesada también se pueden utilizar para producir combustible nuclear, pero su eficiencia y utilización no son tan altas como las de los reactores rápidos. El mejor ciclo del combustible nuclear moderno es obtener la acumulación original de plutonio-239 a través de un reactor de agua pesada y luego usar un reactor rápido para quemar el plutonio-239 para obtener una tasa de utilización de combustible nuclear del 70%, lo que aumentará el combustible nuclear humano. cientos de veces. Desafortunadamente, debido a diversas limitaciones, por el momento no se puede implementar perfectamente.
Núcleo del reactor
Al igual que la fisión, el método de multiplicación de neutrones también aparecerá en los reactores de fusión nuclear. Este método proviene del reactor de fusión de deuterio-tritio que los humanos están tratando de romper. , porque Estos son los dos materiales que cumplen más fácilmente las condiciones de fusión. El contenido de deuterio en el agua de mar es del 0,02%, mientras que el tritio básicamente no existe, pero puede producirse bombardeando litio-6 con neutrones. Por lo tanto, también proporciona una forma de bombardear litio-6 con neutrones excedentes y difíciles de procesar. en la fusión deuterio-tritio. Una forma de lograr una producción autosostenida de tritio.
Reacción de fusión deuterio-tritio
Debido a que la fusión deuterio-tritio no requiere neutrones, los neutrones son algo muy desagradable que no se puede procesar y solo contribuyen muy poco a la producción de combustible de fusión. tritio. Teóricamente, la fusión de un núcleo de tritio y un deuterio puede producir un neutrón, pero debido a que los neutrones no están bien controlados, esta eficiencia aún es cuestionable, pero recuperarla poco a poco es mucho mejor que destruir a la gente con el primer muro.
Para esta tecnología que los humanos modernos han dominado, la fusión nuclear todavía está relativamente lejos y la tecnología de reactores rápidos está limitada por varias tecnologías de seguridad, pero en general, los reactores rápidos todavía están relativamente cerca de nosotros. Después de todo, todos los países tienen experiencias fallidas y experiencias maduras, como los reactores rápidos de China. ¿Reactor rápido experimental de China? Se puso en producción en 2012 y actualmente funciona con normalidad. En el futuro, con la madurez de la tecnología de reactores rápidos refrigerados por gas de cuarta generación, habrá una revolución energética nuclear en la tecnología energética mundial. Esta es sin duda la mejor noticia antes de la realización de la fusión nuclear.