Плодородный материал

Поток трансмутации между ²³⁸У и ²⁴⁵См в LWR . ^[1] Скорость трансмутации сильно варьируется в зависимости от нуклида, и процентные значения указаны относительно общего количества трансмутации и распада. После удаления топлива из реактора распад будет преобладать для короткоживущих изотопов, таких как ²³⁸Мог, ²⁴¹Мог, ^242–244См; но ^245–248См все долгоживущие.

Воспроизводящий материал — это материал, который сам по себе не является делящимся , но может быть преобразован в делящийся материал путем поглощения нейтронов .

Природные плодородные материалы

К природным воспроизводящим материалам, которые можно превратить в делящийся материал путем облучения в реакторе, относятся:

торий-232, который превращается в уран-233
уран-234, который превращается в уран-235
уран-238 , который превращается в плутоний-239

Искусственные изотопы, образующиеся в реакторе, которые можно превратить в делящийся материал одним захватом нейтрона, включают:

плутоний-238, который превращается в плутоний-239
плутоний-240, который превращается в плутоний-241

Некоторым другим актинидам требуется более одного захвата нейтрона, прежде чем образуется изотоп, который является делящимся и достаточно долгоживущим, чтобы, вероятно, иметь возможность захватить другой нейтрон и деление вместо распада.

плутоний-242 в америций -243 в кюрий -244 в кюрий -245
уран-236 в нептуний -237 в плутоний-238 в плутоний-239
америций -241 в кюрий -242 в кюрий -243 (или, что более вероятно, кюрий-242 распадается на плутоний-238, которому также требуется один дополнительный нейтрон для достижения делящегося нуклида)

Поскольку для окончательного деления им требуется в общей сложности 3 или 4 тепловых нейтрона, а деление тепловых нейтронов генерирует только около 2–3 нейтронов, эти нуклиды представляют собой чистую потерю нейтронов. работающий Подкритический реактор, в спектре тепловых нейтронов, должен будет регулировать мощность внешнего источника нейтронов в соответствии с накоплением или потреблением таких материалов. В быстром реакторе этим нуклидам может потребоваться меньше нейтронов для деления, а также для производства большего количества нейтронов при делении. Однако существует также вероятность (n,2n) или даже (n,3n) реакций «нокаута» (падающий быстрый нейтрон попадает в ядро, и более одного нейтрона покидает) с быстрыми нейтронами, которые невозможны с тепловыми нейтронами.

Делящиеся материалы из воспроизводящих материалов

Реактор на быстрых нейтронах , то есть реактор с небольшим количеством замедлителя нейтронов или вообще без него и, следовательно, использующий быстрые нейтроны , может быть сконфигурирован как реактор-размножитель , производящий больше делящегося материала, чем потребляет, используя воспроизводящий материал в бланкете вокруг активной зоны или содержащийся в специальных топливные стержни . Поскольку плутоний-238 , плутоний-240 и плутоний-242 являются воспроизводящимися, накопление этих и других неделящихся изотопов представляет меньшую проблему, чем в тепловых реакторах , которые не могут эффективно их сжигать. Реакторы-размножители, использующие нейтроны теплового спектра, практичны только в том случае, если ториевый топливный цикл используется , поскольку уран-233 делится тепловыми нейтронами гораздо более надежно, чем плутоний-239. — Подкритический реактор независимо от спектра нейтронов — также может «выводить» делящиеся нуклиды из воспроизводящего материала, что в принципе позволяет потреблять актиниды очень низкого качества (например, отработанное МОХ-топливо , содержание плутония-240 в котором слишком велико для использования в современных критических тепловых реакторах). ) без необходимости использования высокообогащенного материала, используемого в быстрый реактор-размножитель .

Приложения

Предлагаемые области применения воспроизводящего материала включают космическую установку по производству расщепляющегося материала для космических кораблей ядерных двигателей . Объект теоретически будет транспортировать воспроизводящие материалы с Земли безопасно через атмосферу и размещать их на космическом объекте в точке Лагранжа Земля-Луна L1 , где будет происходить производство делящегося материала, что устраняет риск безопасности при транспортировке делящихся материалов с Земли. ^[2] Хотя уран и торий присутствуют на Луне , их количество, по-видимому, в более ограниченном количестве, чем на Земле, особенно вблизи поверхности. Если желательно использовать ресурсы на месте для питания атомных электростанций на Луне, преобразование воспроизводящего материала в расщепляющийся материал может стать способом продлить срок службы ресурсов и снизить потребность в обогащении урана , для которого требуется химически агрессивный летучий фтор для подготовки урана. гексафторид , используемый в современной технологии обогащения.

Ссылки

^ Сасахара, Акихиро; Мацумура, Тецуо; Николау, Гиоргос; Папайоанну, Дмитрий (апрель 2004 г.). «Оценка источников нейтронов и гамма-излучения отработавшего UO2 и МОКС-топлива LWR с высоким выгоранием» . Журнал ядерной науки и технологий . 41 (4): 448–456. дои : 10.3327/jnst.41.448 .
^ Додд, Джейк; Тангавелу, Мадху (2012). «SNAP-X: Космическая установка ядерной активации». Конференция и выставка AIAA SPACE 2012 . дои : 10.2514/6.2012-5329 . ISBN 978-1-60086-940-2 .

[1] Сасахара, Акихиро; Мацумура, Тецуо; Николау, Гиоргос; Папайоанну, Дмитрий (апрель 2004 г.). «Оценка источников нейтронов и гамма-излучения отработавшего UO2 и МОКС-топлива LWR с высоким выгоранием» . Журнал ядерной науки и технологий . 41 (4): 448–456. дои : 10.3327/jnst.41.448 .

[dodd2012-2] Додд, Джейк; Тангавелу, Мадху (2012). «SNAP-X: Космическая установка ядерной активации». Конференция и выставка AIAA SPACE 2012 . дои : 10.2514/6.2012-5329 . ISBN 978-1-60086-940-2 .

[1]

[2]