W jakim stopniu Protactinium może obniżyć wydajność cyklu paliwowego Thorium?

21

Jednym z kontrapunktów dla cyklu paliwowego Tor jest to, że Protactinium, który jest generowany w tym cyklu, obniża wydajność reaktora i dlatego musi zostać usunięty , przynajmniej z reaktorów z ciekłym fluorem lub stopioną solą. Jednak, o ile wiem, Protactinium nie zostało usunięte podczas funkcjonowania pierwszego reaktora torowego na paliwo stałe, który był trzecim rdzeniem stosowanym w Shippingport; a przynajmniej nie mogę znaleźć wzmianki o usunięciu Protactinium (podczas pracy) w oficjalnym raporcie o paliwie .

Tak więc pytanie:

Ilościowo, jak bardzo można obniżyć wydajność reaktora, jeśli Protactinium nie zostanie usunięty?
W jakim stopniu degradacja zależy od rodzaju i innych parametrów (geometrii itp.) Reaktora?

nuclear-technology

— Syczeć
źródło

3

To jedno z ciekawszych pytań, jakie widziałem na tej stronie.

— Fred

2

Jest to dość złożone pytanie, ponieważ istnieje wiele zmiennych i wiele proponowanych projektów cykli paliwowych do rozważenia; ale wydaje się, że Twoim głównym zainteresowaniem jest to, czy pozostawienie Pa-233 w roztworze wpłynie negatywnie na cykl jądrowy toru do tego stopnia, że sensowniejsze jest usunięcie tego izotopu, który zostanie ponownie wprowadzony po jego rozpadzie beta do naszego bardzo potrzebnego U- 233 paliwo.

Aby krótko odpowiedzieć na to pytanie, załóżmy najpierw reaktor cieplny (ponieważ w neutronach są dobrze moderowane i mają energie idealne do rozszczepienia U-233). Następnie przyjmijmy założenie dotyczące składu z 98% Th-232, 1% Pa-233 i 1% U-233.

Przekroje każdego z tych izotopów (jak „duże” są do neutronu termicznego) wynoszą w przybliżeniu: Th-232, 7,37 stodoły do absorpcji; Pa-233,40 stodoły do absorpcji; Stodoły U-233,529 do rozszczepienia. Jeśli nie wiesz, co to jest „stodoła”, to w zasadzie jest to nic innego jak opisanie rozmiaru 2D docelowych jąder, jeśli chodzi o interakcję z przychodzącym neutronem. 1 stodoła = ^10–24 cm ² i nazwano ją tak, ponieważ w skalach atomowych, jak głosi stare przysłowie: „... jest tak duża jak stodoła”.

Informacje te mogą być wykorzystane do ustalenia średniej odległości, jaką neutron pokona, zanim będzie miał „zderzenie / interakcję” z jednym z tych atomów (znany również jako ścieżka swobodnego transportu). Funkcja jest następująca:

l = \frac{1}{σ N - \frac{2}{3 A}}

$l=\frac{1}{\sigma N-\frac{2}{3A}}$

Gdzie:

$l$ oznacza wolną drogę transportu;
$\sigma$ jest przekrojem izotopu;
$N$ jest gęstością liczbową izotopu;
$A$ to liczba protonów i neutronów w izotopie .

Ponieważ wszystkie są bardzo podobne pod względem liczby protonów i neutronów, możemy wyeliminować termin . Ta funkcja jest również używana przede wszystkim do rozpraszania i obliczania strat energii neutronu na danej głębokości materiału, ale działa równie dobrze na absorpcję, pozostawiając nam: $\frac{2}{3A}$

l \sim \frac{1}{σ N}

$l \sim \frac{1}{\sigma N}$

Ta formuła podaje średnią (ish) odległość, jaką neutron pokona przez materiał przed interakcją z atomem (absorpcja, rozszczepienie, rozproszenie itp.).

Dzięki szybkiemu przebijaniu liczb (pomijając dokładną gęstość liczb i idąc z% kompozycji) możemy łatwo zobaczyć, że średnia odległość pokonana przez neutron jest o rząd wielkości krótsza dla U-233 i Th-232 w porównaniu do Pa Izotop -233, więc jego wpływ na „wydajność” tego reaktora byłby znikomy.

Aby odpowiedzieć na pytania:

Czy tworzenie Pa-233 wpływa na wydajność reaktora? Tak.
Czy konieczne jest usunięcie Pa-233, aby mieć żywotny cykl paliwowy? Nie.
Czy geometria reaktora wpływa na wydajność? Tak, ale to zupełnie inne pytanie. ;)

Mam nadzieję że to pomoże!

— kredki do jedzenia
źródło

Proszę dokładnie sprawdzić poprawność swoich równań po sformatowaniu. Nie jestem pewien, do której właściwości / ilości odnosi się „# tych izotopów”, więc użyłem ogólnego N jako symbolu.

— Air

Ładnie zredagowane Air. „# Tych izotopów” odnosi się do gęstości liczb atomowych, która akurat używa tak dobrze „N” dużej liczby! Moje jedyne wątpliwości to to, że muszę popracować nad swoimi umiejętnościami lateksowymi ...

— eatscrayons

1

Oddzielenie protaktyny jest niezłą zaletą reaktorów z ciekłym fluorem torowym, co jest możliwe dzięki temu, że paliwo (i protaktyna) są w postaci ciekłej. Łatwo jest pompować i robić chemię.

Reaktor Shippingport był reaktorem na paliwo stałe (tlenek toru) z wodą jako czynnikiem chłodzącym i moderatorem. Tak więc protaktyna utkwiłaby w elementach paliwowych.

Inne cykle paliwowe (np. U-235) również generują trucizny reaktorowe. Sprawiają one, że elementy paliwa stałego stają się bezużyteczne, zanim całe paliwo zostanie zużyte. Możliwe jest stopienie paliwa i odzyskanie przydatnego materiału rozszczepialnego. Proces ten nie cieszył się takim poziomem adopcji, jaki mógłby w innym przypadku wynikać z polityki, biurokracji itp. Często wypalone paliwo jądrowe jest po prostu usuwane bez ponownego przetwarzania.

— Dan
źródło

1

PO zapytał konkretnie o ilościowy wpływ na wydajność, ale wydaje się, że wcale tego nie uwzględniono. Czy są jakieś implementacje techniki w twoim pierwszym akapicie, które możesz zilustrować swoją odpowiedź?

— EnergyNumbers

Jeden z najnowszych artykułów na temat szybkiej ekstrakcji Protactinium

— Deer Hunter

@EnergyNumbers, powiedziałbym, że masz całkowitą rację. Będę nadal szukał, ale książki, które mam pod ręką, mówią tylko o truciźnie z cyklu U-235 (głównie Xe). W tej chwili moja odpowiedź jest dość słaba.

— Dan

0

Odpowiedź (wierz lub nie) brzmi „nie”. Czemu? Ponieważ Protactinium jest obecnie omawiany jako „dodatek” do reaktorów jądrowych w celu poprawy spalania paliwa. Koszt usunięcia Protactinium wcale nie jest konieczny.

\begin{matrix} 238 Th + 1 n = 233 Pa = 233 U \\ 233 Pa + 1 n = U 234 + 1 n = U 235 \end{matrix}

$\begin{gather} 238\text{Th} + 1\text{n}= 233\text{Pa} = 233\text{U} \\ 233\text{Pa}+1\text{n}=\text{U}234+1\text{n}=\text{U}235 \end{gather}$

Oba są rozszczepialne. Krótka odpowiedź brzmi nie.

— Royce
źródło