Torium – en studie ur ett kärntekniskt perspektiv
Yüklə 442,12 Kb. Pdf görüntüsü
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Figur 9
- (n,2n) Th-232 Th-231 +n Th-233 Pa-233 U-233 (n,2n)
25
Figur 9: Tvärsnitt av bränsleknippe för AHWR. 5.3. Använt bränsle Den öppna och slutna bränslecykeln använder olika bränslesammansättningar. Följaktligen skiljer sig isotopsammansättningen i det använda bränslet mellan de olika fallen. Kärnbränsle avsett att användas för tillverkning av kärnladdningar upp- arbetas för att separera det fissila materialet från övriga ämnen. Aktiva fissionspro- dukter och andra ämnen som är olämpliga vid laddningsframställning avlägsnas därigenom kemiskt. Aktinider med negativa egenskaper, huvudsakligen isotoper av de ämnen som används för laddningstillverkning, finns emellertid kvar.
Den slutna bränslecykeln, där bränslet vid laddning består av 232 Th,
233 U och
239 Pu,
genererar efter användning bränsle som huvudsakligen består av 232
Th och 233
U eftersom plutoniumet konsumeras medan ungefär lika mycket uran bildas som kon- sumeras. Därtill bildas en del tyngre uran- och framför allt plutoniumisotoper genom neutroninfångning. Dessutom bildas genom (n,2n)-reaktioner små mängder lättare isotoper, däribland 232
U och 238
Pu. Dessa två nuklider kan trots den låga koncentrat- ionen ha stor betydelse för det använda kärnbränslets egenskaper. 232 U har en halve- ringstid på 68,9 år och ger upphov till en serie kraftigt gammastrålande dotternukli- der.
238 Pu har en halveringstid på 87,7 år och är en kraftig neutron- och alfa-strålare. Då det rör sig om uran- och plutoniumisotoper kan dessa nuklider inte isoleras ge- nom upparbetning och deras närvaro i upparbetat bränsle gör hantering av det fissila materialet problematisk i strålskyddsavseende.
SSM 2013:03 26
Tvärsnitten för (n,2n)-reaktioner uppvisar tydliga trösklar kring 6 MeV.
Den öppna bränslecykeln använder bränsle bestående av 232 Th,
235 U och
238 U, d.v.s. traditionellt uranbränsle med torium som bridmaterial. Frånvaron av 233
U vid ladd- ning gör att betydligt mindre 232 U bildas. Däremot fungerar 238 U som bridmaterial och ger upphov till 238
Pu. Halten 232
U och 238
Pu beror på en mängd faktorer såsom initial bränslesammansättning, härdutformning och driftsbetingelser. I tabell 5 ges isotophalter för typisk sluten respektive öppen bränslecykel.
Isotopfördelning i använt bränsle för uran och plutonium i gram per ton uran respek- tive gram per ton plutonium.
232 U 233 U 234
U 235
U 236
U 237
U 238
U Sluten bränslecykel 628 943000 52400 4080 188
0.11 0.060
Öppen bränslecykel 292
59800 12100
12400 33800
16 882000
238 Pu 239
Pu 240
Pu 241
Pu 242
Pu Sluten bränslecykel 3424 201000
556000 165000
75000 Öppen bränslecykel 29 360000
300000 135000
205000
Uranet från den öppna bränslecykeln samt plutoniumet från båda bränslecyklerna innehåller alldeles för låg andel fissila isotoper för att kunna vara användbart för tillverkning av kärnladdningar. Uranet från den slutna bränslecykeln innehåller där- emot ca 95 % fissila isotoper. Bland uranisotoperna har 232
U tillräckligt lång halve- ringstid för att finnas kvar under lång tid, och tillräckligt kort för att potentiellt ge hög gammaaktivitet. 237
U har mycket kort halveringstid och försvinner inom loppet SSM 2013:03 27
av några dagar medan övriga isotoper har mycket lång halveringstid och ger ett mycket litet aktivitetsbidrag. 232
U är alltså den isotop som möjligen skulle kunna vara problematisk vid laddningstillverkning. Utifrån de nuklider som ingår i bränslet vid laddning kan 232
U bildas på flera olika sätt. De olika vägarna redovisas i figur 11.
Vägar från 232
Th till 232
U.
232 U alfa-sönderfaller till 228
Th med en halveringstid på 68,9 år. Sönderfallskedjan slutar med det stabila 208 Pb och samtliga dotternuklider i sönderfallskedjan har mycket kortare halveringstid än 232
U vilket i praktiken innebär att för varje atom 232
U som sönderfaller följer ytterligare sju sönderfall omedelbart. Alfa- och beta- aktiviteten från metallen är inte det huvudsakliga hindret vid användning för kärn- laddningar på grund av deras korta räckvidder; i stället är det gammaaktiviteten som gör materialet svårt att hantera. Även de låga halter 232 U som förekommer i uran från AHWR-bränsle ger mycket höga doser. LD 50 -dos 41 nås inom loppet av någon en- staka minut hos en människa som befinner sig på en meters avstånd från en oskär- mad kärnladdning.
För att
232 U ska bildas krävs: (n,2n)-reaktioner neutroninfångning beta-sönderfall För att (n,2n)-reaktioner ska kunna äga rum hos någon av de tre nukliderna krävs hög neutronenergi. Tröskelenergin är lägst hos 233
U (ca 6 MeV) och något högre för 232
Th och 232
Pa (ca 7 MeV) varför reaktionen kommer att vara betydligt vanligare hos uran. Neutroninfångningen har ingen tröskelenergi och beta-sönderfallen sker oberoende av övriga faktorer. För att minimera produktionen av 232
U kan härden utformas så att färre neutroner med hög energi når de material som transmuteras. Detta kan åstadkommas genom att använda en heterogen reaktorhärd, där de fertila och fissila delarna hålls åtskilda. Materialen i bränslet är desamma men med annan placering. Torium-uranbränsle är centralt placerat i härden, omgivet av moderator- material, som i sin tur är omgivet av torium. De neutroner från härdens centrum som når toriummanteln kommer att vara helt termaliserade och inte ge upphov till några (n,2n)-reaktioner som genererar 232 U. Den enda källan för neutroner med hög energi är fissioner i själva manteln, och det enda fissila materialet är 233
U som bildats av
41 Lethal Dose 50 %, dödlig dos för hälften av en population. (n,2n) Th-232 Th-231 +n Th-233 Pa-233 U-233 (n,2n) Pa-232 (n,2n) U-232 Pa-231 +n
SSM 2013:03 Yüklə 442,12 Kb. Dostları ilə paylaş:
|