Nopeiden reaktorien polttoainetyypit

1. Nopeiden reaktorien polttoainetyypit Tfy-56.181 Ydin- ja energiatekniikan lisensiaattiseminaari Ydinpolttoaine Ville Tulkki Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

2. Esityksen sisältö • Perusteet • Reaktorit • Polttoaineet • Eri reaktorityyppien polttoaineet • Olemassaolevat reaktorit • Yhteenveto Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

3. Hyödön perusteet • Ydinpolttoainetta rajallinen määrä • Polttoainetta lisää hyötämällä fertiileistä isotoopeista 232Th ja 238U fissiilejä isotooppeja 233U ja 239Pu • Kaikissa reaktoreissa muunnetaan jonkin verran • Varsinaisissa hyötöreaktoreissa neutronitalous tärkeää • 1 neutroni ketjureaktion ylläpitämiseen, 1+ neutronia hyötämiseen, häviöt? Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

4. Neutronien synty • Neutronien lkm per fissio riippuu • Fissioituvasta atomista • Neutronin energiasta • 233U korkea(hko) neutronituotto matalilla energioilla • 235U ja 239Pu vaativat korkeita energioita korkeisiin neutronituottoihin • Vaikka 232Th mahdollistaa hyödön termisellä spektrillä, pääasiassa hyötö nopean spektrin reaktoreilla U/Pu-polttoaineella Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

5. Rikastusasteen nousu • Suurilla neutronin energioilla pienet fissiilien fissiovaikutusalat verrattuna fertiilien kaappausvaikutusaloihin • Vaaditaan korkeaa rikastusastetta • Korkea rikastusaste ja moderoinnin hyödyttömyydestä seuraava tiiveys aiheuttavat suuren tehotiheyden Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

6. Polttoaineen tuho • Polttoaineen koostumus muuttuu palaman kasvaessa • Fissiotuotteet, rakenteiden kestävyys • Jälleenkäsittely • Ylijäämäfissiilit hyötykäyttöön • Fissiotuotteet pois, uudet rakenteet • Tämä kaikki vaatii perinteisestä poikkeavia • Reaktoreita (nopea neutronispektri, ei vettä) • Polttoainekiertoa (suljettua sellaista) • Polttoainetta Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

7. Nopean neutronispektrin reaktorit • Yleensä reaktorit luokitellaan jäähdyteaineen mukaan • Jäähdyte vaikuttaa (kemiallisten) olosuhteiden kautta polttoainevalintaan • Kevytmetallijäähdytteinen reaktori • Kaasujäähdytteinen reaktori • Raskasmetallijäähdytteinen reaktori • (Nopea sulasuolareaktori) • (Ylikriittisellä vedellä jäähdytetty nopea reaktori) Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

8. Kevytmetallijäähdytteiset reaktorit • Aiemmin koereaktoreita esim natrium/kalium-seoksilla • Nykyinen kukkulan kuningas natrium • Hyvä lämmönjohde, ei hidasta • Testattu ja hyväksi havaittu • Aktivoituu, palaa ilmassa • Useampi koereaktori rakennettu • Phenix, Superphenix, Monju Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

9. Muut nopeat reaktorit • Kaasujäähdytteiset reaktorit • Hiilidioksidi- tai heliumjäähdytteisiä • Helium suositumpaa nykyisin • Inertti, käytännössä ei vaikuta neutroneihin • Heikot lämmönsiirto-ominaisuudet • Lyijyjäähdytteiset reaktorit • Venäläiset sukellusvenereaktorit (epitermisiä?) • Lyijy ei pala • Paino, sulamispiste, korroosio ongelmia Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

10. Ydinpolttoaineet • Eri mahdollisuuksia fissiileille ja fertiileille aineille sekä yhdisteille • (233U/232Th,) 235U/238U, 239Pu/238U • Oksidipolttoaine (UO2) tällä hetkellä käytössä • Puhdas metalli (U), karbidi (UC), nitridi (UN) muita vaihtoehtoja • Vielä harvinaisempia, esim fluoridi (UF2) sulasuolareaktorissa • Tilanne nyt sama kuin 80-luvun alussa • (Pu/U)O2 koetettu, vain lyhyitä koesarjoja muilla yhdisteillä Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

11. Vaaditut polttoaineen ominaisuudet • Kestää hyvin • Korkeaa palamaa • ~100 MWd/kg • Fissiotuotteiden aiheuttama laajeneminen, fissiokaasut • Korkeaa tehotiheyttä • Lämpötilagradientit (terminen viruminen?) • Kemiallisia olosuhteita • Jälleenkäsiteltävissä Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

12. Fissiili osa • 233U/232Th- ja 239Pu/238U-syklit vaihtoehtoisia • 235U/238U-seosta käytettäisiin lähinnä aloittamaan Pu/U-sykli, jos plutoniumia ei tarpeeksi • 235U voidaan käyttää korvaamaan myös 233U toriumsyklin alussa • Nopean neutronispektrin reaktoreissa Pu hyötää paremmin kuin 233U, Th helpommin(?) käsiteltävissä • Plutoniumsykli tutumpi Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

13. Oksidipolttoaineet • MOX-polttoaine tutuin ja käytetyin • Myös termisten reaktoreiden puolelta • Matala lämmönjohtavuus • Suuret lämpötilagradientit, aiheuttaa säröilyä • Matala tiheys • Johtuu alkeiskopin muodosta jossa luonnostaan tyhjä vakanssi • Ei hyväksi hyötökertoimen kannalta • Monta kevyttä atomia (UO2) verrattuna vaihtoehtoihin • enemmän neutronimoderointia Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

14. Metallipolttoaineet • Puhdasta U/Pu/Th-metallia tai leejerinkejä • Helppo valmistaa • Tiheä • Korkea lämmönjohtavuus (mutta matala sulamispiste) • Voimakkaan anisotrooppinen koostumus • Epätasainen (mutta suuri) laajeneminen lämmön ja fissioiden seurauksena • Metallipolttoaineita käytetty lähinnä alkuaikojen nopeissa koereaktoreissa • Uraani/fissium- sekä zirkoniumleejerinkiä (UPuZr) tutkittu USAssa Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

15. Keraamiset polttoaineet: hiiliyhdisteet • Karbidipolttoaineissa UC • Hyvä lämmönjohde • Pitää fissiokaasut sisässään • Valmistus hyvin tarkkaa • Liian vähän hiiltä aiheuttaa metallifaasin muodostusta • Liika hiili kulkeutuu ulkopinnalle ja saattaa reagoida kemiallisesti kuoren kanssa • Sekaan kulkeutunut happi vaarallista • Jälleenkäsittely hankalaa • Reagoi veden kanssa, ei hajoa typpihappoon (jota PUREX käyttää) Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

16. Keraamiset polttoaineet: typpiyhdisteet • Nitridipolttoaine UN • Vaihtoehto karbidipolttoaineelle • Parempi yhteensopivuus PUREX-prosessin kanssa • Ei reagoi natriumin saati suojakuoren kanssa • Korkea lämmönjohtavuus ja sulamispiste, mutta laajenee paljon säteilytettäessä • Muut kuin kemialliset syyt suosisivat karbidipolttoainetta Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

17. Haasteisiin vastaaminen Huonoja ominaisuuksia voidaan kompensoida: • Polttoaineen laajeneminen • Geometria (reikä keskellä) • Valmistetaan huokoisena • Kemiallinen korroosio • Estetään suora kontakti • Jne... Mikään eläin ei ole niin viisas kuin insinööri Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

18. Polttoaineet ja reaktorit • Eri polttoaineet sopivat eri reaktoreille • Kemiaa syyttäminen Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

19. Esimerkki prototyyppireaktorista • Phenix (Ranska) • Natriumjäähdytteinen reaktori, 233 MWe • Phenix yhä toiminnassa, ”seuraava sukupolvi” Superphenix jo suljettu natriumpalon takia • Käyttää oksidipolttoainetta • 15-30% plutoniumia, palama 150 MWd/kg, väli polttoaineen ja kuoren välillä täytetty heliumilla • Polttoaineputket erotettuna toisistaan helikaalisesti kierretyllä narulla, natrium ei tarvitse isompaa väliä jäähdytykseen Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

20. Yhteenveto • Nopeat reaktorit vaativat polttoaineelta enemmän kuin termiset • Hyötösuhde/neutronitalous • Kovemmat olosuhteet • Suurempi palama • Oksidipolttoaine on toiminut • Mutta ei välttämättä optimaalinen • Vaihtoehtoina metalli, karbidi, nitridi • Polttoainetyypin valinta riippuu paljon • Käytetystä reaktorista • Käytetystä jälleenkäsittelymenetelmästä • Tehdyistä kompromisseista Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007

21. Kiitos Ydinpolttoaineseminaari 12.12.2007