anotasi
Dalam penilaian terbaru tentang prospek strategis untuk pengembangan tenaga nuklir, orang dapat mencatat kecenderungan sikap arogan yang merendahkan terhadap tenaga termonuklir, yang sayangnya, sebagian besar sesuai dengan keadaan sebenarnya. Pada saat yang sama, analisis masalah dan potensi dua teknologi nuklir berdasarkan reaksi nuklir fusi inti ringan dan fisi nuklir berat menunjukkan hal berikut. Pembangunan mandiri berskala besar di masing-masing bidang ini niscaya akan mengarah pada kebutuhan untuk mengatasi masalah teknologi, ilmu material, lingkungan dan ekonomi yang masih belum terselesaikan, yang akan menimbulkan pertanyaan tentang kelayakan pengembangan lebih lanjut dari sektor energi ini. Pada saat yang sama, ciri fisik proses fisi dan fusi secara obyektif menunjukkan kelayakan untuk menggabungkan keduanya dalam satu sistem energi nuklir, yang menyebabkan efek sinergis besar yang menekan aspek negatifnya, mengembangkan teknologi nuklir secara mandiri.
Artikel ini menyajikan perhitungan perkalian neutron termonuklir dalam selimut reaktor termonuklir hibrida, yang mengkonfirmasi validitas fisik dan keandalan pilihan arah strategis pengembangan dalam bentuk sistem tenaga nuklir terintegrasi.
pengantar
Sekarang, dalam penilaian jalur strategis pengembangan energi nuklir, penilaian ulang yang serius dari ketentuan yang tampaknya sudah mapan sedang berlangsung. Konsep dua komponen untuk pengembangan tenaga nuklir, di mana reaktor fisi cepat dan panas beroperasi secara bersamaan, baru-baru ini mengalami revisi serius. Sebelumnya, diasumsikan bahwa pembangunan struktural tenaga nuklir akan didasarkan pada tahap awal, pada peningkatan kapasitas dengan mengorbankan reaktor termal. Selanjutnya, reaktor cepat dengan rasio pemuliaan tinggi 1,5 dan lebih tinggi akan muncul. Ini akan memungkinkan, dengan meningkatnya kekurangan uranium alami, untuk mengatur siklus bahan bakar tertutup dengan pemrosesan ulang yang efisien dari bahan bakar nuklir bekas teriradiasi dan untuk memenuhi kebutuhan isotop fisil dengan memproduksinya dalam reaktor cepat. Diasumsikanbahwa dalam sistem tenaga nuklir bagian reaktor termal akan menjadi sekitar 60%, dan bagian reaktor cepat akan menjadi sekitar 40%. Reaktor termal akan menanggung sendiri ketidaknyamanan bekerja di sistem tenaga (kisaran daya disesuaikan dengan kebutuhan konsumen, bekerja dalam kurva beban variabel, menyediakan kebutuhan non-listrik sistem, dll.). Reaktor cepat akan beroperasi terutama pada basis, dan menghasilkan bahan bakar dari isotop mentah untuk dirinya sendiri dan untuk reaktor termal.dan untuk menghasilkan bahan bakar dari isotop mentah untuk dirinya sendiri dan untuk reaktor termal.dan untuk menghasilkan bahan bakar dari isotop mentah untuk dirinya sendiri dan untuk reaktor termal.
Kecenderungan modern
Video promosi:
Namun, kecelakaan parah yang terjadi di pembangkit listrik tenaga nuklir menyebabkan kebutuhan untuk memperketat persyaratan keselamatan secara signifikan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir. Untuk alasan ini, penyesuaian yang signifikan dibuat untuk desain reaktor cepat yang berfokus pada produksi bahan bakar intensif, dan desain konseptual baru dari reaktor cepat telah dipertimbangkan dengan rasio pemuliaan yang mendekati satu, dengan intensitas energi inti yang rendah. Dalam situasi ini, penganut proyek baru reaktor cepat telah menemukan cara lain untuk mempertahankan signifikansinya. Mereka mulai menyebarkan skenario yang mengasumsikan bahwa dalam jangka panjang pengabaian reaktor termal tidak dapat dihindari, bahwa dalam setiap perkembangan peristiwa, reaktor cepat akan menggantikan reaktor termal.
Orang memiliki penilaian yang berbeda tentang masa depan dan banyak yang percaya bahwa arah yang diusulkan untuk pengembangan tenaga nuklir mungkin tidak terwujud, dan konsep baru tentang dominasi reaktor cepat akan berubah menjadi salah. Dan posisi ini sebagian besar dibenarkan. Alternatif yang tersedia memungkinkan kita untuk berbicara tentang pilihan untuk pengembangan sistem tenaga nuklir dalam konfigurasi yang jauh lebih menarik.
Kelemahan sistemik yang paling mencolok dalam pembangunan tenaga nuklir, terutama yang didasarkan pada reaktor cepat, sudah jelas. Bahkan jika kita berasumsi bahwa fast reactor itu sendiri dibuat dengan sempurna dan tidak memiliki kekurangan yang akan menimbulkan keraguan tentang keunggulan absolutnya dibandingkan proyek lain, ada kesulitan sistemik yang tidak dapat dihindari.
Pertama. Sebagian besar isotop fisil (plutonium) yang baru diproduksi dalam reaktor cepat akan diproduksi di inti, di mana energi akan dihasilkan dan sebagian besar produk fisi radioaktif akan terbentuk. Bahan bakar yang sangat aktif ini harus diproses secara kimiawi dengan cepat. Pemrosesan ulang akan melepaskan semua isotop radioaktif dari bahan bakar yang diradiasi. Sejumlah besar radioaktivitas akan meninggalkan elemen bahan bakar yang tertutup rapat dan didistribusikan ke seluruh ruang kerja. Terlepas dari kenyataan bahwa mereka akan mencoba untuk mengendalikan semua radioaktivitas ini, itu akan menentukan risiko utama dari potensi insiden radioaktif, karena berbagai alasan, dari faktor manusia yang terkenal jahat hingga sabotase yang direncanakan.
Kedua. Reaktor cepat harus mengganti reaktor termal, hampir seluruhnya. Mengingat prototipe reaktor cepat yang dibutuhkan belum tersedia, penggantian semacam itu akan dilakukan secara bertahap, akan dimulai paling cepat pertengahan abad ini, dan bahkan jika semua orang di dunia setuju untuk mendukungnya, prosedur tersebut akan berlangsung setidaknya selama dua abad. Selama waktu ini, di antara mereka yang hidup setelah kita, mungkin akan ada orang yang mampu membuat dan menerapkan profil industri nuklir yang lebih menarik. Dan upaya untuk menciptakan reaktor cepat yang ideal akan sia-sia.
Ketiga. Banyak daur ulang plutonium akan mengarah pada pembentukan sejumlah besar aktinida minor, isotop yang tidak ada di alam, yang tidak ingin dibuat oleh manusia, karena berbagai alasan, dan memerlukan kehancurannya. Penting juga untuk mengatur transmutasi isotop ini, suatu proses dengan risiko kecelakaan yang tinggi yang juga dapat menyebabkan kontaminasi radioaktif yang signifikan terhadap lingkungan.
Seseorang dapat menerima kekurangan ini sebagai kejahatan yang tak terhindarkan, tetapi posisi seperti itu dapat dibenarkan hanya jika tidak ada alternatif, tetapi itu memang ada.
Energi fusi
Alternatif untuk dominasi reaktor cepat dapat berupa pengembangan sistem tenaga nuklir berdasarkan reaktor fusi dan fisi. Proposal untuk penggunaan reaktor termonuklir dalam struktur tenaga nuklir, memberikan peningkatan yang signifikan dalam potensi neutron sistem dibuat oleh I. V. Kuchatov Kemudian, konsep reaktor termonuklir hibrida muncul, di mana isotop fisil baru diproduksi dan energi dihasilkan. Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan konsep ini terus berlanjut. Versi baru dari sistem nuklir mengasumsikan bahwa reaktor fusi (reaktor termonuklir) beroperasi untuk menghasilkan bahan bakar nuklir dari isotop mentah untuk reaktor fisi, dan reaktor fisi, seperti sekarang, menghasilkan energi.
Dalam artikel yang baru-baru ini diterbitkan "Masalah Nuklir dari Energi Fusi", penulis menyimpulkan bahwa fusi, karena sejumlah alasan, tidak boleh dianggap sebagai teknologi energi skala besar. Tetapi kesimpulan ini sama sekali tidak adil ketika mempertimbangkan sistem terintegrasi di mana teknologi tenaga nuklir (fusi dan fisi) saling melengkapi dan memberikan kinerja fungsi yang lebih efisien yang sulit bagi yang lain.
Penciptaan sistem tenaga nuklir yang andal dengan reaktor fisi dan fusi paling disukai dalam rangka siklus bahan bakar torium. Dalam hal ini, bagian reaktor termonuklir dalam sistem akan minimal (kurang dari 10%), isotop fisil buatan uranium-233, yang diperoleh dari isotop umpan thorium-232 adalah pilihan terbaik untuk reaktor neutron termal, dalam sistem nuklir bersatu masalah transurans minor tidak akan ada. Jumlah Am, Cm, dll. Yang diproduksi dalam sistem. akan diabaikan. Sistem seperti itu akan memiliki siklus bahan bakar di mana risiko pencemaran radioaktif lingkungan akan menjadi paling rendah.
Kriteria alami untuk penerapan konsep ini adalah keseimbangan neutron. Reaksi nuklir yang akan menjadi dasar produksi neutron dalam reaktor fusi adalah reaksi fusi tritium dan deuterium
D + T = Dia + n + 17,6 MeV
Sebagai hasil dari reaksi tersebut, diperoleh neutron dengan energi 14,1 MeV dan partikel alfa dengan energi 3,5 MeV, yang tetap memanaskan plasma. Sebuah neutron berenergi tinggi yang terbang melalui dinding ruang vakum memasuki selimut reaktor termonuklir, di mana ia berkembang biak; ketika ia ditangkap oleh isotop mentah, isotop fisil baru diperoleh. Perkalian neutron termonuklir terjadi sebagai hasil dari reaksi (n, 2n), (n, 3n) dan (n, fisi) - reaksi fisi inti berat, dalam hal ini, isotop mentah. Semua reaksi ini bersifat ambang batas. Gambar 1 menunjukkan grafik penampang yang ditunjukkan. Untuk memastikan perkalian neutron maksimum, penting bahwa komposisi bahan bakar selimut mengandung jumlah minimum inti cahaya dan, tentu saja, penyerap neutron.
Gambar 1 Mikroseksi perkalian neutron di Th-232.
Untuk menilai potensi produksi isotop fisil baru dalam reaktor termonuklir, serangkaian perhitungan untuk varian yang berbeda dari komposisi bahan bakar selimut dengan thorium sebagai isotop umpan dilakukan. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan berbagai program dan perpustakaan data nuklir. Program yang digunakan adalah perpustakaan MCU ENDF / B-6, MCNP, perpustakaan ENDF / B-6, perpustakaan kelompok LUKY. Tabel tersebut menunjukkan hasil perhitungan tangkapan neutron pada thorium-232 per satu sumber neutron fusi untuk komposisi bahan bakar dengan rasio konsentrasi isotop nuklir yang ditentukan. Dalam beberapa perwujudan, diasumsikan bahwa rasio isotop yang ditentukan diperoleh bukan sebagai senyawa kimia, tetapi secara konstruktif, ketika sejumlah torium diaduk dengan jumlah isotop yang diinginkan yang sesuai.
Tabel 1 Perkalian neutron termonuklir (E = 14.1 MeV) dalam selimut reaktor hibrida dengan komposisi bahan bakar torium.
Kolom terakhir mencantumkan nilai-nilai yang mencirikan perkalian neutron akibat reaksi fisi isotop mentah. Nilai produksi neutron akibat fisi diberikan, yaitu ν∑f. Dalam program kelompok LUKY, matriks penampang untuk reaksi (n, 2n) dan (n, 3n) diintegrasikan dengan penampang lintang untuk hamburan inelastis. Hal ini tidak memungkinkan untuk memperoleh nilai laju reaksi ini secara terpisah.
Secara keseluruhan, data kalkulasi yang disajikan memiliki kesesuaian yang baik satu sama lain, yang memberikan alasan untuk mengandalkan perkalian efisien termonuklir neutron dalam selimut reaktor hibrid. Hasil perhitungan yang disajikan dalam tabel menunjukkan potensi perkalian teoritis neutron termonuklir (14.1 MeV). Dalam medium tak terbatas dari torium kira-kira 2,6, yaitu satu neutron mengalikan karena reaksi (n, 2n) dan reaksi (n, 3n) sekitar 2 kali, dan karena fisi thorium-232 sebanyak 1,5 kali. Perhitungan untuk program yang berbeda dan perpustakaan yang berbeda berbeda sekitar 10%. Perbedaan ini disebabkan oleh penggunaan beberapa perpustakaan data nuklir. Dengan mempertimbangkan kesalahan yang ditunjukkan, hasil yang disajikan dapat berfungsi sebagai pedoman konservatif untuk mengevaluasi parameter pemuliaan isotop fisil dalam selimut reaktor termonuklir. Mereka menunjukkan bahwa faktor penentu yang menyebabkan penurunan kemampuan penggandaan selimut adalah adanya isotop hamburan cahaya di dalamnya, termasuk O-16, F-19, yang juga memiliki reaksi hamburan neutron tidak elastis pada energi tinggi. Perhitungan menunjukkan bahwa penggunaan S-12 untuk pembuatan kelongsong sel bahan bakar yang mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan organisasi keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium.yang menyebabkan penurunan kemampuan penggandaan selimut adalah adanya isotop hamburan cahaya di dalamnya, termasuk O-16, F-19, yang juga memiliki reaksi hamburan inelastis dari neutron pada energi tinggi. Perhitungan menunjukkan bahwa penggunaan C-12 untuk pembuatan kelongsong sel bahan bakar yang mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan pengaturan keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium.yang menyebabkan penurunan kemampuan penggandaan selimut adalah adanya isotop hamburan cahaya di dalamnya, termasuk O-16, F-19, yang juga memiliki reaksi hamburan neutron tidak elastis pada energi tinggi. Perhitungan menunjukkan bahwa penggunaan S-12 untuk pembuatan kelongsong sel bahan bakar yang mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan organisasi keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium. F-19 juga memiliki reaksi hamburan neutron yang tidak elastis pada energi tinggi. Perhitungan menunjukkan bahwa penggunaan C-12 untuk pembuatan kelongsong sel bahan bakar yang mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan organisasi keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium. F-19 juga memiliki reaksi hamburan neutron tidak elastis pada energi tinggi. Perhitungan menunjukkan bahwa penggunaan C-12 untuk pembuatan kelongsong sel bahan bakar yang mengisi selimut cukup menjanjikan. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan organisasi keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan organisasi keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium. Penggunaan grafit dapat dianggap sebagai salah satu pilihan desain. Bahkan dalam kasus ketika inti karbon dua setengah kali lebih banyak daripada torium, faktor perkalian neutron termonuklir mendekati 2. Ini berarti bahwa dengan organisasi keseimbangan neutron yang benar, satu inti isotop fisil uranium-233 dapat diperoleh dalam selimut, dan satu inti tritium.
Tentu saja, dalam praktiknya, akan ada kehilangan neutron dan neutron tambahan akan dibutuhkan untuk mengimbanginya. Neutron semacam itu dapat diproduksi dengan berbagai cara. Sebagai contoh, beberapa tritium, yang diperlukan untuk reaksi fusi, dapat diproduksi di inti reaktor fisi. Potensi metode pengisian ulang neutron ini sangat tinggi. Dalam reaktor fisi termal untuk siklus bahan bakar uranium-233, rasio pemuliaan sekitar 0,8, yaitu. untuk satu inti uranium-233 yang terbakar, Anda bisa mendapatkan 0,8 inti tritium. Nilai ini akan lebih dari menutupi semua kehilangan neutron. Dimungkinkan untuk mengurangi kandungan karbon dari selimut reaktor fusi, mis. untuk membuat kelongsong sel bahan bakar lebih tipis, potensi proposal ini adalah 0,2.-0,3 tambahan neutron. Cara lain untuk memungkinkan fisi kecil uranium-233 terakumulasi dalam selimut. Potensi yang wajar dari opsi ini,yang tidak akan menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam produk fisi inti berat di selimut lebih dari 0,5 neutron.
Kesimpulan
Pentingnya penggandaan neutron yang efisien dalam blanko reaktor hybrid menjadi lebih penting karena memungkinkan untuk mengabaikan pemrosesan ulang SNF dari reaktor fisi. Akan ada cukup neutron dalam sistem untuk sepenuhnya mengkompensasi hilangnya isotop fisil selama produksi energi dalam reaktor fisi dengan produksinya dari isotop umpan dalam selimut reaktor termonuklir.
Tidak masalah sama sekali jenis reaktor fisi yang ada dalam sistem, cepat atau termal, besar atau kecil.
Ekstraksi uranium-233 yang baru diproduksi dari komposisi bahan bakar selimut akan disertai dengan pelepasan radioaktivitas sekitar dua sampai tiga kali lipat lebih kecil, dibandingkan dengan opsi ketika isotop fisil harus dipisahkan dari SNF reaktor fisi. Keadaan ini akan memastikan risiko minimum kontaminasi radioaktif terhadap lingkungan.
Berdasarkan perhitungan yang dilakukan, mudah untuk memperkirakan proporsi reaktor termonuklir hibrida. Ini akan kurang dari 10% dari kapasitas termal seluruh sistem, dan akibatnya, beban ekonomi dari seluruh sistem tidak akan besar, bahkan jika reaktor fusi hibrida lebih mahal daripada reaktor fisi.
Teknologi termonuklir yang tertanam dalam sistem tenaga nuklir dan perkembangannya di masa depan harus dianggap sebagai arah umum pengembangan strategis industri nuklir, yang mampu memecahkan masalah utama pasokan energi untuk waktu yang lama, secara praktis dalam skala apa pun, dengan risiko minimal dampak radioaktif negatif terhadap lingkungan.
