Transmutacja w układach podkrytycznych sterowanych

jądrowego są układy podkrytyczne sterowane akceleratorem. Koncepcję takiego urządzenia przedstawia Rysunek 16. Składa się ono z trzech zasadniczych elementów:

reaktora jądrowego pracującego w stanie podkrytycznym, spalacyjnego źródła neutronów oraz akceleratora protonów.

Rys. 16. Schemat ideowy układu podkrytycznego sterowanego akceleratorem [58]

Najważniejszym elementem samego układu jest sam reaktor pracujący w stanie podkrytycznym. Możliwa jest realizacja układu podkrytycznego w oparciu o w zasadzie każdy znany typ reaktora. Różne pojawiające się koncepcje tego typu układów brały

pod uwagę zastosowanie różnych typów reaktorów, od lekkowodnych

czy ciężkowodnych, po prędkie reaktory ołowiowe czy nawet reaktory chłodzone stopionymi solami. Najważniejszą różnicą występującą w obrębie samego rdzenia reaktora pomiędzy układami podkrytycznymi, a klasycznymi reaktorami pracującymi w stanie krytycznym jest umieszczenie w centralnej części rdzenia spalacyjnego źródła neutronów oraz rury doprowadzającej wiązkę protonów. Ponieważ taki reaktor ma pracować w stanie podkrytycznym, do utrzymania mocy na stałym poziomie konieczne jest uzupełnianie niedoboru neutronów w układzie. Rolę tę pełni właśnie spalacyjne

źródło neutronów. Jest to metaliczna tarcza, na którą kierowana jest wiązka

wysokoenergetycznych protonów z akceleratora. W przypadku protonów

o wystarczająco wysokiej energii w tarczy zachodzi reakcja spalacji, czyli kruszenia jądra atomowego. Sama reakcja przebiega dwuetapowo. W pierwszej kolejności bezpośrednio z jądra bombardowanego emitowana jest pewna liczba nukleonów, lekkich jąder i pionów. Następnie wyemitowane cząstki o wysokiej energii prowadzą

do zajścia podobnej reakcji w sąsiednich jądrach prowadząc do powstania tak zwanej kaskady międzyjądrowej. Dzięki temu w przypadku neutronów o energii rzędu setek MeV lub więcej możliwe jest powstanie nawet kilkudziesięciu neutronów na jeden proton źródłowy. Dokładna liczba zależy od materiału z jakiego zbudowana tarcza spalacyjna oraz energii protonu. Sama tarcza może być zbudowana z różnych pierwiastków ciężkich. Rozważa się między innymi użycie: wolframu, ołowiu, bizmutu, toru czy uranu. Szczególnie interesujące wydaje się być użycie ołowiu lub eutektyki ołów-bizmut, gdyż stanowią one również chłodziwo w reaktorze [67].

Choć na świecie nie istnieje jeszcze, ani nigdy nie istniał, żaden przemysłowy układ tego typu to sama idea układu podkrytycznego nie jest nowa. Historycznie sięga ona do początków energetyki jądrowej. Po raz pierwszy pomysł takiego układu został zaproponowany przez Ernesta Lawrence’a już w 1950 roku. W tym początkowym zamyśle miały one służyć głównie do produkcji plutonu do celów wojskowych z naturalnego lub zubożonego uranu, choć koncepcja ta obejmowała również wykorzystanie spalacyjnego źródła neutronów do produkcji innych izotopów. Projekt jednak zarzucono już 1954 roku [68]. Powrót do zainteresowania tego typu układami datuje się na przełom lat 70-tych i 80-tych. Wiązał się on z kryzysem ekonomicznym w tamtym okresie i towarzyszącym mu wzrostem cen paliw, w tym uranu. Spowodowało to zwiększenie zainteresowania użyciem toru jako paliwa jądrowego. Kluczową postacią dla powrotu zainteresowania tego typu reaktorami odpowiedzialny jest w dużej mierze Carlo Rubbia, który w 1993 roku wystąpił z propozycją układu nazwanego Energy Amplifier [69]. Układ ten zakładał użycie podkrytycznego reaktora zasilanego właśnie paliwem torowym oraz chłodzonego ołowiem [70]. Ze swoimi koncepcjami układów ADS wystąpili również Kazuro Furukawa w Japonii, układ nazwany THORIMSNES, oraz Charles D. Bowman w Stanach Zjednoczonych. Wszystkie te propozycje zakładały użycie toru jako paliwa [71]. Zestawienie wybranych wczesnych projektów układów ADS zostało przedstawione w Tabeli 4. Dopiero z czasem rozwój układów podkrytycznych sterowanych akceleratorem zaczął ewoluować w stronę wykorzystania ich do transmutacji wypalonego paliwa jądrowego.

Tabela 4. Zestawienie wczesnych projektów układów podkrytycznych sterowanych

akceleratorem [67]

Projekt Instytucja/kraj Zasadnicze cechy

Moc cieplna/ elektryczna [MW] Moc akceleratora [MW]

LAFER, APEX BNL/USA ^{LWR, paliwo Th/U}

lub U/Pu ^{- -}

PHOENIX BNL/USA

FR, paliwo U/Pu, keff=0,90

3600/1000 166

ATW/ADTT LANL/USA ^{MSR, paliwo Th/U,}

keff=0,95

6700/850 400

3000/1100 90

THORIMSNES JAERI/Japonia MSR, paliwo Th/U, - -

OMEGA JAERI/Japonia

MSFR, keff=0,85-0,95

690/- 34

EA CERN ^{LFR, paliwo Th/U,}

keff=0,98 ^{- -}

W tabeli można zauważyć, że w początkowym okresie rozważano szerokie spektrum technologii reaktorów do zastosowania w układach podkrytycznych. Można wśród nich znaleźć zarówno pracujące w termicznym, ja i prędkim spektrum neutronów. Część z wymienionych koncepcji dotyczy reaktorów MSR chłodzonych stopionymi solami. Różnorodność ta wynikała z faktu, że główną motywacją rozwoju układów podkrytycznych w tym okresie było zastosowanie toru jako paliwa jądrowego. Użycie spalacyjnego źródła neutronów miało umożliwić pracę reaktora, którego skład paliwa nie pozwalał na osiągnięcie krytyczności. Przynajmniej do momentu,

kiedy zostanie wyprodukowana odpowiednia ilość izotopu 233U. W okresie tym

zakładano również niższe nic obecnie współczynniki mnożenia neutronów w reaktorze. Wahały się one od 0,85 do 0,98. Obecnie najczęściej zakładane wartości mieszczą się

w przedziale keff=0,97-0,98. Powoduje to nie tylko zmniejszenie wymaganej mocy

akceleratora, ale także bardziej równomierny rozkład strumienia neutronów w rdzeniu, a co za tym idzie bardziej równomierne wypalanie paliwa [67].

Pomimo faktu, że w początkowych koncepcjach zakładano inne zastosowania układy podkrytyczne sterowane reaktorem w sposób szczególny nadają się do wypalania zużytego paliwa jądrowego, a w szczególności rzadkich aktynowców. Wynika to ze zwiększonego marginesu bezpieczeństwa takiego układu w porównaniu z reaktorami pracującymi w stanie krytycznym. Zostało to zilustrowane na Rysunku 17. Dlatego też obecne prace nad układami podkrytycznymi sterowanymi reaktorem zakładają użycie reaktora prędkiego chłodzonego ciekłym metalem. Wynika to ze wspominanego wcześniej korzystniejszego stosunku przekrojów czynnych na rozszczepienie i absorpcję neutronu w prędkim widmie neutronów, co z kolei korzystnie wpływa na bilans pomiędzy wypalanymi i tworzonymi aktynowcami.

Rys. 17. Margines bezpieczeństwa w układach podkrytycznych [3]

Jak już zostało wspomniane przy okazji omówienia transmutacji w reaktorach prędkich jednym z kluczowych parametrów bezpieczeństwa pracy reaktora jądrowego jest odległość od nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych. W przypadku reaktorów krytycznych jest ona zdeterminowana przez frakcję neutronów opóźnionych. Ta z kolei jest zależna od składu izotopowego paliwa. Spadek frakcji neutronów natychmiastowych w paliwie bogatym w rzadkie aktynowce jest jednym z głównych czynników ograniczających ich dopuszczalną zawartość w paliwie w reaktorach krytycznych. To z kolei niekorzystnie wpływa na ich zdolność do bezpiecznego wypalania transuranowców. W przypadku układów podkrytycznych zastosowanie

do nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych, ale również, co najważniejsze, uniezależnić go od składu izotopowego paliwa. Dzięki temu możliwe jest wypalanie paliwa o znacznie wyższej zawartości rzadkich aktynowców niż w reaktorach krytycznych przy jednoczesnym zwiększeniu marginesu bezpieczeństwa. Co bardzo istotne, zwiększony dystans do nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych powoduje również, że wpływ składu paliwa na inne parametry bezpieczeństwa, takie jak poszczególne współczynniki reaktywności, nie jest aż tak istotny.

Kolejną zaletą układów podkrytycznych starowanych akceleratorem z punktu widzenia bezpieczeństwa jest fakt, że możliwe jest awaryjne wyłączenie takiego reaktora poprzez wyłączenie wiązki protonów z akceleratora. Po wyłączeniu źródła neutronów reaktor taki wyłączy się bez potrzeby używania prętów kontrolnych. W przypadku np. utraty zasilania proces ten przebiegnie samoczynnie, a sytuacja, w której niemożliwe jest wyłączenie wiązki akceleratora jest praktycznie niemożliwa. Kolejnym elementem bezpieczeństwa charakterystycznym dla układów ADS jest Emergency Beam Dump Volume (EBDV). Urządzenie to jest zbiornikiem, który powinno zająć chłodziwo wskutek wzrostu temperatury dzięki swojej rozszerzalności cieplnej. Po zajęciu objętości zbiornika fizycznie przecinałoby drogę wiązki protonów do tarczy spalacyjnej powodując wyłączenie układu bez konieczności podejmowania żadnych akcji przez operatora [72]. Ponadto możliwe jest sterowanie mocą układu wyłącznie poprzez zmianę prądu protonów z akceleratora. Wymienione wyżej rozwiązania stanowiłyby doskonałe uzupełnienie klasycznych układów bezpieczeństwa i sterowania reaktorem opierających się na zastosowaniu prętów kontrolnych. Powoduje to, że obok ułatwień w sterowaniu pracą układu, bezpieczeństwo jego pracy jest znacznie wyższe niż w przypadku reaktorów krytycznych, nawet przy wypalaniu paliwa bogatego w rzadkie aktynowce.

Wymienione cechy powodują, że układy podkrytyczne są doskonałym narzędziem do wypalania transuranowców. Podobnie jak w przypadku krytycznych reaktorów prędkich umożliwiają one realizację zamkniętego cyklu paliwowego [5]. Schematy takich cykli, realizowanych w oparciu o układy podkrytyczne sterowane akceleratorem oraz reaktory prędkie, zostały przedstawione na Rysunkach 18 i 19.

Rys. 18. Schemat cyklu paliwowego z wykorzystaniem układów podkrytycznych

do transmutacji wypalonego paliwa [5]

Rys. 19. Schemat cyklu paliwowego z wykorzystaniem reaktorów prędkich i układów

Przedstawiony na Rysunku 18 schemat cyklu paliwowego zakłada,

że transmutacja wypalonego paliwa przeprowadzana jest wyłącznie w układach

podkrytycznych sterowanych akceleratorem. Strategia ta zakłada, że paliwo w reaktorach lekkowodnych będzie wypalane tylko jednokrotnie podobnie jak w strategii przedstawionej na Rysunku 12 zakładającej użycie do transmutacji krytycznych reaktorów prędkich. Większa dopuszczalna zawartość aktynowców w paliwie w układach ADS powoduje redukcję udziału reaktorów służących do transmutacji w całkowitej mocy zainstalowanej do 21,5% w porównaniu z 36,8% w przypadku krytycznych reaktorów prędkich. Użycie układów podkrytycznych umożliwia również zamknięcie cyklu paliwowego przy założeniu, że transmutacja wypalonego paliwa będzie się częściowo odbywać w reaktorach lekkowodnych poprzez wypalanie paliwa MOX. Rozwiązanie takie pozwoliłoby na dalszą redukcję udziału dedykowanych układów transmutacyjnych w parku reaktorowym do około 10% [5]. Cykl paliwowy przedstawiony na Rysunku 19 zakłada wykorzystanie do transmutacji zarówno układów podkrytycznych sterownych akceleratorem, krytycznych reaktorów prędkich, jaki i reaktorów lekkowodnych. W strategii tej wypalone paliwo uranowe z reaktorów LWR jest rozdzielane, a pochodzący z niego pluton zostaje ponownie wypalony w reaktorach lekkowodnych w postaci paliwa MOX. Wypalanie plutonu w reaktorach LWR wykonywane jest jednokrotnie, a kolejne cykle wypalania plutonu są już realizowane w reaktorach prędkich. Układy podkrytyczne są w tej strategii wykorzystywane jako układy dedykowane do wypalania rzadkich aktynowców powstających na wszystkich pozostałych etapach cyklu paliwowego.

Łączna ilość odpadów z grupy aktynowców w każdej z przedstawionych koncepcji zamkniętego cyklu paliwowego jest bardzo zbliżona. Wynosi ona około 2 kg/TWhe, z czego tylko około 100g przypada na pluton i rzadkie aktynowce. Dla porównania jednokrotne wypalanie paliwa UOX w reaktorach lekkowodnych powoduje powstawanie około 32 kg/TWhe samych transuranowców, w zdecydowanej większości plutonu [5]. Pozostałe powstające w cyklu paliwowym odpady to produkty rozszczepienia o stosunkowo krótkich czasach połowicznego rozpadu. Warto w tym miejscy zwrócić uwagę, że ostateczny wybór zastosowanej strategii transmutacyjnej zależeć będzie nie tylko od dostępności poszczególnych proponowanych technologii reaktorów służących do wypalania zużytego paliwa. Istotny będzie również czynnik ekonomiczny. Stąd też układy podkrytyczne sterowane akceleratorem wydają się

obiecującą technologią z uwagi na fakt, że ze względu na wyższy poziom bezpieczeństwa pracy mniejsza ich liczba jest wymagana do zamknięcia cyklu paliwowego. Nie można tutaj również pominąć faktu, iż wybór strategii transmutacyjnej będzie zależeć nie tylko od samej technologii wypalania paliwa. Równie istotne będą uwarunkowania techniczne i ekonomiczne wymaganego procesu przeróbki, rozdzielania i produkcji paliwa po poszczególnych etapach transmutacji.

Jak już wspomniano do tej pory nie powstał żaden przemysłowy układ podkrytyczny sterowany akceleratorem. Ich budowa uwarunkowana jest rozwojem potrzebnych do tego technologii. Oprócz obszarów badawczych typowych dla reaktorów prędkich rozwój ten musi obejmować szereg zagadnień specyficznych dla układów podkrytycznych. Przede wszystkim konieczny jest odpowiedni rozwój technologii akceleratorów. Budowa akceleratora o odpowiednich parametrach wiązki protonów, takich jak energia protonu i prąd wiązki, jest możliwa. Brany jest tutaj pod uwagę akcelerator liniowy LINAC. Natomiast zakładane parametry to energia protonu 0,6-1,5 GeV oraz prąd wiązki 20-50 mA [73]. Nierozwiązanym problemem pozostaje kwestia niezawodności takiego urządzenia, czyli częstotliwość występowania przypadków utraty wiązki. Nagła utrata wiązki wiąże się z nagłym wyłączeniem reaktora oraz koniecznością jego ponownego włączenia, co niesie za sobą występowanie naprężeń termicznych elementów konstrukcyjnych w rdzeniu. Ze względu na ich ograniczoną wytrzymałość konieczne jest ograniczenie ilości tego typu zdarzeń. Ponadto dłuższe przestoje w pracy akceleratora przekładają się na spadek dostępności całego urządzenia w sieci elektroenergetycznej. Za dopuszczalne częstotliwości występowania zaników wiązki uznaje się 20 000 zdarzeń na rok w przypadku zaników krótszych niż 10 sekund, 1000 zdarzeń/rok dla zaników trwających do 5 minut, oraz 50 zdarzeń/rok w przypadku utraty wiązki na okres dłuższy niż 5 minut [74]. Szacunki przeprowadzone na podstawie danych eksploatacyjnych działających akceleratorów pokazują, że charakteryzuje je wystarczająca niezawodność tylko w odniesieniu do najkrótszych z wymienionych okresów utraty wiązki. W przypadku okresów dłuższych niż 5 minut konieczne jest podniesienie niezawodności akceleratorów około 30 razy [74].

Kolejnym kluczowym obszarem w rozwoju technologii układów podkrytycznych jest źródło neutronów. Prototypowe urządzenie tego typu zostało zbudowane w Paul Scherrer Institute w Szwajcarii w ramach projektu MEGAPIE. Rolę tarczy spalacyjnej

pełniła w nim płynna eutektyka ołów-bizmut. Zasadniczym celem eksperymentów była ocena możliwości eksploatacji takiego źródła neutronów w dłuższej perspektywie czasowej. Głównymi obszarami zainteresowania było chłodzenie tarczy oraz ocena uszkodzeń radiacyjnych. Co istotne zastosowanie płynnej tarczy spalacyjnej umożliwiło uzyskanie wyższego strumienia neutronów niż w przypadku tarczy stałej [75].

Najbardziej zaawansowanym projektem rozwoju układów podkrytycznych sterowanych akceleratorem jest prowadzony w SKC-CEN w Belgii projekt MYRRHA. Projekt ten zakłada budowę pierwszego na świecie układu tego typu w skali półprzemysłowej w ośrodku badawczym SCK-CEN w Mol. Reaktor MYRRHA zostanie zbudowany w miejscu gdzie znajduje się obecnie działający od 1962 roku reaktor badawczy BR2. Przekrój reaktora przedstawiono na Rysunku 20. Będzie to reaktor typu basenowego, co jest typowym rozwiązaniem w przypadku reaktorów chłodzonych ciekłym metalem. Zasilany będzie paliwem typu MOX zawierającym od 30 do 35% plutonu. Jako chłodziwo zastosowana zostanie eutektyka ołów-bizmut ze względu na niską temperaturę topnienia. Ciekła eutektyka Pb-Bi zostanie również zastosowana jako tarcza spalacyjna. Elementem układu będzie akcelerator liniowy o energii protonów 600 MeV i prądzie wiązki 3,5 mA. Zakładana moc cieplna reaktora ma wynosić 50-100 MW. Co ciekawe układ MYRRHA ma mieć możliwość pracy zarówno w konfiguracji podkrytycznej, jako układ podkrytyczny sterowany akceleratorem, jak i w konfiguracji krytycznej, jako klasyczny reaktor prędki. Oddanie reaktora do użytku przewiduje się na 2025 rok [76, 77].

Podsumowując możliwości transmutacji w układach podkrytycznych sterowanych akceleratorem należy powiedzieć, że są najbardziej obiecującym rozwiązaniem kwestii wypalonego paliwa. Ich największą zaletą jest znaczące podniesienie bezpieczeństwa pracy układu przy jednoczesnym zwiększeniu zdolności do wypalania rzadkich aktynowców. W przypadku krytycznych reaktorów prędkich istnieje ograniczenie dopuszczalnej zawartości niektórych izotopów w paliwie ze względu na pogarszające się parametry bezpieczeństwa. Oferowany przez układy ADS zwiększony dystans do nadkrytyczności na neutronach natychmiastowych pozwala zachować odpowiedni poziom bezpieczeństwa niezależnie od składu izotopowego. Dlatego też, choć ich przemysłowe zastosowanie wymaga znaczącego rozwoju odpowiednich technologii, mogą one odegrać kluczową rolę w zamknięciu cyklu paliwowego, a zarazem rozwiązaniu kwestii długożyciowych odpadów promieniotwórczych generowanych przez energetykę jądrową.

Warto w tym miejscu wspomnieć o innym rodzaju układów podkrytycznych, a mianowicie o hybrydach synteza-rozszczepienie. Układ taki stanowiłby swojego rodzaju połączenie podkrytycznego reaktora rozszczepieniowego z reaktorem syntezy. Synteza jądrowa stanowiłaby zarazem zewnętrzne źródło neutronów dla części rozszczepieniowej takiego układu. Układ taki byłby bardzo wartościowym urządzeniem z punktu widzenia transmutacji wypalonego paliwa ze względu na właściwości neutronów pochodzących z reakcji syntezy jądrowej. Neutrony o energii 14 MeV

charakteryzuje bowiem bardzo korzystny stosunek przekrojów czynnych

na rozszczepienie i absorpcję. Czyniłoby to taki układ bardzo wydajnym narzędziem do wypalania wypalonego paliwa [78]. Zastosowanie układów tego typu to jednak zdecydowanie odleglejsza perspektywa czasowa niż w przypadku układów ADS. Wymagają one znacząco większego rozwoju technologicznego. Jednym z kluczowych zagadnień jest w tym przypadku bezpieczeństwo takiego układu. Ze względu na inną geometrię rdzenia konieczne jest tutaj wykluczenie możliwości wystąpienia nadkrytyczności układu wskutek rekonfiguracji rdzenia dla dowolnych sytuacji awaryjnych [79].