1

Åh, dette er altså såååå spennende! Som godeste (tidligere) kjernefysikerkollega Cecilie sa det: This is better than Christmas Eve!!! (Ja, hun hadde med tre utropstegn 😉 )

Husker dere årets Nobelpris, som handlet om gravitasjonsbølger? Vel, jeg har faktisk gått rundt med en liten plan for et innlegg som skulle handle om hva man kan bruke gravitasjonsbølger til, og nå har vi plutselig fått det ultimate eksempelet... Mandag ettermiddag ble det nemlig kjent at man har "sett" to nøytronstjerner som kræsjer, ved at man har sett gravitasjonsbølgene fra dette kræsjet (akkurat som at du kan se bølgene fra et stort skip, og man kan se at det er bølger som er fra akkurat et så og så stort skip, liksom).

Grunnen til at dette er stort er at endelig har man fått et klart bevis for for hvor og hvordan de tyngste grunnstoffene våre dannes: De siste 30 årene, ca, har man hatte en hypotese om at grunnstoffer som er tyngre enn jern (gull, feks, eller thorium, eller uran) lages når to nøytronstjerner kolliderer, men i lenge ble den hypotesen sett på som for usannsynlig. I løpet av de siste, kansje ti, årene har hypotesen om nøytronstjerner blitt sterkere og sterkere, men man har aldri sett at det har skjedd. Siden fysikk faktisk er et fag som handler om naturen og eksperimenter og observasjoner, så liker man jo helst å se ting, så det med nøytronstjernene har vært et stort spørsmål, og man har liksom hååååpet at man skulle få se det en dag. Og nå har altså dagen kommet ♥

Oppskriften på gull er enkel (sånn ingrediensmessig, i alle fall): Du trenger 79 protoner, og 118 nøytroner. Og selvsagt er utstyret veldig viktig her; for å for å få det til holder det ikke med noen vanlig stjerne, her må man på med noe skikkelig heftig, altså to nøytronstjerner som kræsjer sammen.

Når to nøytronstjerner kræsjer så bygges faktisk de tunge grunnstoffene med bare nøytroner først - litt som at du har bare hvite legoklosser også setter du dem sammen superfort, og mens du driver med det så blir fler og fler av dem til røde legoklosser, og til slutt så får du feks gull, med sine 79 protoner (røde legoklosser) og 118 nøytroner (hvite legoklosser). Måten nøytronene faktisk blir til proteoner skjer ved beta minus-henfall.

Karbonet i bildet over er superenkelt: Da trenger du bare 12 protoner og 12 nøytroner, og det kan lages i en helt vanlig stjerne, som solen vår (fineste solen, da ♥).

Så i vanskelighetsgrad vil jeg si at for gull - MEGET HØY, og karbon - MIDDELS til LAV.

Jeg syns jo denne oppdagelsen, eller observasjonen, er litt ekstra gøy siden dette var tema for prøveforelesningen min på disputasen, og der (en av) konklusjon(ene) var at de tyngste grunnstoffene antageligvis ikke lages i supernovaeksplosjoner (den gamle hypotesen), og at kolliderende nøytronstjer nå blir sett på som det mest sannsynlige fødestedet - men at man dessverre aldri hadde observert to nøytronstjerner som kræsjer... MEN NÅ HAR MAN ALTSÅ DET♥♥♥♥♥ (...og jeg slipper å føle meg dum over at jeg tok feil da jeg disputerte 😉 )

 

Med oppdagelsen av gravitasjosnbølger, altså årets nobelpris, hadde man et lite håp om at man skulle få se nøytronstjerner som kræsjet - hvis de fantes. Ofte tar sånt lang tid, men altså ikke denne gangen!


PS: Dette innlegget er på ingen måte en full forklaring av nøytronstjerner eller dannelse av tunge grunnstoffer, eller noenting, egentlig - still gjerne spørsmål hvis det er ting dere vil at jeg skal forklare nærmere ♥♥♥

Hi sweeties <3 Alexandra's been sick since Wednesday, poor girl, so I've spent most of the time taking care of her and comfort her. Therefore, again (!), this week's Friday Facts blogpost comes on a Sunday. Hope you understand...
This time I feel the need of giving you ten facts about my favourite particle - the neutron:

  1. neutrons are radioactive if they are "free" (alone, and not part of the nucleus of an atom)
  2. neutrons have no charge - they are neutral, and can therefore "sneak" into another nucleus, and for example make it fission 😀
  3. the recipe for a neutron is: 2 down quarks and 1 up quark (opposite to the proton that is made up of 2 ups and 1 down)
  4. the half-life of a (free) neutron is about 10.2 minutes, and then it turns into a proton, and electron, and an anti neutrino. Meaning it beta decays 😀
  5. the neutron was discovered by James Chadwick in 1932
  6. neutrons have a mass, which is almost equal to the proton, but the neutron is a little bit heavier. Actually the mass of the neutron is 1.674927471×10−27 kg (or 0.00000000000000000000000000164927471 kg), and that's the same as 2.5 electron masses (electrons weigh really little) more than a proton
  7. neutrons can make stuff radioactive - which is called neutron activation; so a normal, stable gold nucleus can for example be activated by a neutron and go from gold-197 (stable) into gold-198 (un stable) and then decay into mercury-198, which is stable
  8. you can't make a nucleus entirely out of neutrons - you have to have at least one proton too, and then you have deuteron, or heavy hydrogen
  9. number 8 is actually just sort of true; you can go to an extreme, and calculate how many neutrons you need to make a "nucleus" entirely out of neutrons (since neutrons have no charge, they don't repel each other, like protons do, but they don't stick together either - a little bit like two pieces of paper; if you put them together they will just fall apart), and since they do have a mass they will attract each other because of gravity between them. This means that if you have enough neutrons, you will make something that won't just fall apart; and that number is . Not exactly nuclear size...:P (Read more about that HERE)
  10. when neutrons hit you, they will give you a dose that is dependant on their energy. The highest dose from a neutron comes when it has an energy of 1 million electron volts. If the neutron has lower or higher energy, the dose from it will be lower. 

For some reason I imagine neutrons to be white 😛 How do you imagine the neutron to look?

2

Today I just wanted to tell you a little bit about neutrons, and why I think they're the coolest. You know, in a way they're like a Chanel purse - classical, and never out of style 😉
speaking of Chanel: I've been thinking that I should buy a black Chanel purse as a gift for my self when I have finished my PhD, but maybe I should consider the pink one instead...?
So here are my ten reasons why I think neutrons are really cool:
  1. Neutrons have no charge
  2. They decide if an atom is stable or radioactive
  3. A single neutron can sneak its way into a nucleus and make fission <3
  4. It's an unstable particle with a half life of a little bit more than 10 minutes
  5. I sort of envision them as white dots, or tiny billiard balls...
  6. A free neutron turns into hydrogen (meaning that the neutron is actually a radioactive particle - radioactivity is just soooo fascinating 😀 )
  7. Neutrons are the "flame" in the fuel of a nuclear reactor
  8. Neutrons gives different doses (of radiation) depending on their  energy 
  9. You can make a neutron from a proton and a proton from a neutron (almost sounds like witchcraft, or something)
  10. If neutrons have the right energy, they can do quite a lot of damage - but you can just use normal water as a shield, and you're fine 😉
I just love them - neutrons are without doubt my favorite. They're fabulous ✨

Do you have a favorite particle?

-------------------------------------------------

PS: I am working on Question of the month (which is actually not a nuclear physics one this first time) - the plan was to publish it yesterday, but since I (unfortunately? 😛 ) have another job than just being a blogger, I haven't been able to finish it yet , and I'm really sorry :/ However, I'm still inside my own "limits", since I said it would come this week, and even though it's Friday, it's not the end of the week just yet 😉

Today it´s 83 years since Chadwick´s paper in Nature: Possible Existence of a Neutron, where he predicted that there had to be a neutral particle (neutron <3<3<3) in the atomic nucleus, in addition to the proton.

"Up to the present, all the evidence is in favour of the neutron, while the quantum hypothesis can only be upheld if the conservation of energy and momentum be relinquished at some point."

He was right, of course, and in May the same year he had another paper in Nature - The Existence of a Neutron - and he got the nobel prize in physics in 1935 for the discovery of the neutron. 

You can read the entire thing (which is only one page) HERE 🙂

Einstein versus Chadwick.
E=mc2 versus the neutron.
1905 versus 1932.


I´m trying to decide on which paper I should present in the Article club in two weeks. I´ve "claimed" both Einsteins "Does the inertia of a body depend upon its energy-content?" (energy equals mass times the speed of light squared) and Chadwicks "Possible existence of a neutron" (the discovery of the neutron). Both papers are short and sweet (except I don´t believe they really are sweet, they just look like it 😉 ), both really basic and important for my field of science...
Which paper is cooler? 
I must admit I get the feeling I like Chadwicks paper a liiiiitle bit more than Einsteins - but I´m not sure yet.
Which paper is YOUR favourite?

Hei fine <3
Denne dagen har dessverre nesten vært litt bortkastet, siden jeg var på veldig hyggelig sankthansfeiring i går, og var så dum at jeg ikke var hjemme og i seng før ca halv fire på morgenen - og klokken seks ringte vekkerklokken. Jeg måtte bare tidlig opp fordi jeg hadde ting som måtte ordnes tidlig på dagen, men dette ble selvsagt altfor altfor lite søvn for meg...:/
Så etter å ha kommet meg på Blindern, og fått gjort de tingene jeg var nødt til å gjøre, var jeg bare helt svimmel og rar, og klarte ikke tenke så veldig fornuftig...så da dro jeg rett og slett og trente (skulle hente Alexandra i barnehagen klokken 16, så turte ikke å ta en power nap). Det føltes i alle fall veldig godt for samvittigheten med den treningsøkten - men det var fryktelig tungt 😛
Dagens daffe-outfit - eneste positive var at jeg kunne gå rett på trening; måtte bare plukke med meg joggeskoene mine 🙂
Etter å ha trent var det bare å komme seg tilbake på Blindern, og i barnehagen for å plukke opp Alexandra, så henge med henne fram til hun ble hentet videre, og da dro jeg hjem igjen og la meg nedpå - og sov i to timer 😛 Nå har jeg kommet meg opp igjen, og har spist litt (var flink og laget meg laks med brekkbønner), men jeg er jo helt susete i hodet, og det skal bli veldig deilig å legge seg om ikke så altfor lenge 🙂
Men før jeg kan ta kvelden så er det jo oppskriftsmandag: tenkte ikke å dele en oppskrift akkurat, men en metode, eller prosess, som kan være kjekk å kunne - hvis du skal lage de tunge, nøytronrike isotoper. Og det hender jo at man vil det, ikke sant 😉 
Denne prosessen kalles r-prosessen, og det står for "rapid process" - det er altså noe som skjer fort, da, liksom.
Du trenger:
  • jern, eller noe tyngre
  • supernovaeksplosjon for å få masse nøytroner, skikkelig fort
Saken er nemlig den at opp til jern-56 så trenger du ikke denne metoden, men for å lage tyngre stoffer (og det må vi jo liksom, for at den sammensetningen av grunnstoffer som faktisk er, skal være) så trenger du raske nøytroninnfangninger...(rapid neutron capture).
Så det som skjer, da, er at den atomkjernen du starter med - feks jern - fanger inn et nøytron, så blir den radioaktiv og vil sende ut betastråling; som gjør at den blir til et grunnstoff som har ett mer proton i kjernen sin (feks så vil jern, som har 26 protoner i kjernen bli til kobolt, som har 27 protoner i kjernen, hvis den sender ut beta minus-stråling); så man kan altså lage tyngre grunnstoffer ved å kaste nøytroner på et stoff og la det sende ut beta minus-stråling (for da gjør jo liksom atomkjernen om et nøytron til et proton istedetfor). 
Saken er den at når et stoff får dette nøytronet på seg, så kan det bli til en isotop som har veldig kort halveringstid, slik at den sender ut betastrålingen veldig fort - før den rekker å ta opp et nøytron til, slik at det kunne bli til en nøytronrik isotop. Derfor trenger man masse masse nøytroner som kommer skikkelig fort, slik at kjernen kan fange inn ett nøytron, så ett nøytron til, og ett til, også videre - før den rekker å sende ut betastråling. Og på den måten kan man få laget sånne atomkjerner som har masse overskudd av nøytroner, pluss at det er sånn man kan lage de skikkelig tunge grunnstoffene våre, da 🙂
Som man ser på det nederste bildet så er det andre metoder en r-process og - så dette er bare én mulighet...men det er veldig greit å holde seg til én metode av gangen, syns dere ikke 😉

Og sånn beveger man seg oppover nuklidekartet <3

4

God mandag fiiineste <3

I dag tenkte jeg å dele oppskriften på helt NATURLIG helium med dere, for som alle vet så er NATURLIG myyyye bedre enn KUNSTIG. Og helium er jo så fint, for hvordan skulle vi ellers kunne få pipestemme? 😉

Du trenger:

  • Hydrogen/protoner (se oppskrift her); 4 per heliumkjerne
  • En stjerne (ikke sånn stor som Justin Bieber eller Justin Timberlake, men en liten stjerne sånn som feks solen - den kan være litt mindre, eller en del større)
  • Ca 4 millioner grader (Kelvin)

Du gjør:

Egentlig gjør du ingenting, for stjernen/solen gjør jo arbeidet for deg, liksom, men altså først så må to hydrogenkjerner smelte sammen til døyterium (dvs at den ene hydrogenkjernen/protonet blir til et nøytron i prosessen, siden et døytron består av ett proton og ett nøytron). 
Dette må skje to ganger, slik at du har to døytroner.
Videre må hvert døytron absorbere ett proton/hydrogenkjerne - du har nå fått helium-3, men vi er ikke ferdige ennå, for vi vil jo ha "vanlig" helium-4 😉
Hvis du har fått til å lage to helium-3-kjerner av de to døytronene dine nå så er du klar for siste steg: de to helium-3-kjernene (som hver altså består av 2 protoner og ett nøytron) reagerer med hverandre, og i prosessen med å smelte sammen blir to protoner skjøvet ut, og du sitter igjen med en helium-4-kjerne (2 protoner og 2 nøytroner) pluss to ekstra protoner/hydrogenkjerner :DDD

Dette kalles for proton-proton chain reaction sequence <3

Lykke til!

Er det mulig? Det var 70-årsjubileum for Chicago Pile no 1 på søndag, og det gikk meg bare hus forbi *flau*!
Uansett, søndag den 2. desember var det altså 70 år siden verdens første  kontrollerte og selvdrevne kjernefysiske kjedereaksjon  😀
Aftenposten skriver bla:

En dødelig halssvulst, en bordplate av tre og et italiensk geni er sentrale stikkord når man skal beskrive forløpet til atombomben og den første kontrollerte kjernefysiske kjedereaksjon. I dag er det 70 år siden.

Må bare dele denne, for den er godt skrevet, og ikke minst edruelig - noe som ikke er så veldig vanlig akkurat når det kommer til denne typen saker (atomer og sånn er skumle saker, vet dere 😛 ). Så litt ekstra kred, og takk for fin sak, til journalist Cato Guhnfeldt <3 Anbefaler virkelig alle å lese, altså!
Jeg kan bare tenke meg den ekstreme spenningen Fermi, Oppenheimer og resten av gutta må ha følt da de sto der med uran/grafitt-haugen sin og dro ut nøytronabsorberende kadmiumstaver en etter en, i håp om å få til en kontrollert (NB! NB!) kjedereaksjon - også greide de detl...!

Så - før lunsj 2. desember 1942 - med nettopp 57 av lagene på plass, trakk de alle kontrollstavene ut bortsett fra en uten at noe skjedde. Da de kom tilbake etter lunsj, ble den siste staven trukket veldig forsiktig ut. Da den var nesten ute (klokken 15.20), ble massen kritisk. For hver atomspaltning fikk man to-tre nye nøytroner hvorav minst ett spaltet neste atom osv. Prosessen ble selvdreven.

Eksperimentet innledet en ny tidsalder når det gjaldt energi og kjernefysikk. Veien lå åpen for å utnytte de enorme kreftene «låst inne i» atomkjernene, som på sikt skulle gi verden både atombomben og atomkraftverk, så vel som atomdrevne skip og undervannsbåter.


Helt til slutt: tre tullebilder av Alexandra og meg - som var tidlig hjemme i dag fordi Alexnadra ble så forkjølet og slapp i barnhagen i dag, stakkars:/ 
Hun kunne sikkert hatt godt av en dag hjemme i morgen, men jeg er bare absolutt nødt til å ha en laaaang lesedag i morgen, så det er ikke mulig med mindre hun er skikkelig dårlig (ja, en sånn mor er jeg, jeg brukte en variant av Ferbers metode på henne og).

7

Syykt mye å gjøre om dagen - er på syklotronen omtrent døgnet rundt, og har også endelig kommet i gang med nye reaktorsimuleringer<3 (disse står og kjører as we speak!) Det eneste som er kjipt er selvsagt at jeg ikke har tid til å skrive noe her, men nå måå jeg bare...er på høy tid å skrive litt basics om kjernekraft - eller verdens største vannkoker, som jeg liker å kalle det;)

Vannkoker! Men ikke verdens største - helt normal, tror jeg...
For det er nesten litt trist for en kjernefysiker, at det skjer sååå mye supersexy fysikk i reaktorbrenselet, mens til syvende og sist så KOKER VI VANN...! Eller, altså, egentlig fins det mange forskjellige reaktortyper, men de aller fleste av dem er trykkvannsreaktorer (PWR) eller kokvannsreaktorer (BWR), og begge disse varmer opp vann.

Trykkvannsreaktor <3

Såh, det som skjer inne i reaktoren er at man har brensel (som er laget av uran, eller uran+plutonium, eller uran+thorium, feks) og dette brenselet vil fisjonere pga alle de superfine nøytronene <3 som  bare spretter rundt, også produseres det varme. Mellom brenselet (reaktorkjernen er bygget opp av flere tusen veldig tynne brenselsstaver, kanskje en centimeter i diameter og 4 meter lange) strømmer det vann, og dette vannet blir jo selvfølgelig varmet opp når det beveger seg mellom de fisjonerende brenselsstavene. Vannet er altså kjølemiddel i reaktoren, men det er ikke så veldig kjølig allikvel, da, det er noen hundre grader, liksom...(men det skal det være, altså, for dette er "kjølig" i forhold til hva det ville ha vært hvis det ikke var noe vann der til å transportere bort varmen).
Altså: uranet fisjonerer og produserer varme, vannet strømmer forbi og varmes opp/transporterer varmen vekk (det er dette vi ser innerst på tegningen av trykkvannsreaktoren, der det står "Hot water"), dette varme vannet går i et rør gjennom der det står "Steam generator" slik at dette vannet varmes opp og blir til damp, og denne dampen driver turbinen som produserer strøm. Helt til slutt kjøles denne dampen ned der det står "Condenser" slik at det har lavere temperatur når det går inn til "Steam generator" igjen. Slik holdes dermed reaktoren "kjølig":)
Men vannet gjør en annen SUPERVIKTIG jobb også, for den forandrer nemlig energien til nøytronene - eller MODERERER dem, fra masse energi når de kommer fra en fisjon til ganske lite energi; liksom litt sånn "fysj, nå syns jeg du var veldig energisk, moderer deg!" . Og dette er på en måte ganske magisk: det er nemlig sånn at hvis nøytronene har lite energi så har de veldig lett for å gjøre at urankjernen fisjonerer, mens hvis de har mye energi så skjer fisjon mye sjeldnere. Vannet er sånn at jo "kjøligere" det er, jo mer moderer de nøytronene, og hvis det blir varmere så moderer de dårligere. Dette betyr jo faktisk at hvis det plutselig skjer flere fisjoner så vil varmen øke, og når varmen øker så moderes nøytronene mye dårligere, og når nøytronene modereres dårligere så skjer det færre fisjoner. Med andre ord så vil kjedereaksjonen kontrollere seg selv, og den kan ikke løpe løpsk, for den har et PASSIVT SIKKERHETSSYSTEM (som er avhengig av fysikkens lover, og de forandrer seg jo liskom ikke sånn helt plutelig) - smart, ikke sant?

Ok, det var det for i kveld. Håper det ikke var helt uforståelig? 
Nå er snartkveldsvakten over og da kan jeg endelig kjøre hjem og hive meg i seng. Det blir deilig, for nå er jeg ganske sliten...
God natt alle sammen:)

Tenkte dere kanskje kunne være litt interessert (ihvertfall noen av dere?) i hva jeg egentlig 

 holder på med på Blindern;) Så special for you: om en mulighet med thorium i kjernekraftverk - på en måte slik at vi ikke trenger å utvikle en ny reaktor (som koster MYE, og er flere tiår inn i fremtiden, dessverre).

Bare for å understreke: jeg mener ikke at vi ikke skal forske på å utvikle ny reaktorteknologi, altså, men jeg syns det er spennende å se hva vi kan få til per i dag, med den teknologi som vi faktisk har. På samme måte som at jeg ikke mener vi ikke skal forske på solceller - men solcellene er heller ikke gode nok i dag til å konkurrere med den energien vi kan produsere med kjernekraft. Ja, takk! Begge deler!
Enjoy!
The multi-recycling of innovative uranium/thorium oxide fuels for use in the European Pressurized water Reactor (EPR) has been investigated. If increasing quantities of 238U, the fertile isotope in standard UO2 fuel, are replaced by 232Th, then a greater yield of new fissile material (233U) is produced during the cycle than would otherwise be the case. This leads to economies of natural uranium of around 45% if the uranium in the spent fuel is multi-recycled. In addition we show that waste radio-toxicities and decay heats are up to a factor of 20 lower after 103 years. Two innovative fuel types named S90 and S20, ThO2 mixed with 90% and 20% enriched UO2 respectively, are compared as an alternative to standard uranium oxide (UOX) and uranium/plutonium mixed oxide (MOX) fuels at the longest EPR fuel discharge burn-ups of 65 GWd/t. Fissile and waste inventories are examined, waste radio-toxicities and decay heats are extracted.

1 Introduction
Thorium is a fertile material that can easily be transformed into fissile 233U by thermal neutron capture. 233U does not exist in nature but is an excellent fissile material which has a higher η (2.3), the number of neutrons emitted per neutron absorbed, than the analogous fissile plutonium isotopes 239, 241Pu (1.7, 2.1) from the U/Pu cycle. This implies that the yield of new fissile material in fuels containing fertile 232Th will always be greater than for those containing fertile 238U, assuming a thermal neutron spectrum. Furthermore, the neutron capture/fission ratio of 233U (0.11) is lower than that of 239Pu (0.55) and five successive neutron captures on fertile 232Th are required to produce a trans-uranium element (TRU), while only one is necessary for fertile 238U. Therefore, production rates for the TRU’s, the major long-lived nuclear waste components will be much lower if 238U is replaced with 232Th.

We focus here on the EPR reactor and examine the consequences of removing significant quantities of fertile 238U from conventional UOX fuel and replacing it with fertile 232Th. This is achieved by blending thorium with uranium enriched to higher content of fissile 235U than the typical 4% needed for PWRs. We examine two new types of innovative fuel for the EPR, S20, a mixture of 20% enriched UO2 and ThO2, and S90, a mixture of 90% enriched UO2 and ThO2, and compare with conventional UOX fuel and MOX fuel fabricated from the plutonium recovered in spent UOX reprocessing.

The EPR is a Generation III + PWR concept, which is an evolutionary design rather than revolutionary and based on proven pressurized water technology - currently the most widely used worldwide.

In theory, light water reactors (LWRs) with a thermal neutron spectrum using 233U/232Th fuels can breed self-sustaining amounts of new fissile material since 2.3 neutrons are available per neutron absorbed, and indeed breeding was proven in the Shippingport Light Water Breeder Reactor [1]. However, for a light water power reactor with realistically long cycle lengths there will be significant losses of neutrons to captures on the hydrogen in the water coolant, the fission products, the control poisons, the 233Pa intermediate thorium cycle nucleus and the structural materials, and thus the breeding ratio will be less than unity and breeding will be impossible. For breeding ratios of less than one, the thorium cycle will not be self-sustaining and the reactor will be dependent on a supply of some fissile material from the uranium cycle – either new fissile 235U or 239,241Pu.

Concepts
dedicated exclusively as thorium cycle breeder reactors have been suggested, e.g. the Thorium Molten Salt Reactor [2] and the use of thorium in sodium critical reactors [3], or in subcritical accelerator driven systems [4-6]. However, these technologies are very different from current power reactor designs and cannot use existing cycle infrastructure. A large amount of research and development is needed for these systems and thus commercial power production could be decades into the future. Since LWRs comprise around 80% of the world fleet of operating plants, the fastest way to explore the potential of thorium is through the use of innovative solid fuels in the existing infrastructure of operating plants.

The once through cycle (OTC) is the cheapest fuel cycle in the short term. However, the potential energy content of the residual fissile and fertile isotopes is lost, and the OTC also gives the largest possible volume of high-level waste. The potential energy content of the spent fuel provides an incentive to recover the fissile isotopes. Fuel recycling also reduces the mass of high-level waste and the time of high radio-toxicity of waste, thus reducing the requirements for both the number of repositories and the duration of geological storage. The goal of the present work is to examine thoriated fuels as an alternative to present MOX recycled fuels that should provide greater economy of uranium resources and lower waste inventories.
2 EPR simulations with the MURE code
An EPR assembly based on a 17 × 17 lattice was modeled using MURE (MCNP Utilities for Reactor Evolution), based on the Monte-Carlo neutron transport code MCNP5 [7]. MURE is a precision research code that has been developed jointly at the Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO) and the Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (LPSC) of Grenoble [8]. MURE performs calculations of the time-evolution of reactor fuels with full 3D geometry. Consecutive MCNP calculations are performed to determine reaction rates and deduce core material evolution over time at a constant reactor power by solving the set of coupled differential equations for the production and destruction of isotopes.
Fig.  1. Cross section of the simulated EPR assembly

The EPR simulations presented in here are based on a single, homogeneous, core-equivalent assembly placed as an infinite lattice in the radial direction, but with axial leaks permitted. This assembly consists of 265 fuel pins of 0.475 cm outer radius with a M5 Zircaloy cladding of 0.57 mm thickness, and 24 guide tubes of radius 0.616 cm for insertion of control rods (see Figure 1). The fuel pins have homogeneous mixtures of UO2 and ThO2.

For any proposed innovative fuel types to be economically viable they must be able to compete with UOX fuels at the longest burn-ups, therefore only realistically long discharge burn-ups were studied.  The EPR is designed to achieve long burn-ups of 70 GWd/t, which is longer than current PWR’s (typically 50–55 GWd/t). Therefore, for the present studies discharge burn-ups of 65 GWd/t were simulated.

To compensate the excess reactivity present after reloading points in the cycle, sufficient quantities of boric acid were added to the water coolant in the assembly. A fuel manag
ement scheme based on the use of three batches per cycle was used as is standard for operation of current PWR’s. Simulation of the full cycle required around 70 consecutive MCNP calculations. The burn-up step lengths were chosen as 5 h, 21 h, 3 days, 9 days and then repeated steps of 28 days to allow more frequent calculation of the fuel composition after startup where isotope concentrations are changing the most rapidly.

Initial uranium/thorium molar proportions for the fuels were found from fits to proportion vs maximum cycle length curves obtained from several fuel burn-up calculations at varying initial concentrations. The plutonium vector of the MOX fuel is taken to be the plutonium vector at discharge from the UOX fuel (containing 67% fissile material) minus the losses of 241Pu, some of which decays to 241Am during the 5 year cooling period.

The UOX, S20 and S90 fuel types contain similar quantities of initial fissile 235U, although the thorium content varies considerably. The S20 and S90 fuels initially require more separative work units (SWU) and slightly more natural uranium, but this initial investment is repaid after the fuel is reprocessed, where the spent fuel will have a much higher recoverable fissile content. After discharge, the spent fuel was allowed to cool for 5 years before reprocessing and fabrication of new fuel. For the S20 and S90 multi-recycled fuels, the new fuel contains the uranium recovered from reprocessing the spent fuel and some fresh enriched uranium to compensate for the loss of fissile material during the irradiation. The recycled uranium will contain not only 235U and 238U, but also all other long-lived uranium isotopes: 232U, 233U, 234U and 236U. Due to the activity of the fuel, remote control of the operations is necessary, since the reprocessed uranium is made difficult to handle by the decay of 232U (t1/2 = 69 years), which emits a high-energy (2.6 MeV) gamma ray at the end of its decay chain. 232U is produced in small quantities in thorium-based fuels by 233U(n, 2n) → 232U, or 232Th(n, 2n) → 231Th(β-) → 231Pa(n, γ) → 232U.

Figure 2 shows a schematic diagram of the multi-recycling of the thoriated fuels. UO2, enriched at either 20% or 90% 235U, is mixed with ThO2 for fuel fabrication. The waste stream contains the TRUs along with the fission products (FP). The spent fuel is reprocessed and the recovered uranium and thorium are used to fabricate new fuel. 

Fig. 2.  The multi-recycling scheme for the S90 and S20 fuels.

 

3 Evolution of UOX, MOX, S20 and S90 fuels
There is a substantially higher fissile concentration (233U and 235U) in the uranium vector from the S90 fuel than the S20 fuel, where the majority of the uranium is 238U. The initial and final inventories of 235U are very similar for all three cases; however, for UOX, the remaining fissile 235U is not re-used in any significant quantities in current reactors since it requires re-enrichment. This would not be the case for the S90 and S20 fuels where the goal is to exploit the energy contained in the fissile uranium isotopes by multi-recycling the fuel.

                The major long-lived waste production processes in the S90 and S20 fuels are the 235U(n, γ) → 236U(n, γ) → 237U(β-) → 237Np (2.1 × 106 y) and 232Th(n, 2n) → 231Th(β-) → 231Pa (3.3 × 104 y).  The  quantities of plutonium, americium and curium produced with the S90 and S20 fuel are roughly factors of around 15 and 3 less respectively. 

Fig. 3.  Decay heat of the waste streams from the different fuel types for spent fuel in open cycle from a full EPR core

 

3.1 Once through cycle
Figure 3 shows the decay heat for the UOX, S20 and S90 fuels in open cycle from the entire EPR core. The thoriated fuels gain at 103 years, due to the low rates of production of plutonium, americium and curium isotopes, but lose over periods around 105 years due to the un-recovered uranium (mainly the 233U and 234U isotopes at this time scale). The conclusion is that without multi-recycling there is little to be gained from using thoriated fuels.
3.2 Recycling the uranium

Fig. 4.  Evolution of the uranium vector for the S90 fuel over three complete cycles with discharge burn-ups of 65 GW/t. The small additional amount of 233U available after each cycle comes from the decay of 233Pa.

Figure 4 shows the evolution of the S90 fuel uranium vector composition during three irradiation cycles of 65 GWd/t. New enriched uranium (90% in this case) is added at each reloading to  compensate for the loss of fissile material during the irradiation. The core inventory of 233U is seen to stabilize very quickly at around 2200 kg. However, the non-fissile uranium isotopes continue to accumulate with each cycle and the uranium vector does not reach equilibrium until after around seven or eight cycles. The same is true for the S20 fuel, and thus the fuel performance of the thoriated fuels degrades slightly with each re-cycle in two ways: (1) slightly more enriched uranium needs to be added at each reloading to compensate for the absorption of neutrons on the non-fissile uranium isotopes and (2) the inventory of TRU’s at discharge will increase slightly after each re-cycle. The total amount of uranium needed at each re-loading is thus approximately half of that which was required at the initial loading thus economizing significantly on natural uranium needs for the rest of the life of the reactor if the multi-recycling is continued.

Fig. 5.  Decay heat of the waste streams from the different fuel types for spent fuel from a full EPR core after the first irradiation of 65 GWd/t. Uranium is recycled in the thorium fuel cases

 

If uranium recycling is performed then the decay heat and radio-toxicities of the S20 and S90 spent fuels will be much lower (see Figure 5), since the uranium is kept in the cycle and does not enter the waste stream. After 1000 years the radio-toxicity and the decay heat production for the S90 fuel is approximately 20 times less than the UOX – a very large reduction.  The UOX + MOX curve shows the combined decay heat of the UOX fuel without the plutonium and the resulting MOX spent fuel. This mono-recycling option, which is in widespread use in Europe and Japan, offers a 30% reduction in waste radio-toxicity and decay heat as compared to OTC, after 1000 years and provides an additional 13.7% more energy at the long burn-ups of 65 GWd/t studied here.
3.3 Proliferation
The current internationally accepted enrichment limit for uranium is 20%, so it would be possible to use the S20 fuel in a commercial power rector such as the EPR. However, the S90 fuel would probably be ruled out due to proliferation concerns. Nevertheless, the S90 fuel could be presented as a means of rendering safe weapons grade uranium from decommissioned nuclear warheads in a similar manner to the Megatons-to-Megawatts™ program.

        However, the thoriated fuels do have one major anti-proliferation advantage in that the spent fuels at discharge are exceptionally proliferation resistant. It is practically impossible to manufacture a 233U-based weapon in the presence of 232U contamination. Illegal transportation of recycled uranium would also be more difficult, and be very easy to discover due to the penetrating 2.6 MeV gamma rays.

3.4  Economics

Commercial reactors are operating with recycled plutonium in Western Europe, but uranium is not being recycled significantly because of the currently low cost of fresh uranium. With the thoriated fuels uranium recycling is an absolute necessity for economic viability. For the initial loading of the EPR with the S20 and S90 fuels, approximately 35% more SWUs and slightly more natural uranium is needed. However, once thoriated fuel multi-recycling is performed this initial investment is repaid by the recovery of significant quantities of fissile 233U and 235U, and for the remainder of the reactor’s life the SWU and natural uranium needs will be reduced by factors of approximately 25% and 45% respectively when compared to standard UOX fuel.
4 Conclusions
Thorium can be used as the fertile material in EPR fuels if there is an extra supply of neutrons – in this case uranium of between 20% and 90% enrichment. The thorium fuel cycle in the EPR could be one method of creating a more sustainable nuclear power leading to a significant economy of uranium resources and large reduction in volumes of long-lived radioactive waste produced. However, the thoriated fuels require multi-recycling of the uranium to recover the useful fissile material (233U and 235U), which requires specially adapted reprocessing technology. Nevertheless, this is a realistic, potentially economically viable option that does not dependent on huge leaps in technological progress and/or the successful demonstration/construction of radically innovative reactor designs, and could therefore be implemented rapidly if desired.
References
1.       J.C. Clayton, The Shippingport Pressurized Water Reactor and Light Water Breeder Reactor. Technical Report (1993)
2.       L. Mathieu, et al., Nuclear Energy 48, pp. 664–679 (2006)
3.       J. Brizi, et al., Proceedings of Global 2009 International Conference GLOBAL 2009. The Nuclear Fuel Cycle: Sustainable Options and Industrial Perspectives (Paris, France, 2009)
4.       C. Rubbia, et al., Conceptual Design of a Fast Neutron Operated High Power Energy Amplifier, European Organization for Nuclear Research, Geneva (1995)
5.       S. David, et al. Nuclear Instrumentation and Methods in Physics Research A,  443  pp. 510–530 (2000)
6.       Adonai Herrera-Martinez, Yacine Kadi, Geoffrey Parks, Marcus Dahlfors, Annals of Nuclear Energy 34, pp. 564–578 (2007)
7.       T.E. Booth, F.B. Brown, J.S. Bull, et al., MCNP5 1.50 Release Notes. LA-UR-08-2300, Los Alamos National Laboratory Report (2005).
8.       O. Méplan, et al., ENC Proceedings (Versailles, France, 11–14 December, 2005)