Greia med thorium, DEL III

Hei onsdag og siste arbiedsdag før det er påskeferie for alle (ok, ikke absolutt alle, da, jeg vet det er noen som må være på jobb når det er helligdager også - og takk til dere som gjør sånne jobber for det!). I morgen er det ett år siden disputas, og dette bildet dukket opp i FB-feeden min i dag...den følelsen jeg hadde for akkurat ett år siden, den var virkelig ikke god, altså 😛

Men nå vet jeg jo at det gikk ganske bra ("She fought well", står det blant annet i rapporten om disputasen, så det er jo ikke så aller verst), og som kjent så markerer jeg dette jubileet denne påsken med føljetong av deler av avhandlingen. DEL I ligger her, og DEL II ligger her, og i dag er det altså klart for DEL III:

Brenselssyklusen

Generelt så starter brenselssyklusen til et kjernekraftverk (ofte bare "fuel cycle" eller brenselssyklus) med utvinning av brenselsmaterialene (uran, thorium), og slutter med endelig deponering av avfall. Målet er å få så mye energi som mulig ut av materialet, innenfor grensene man har satt for at kjernekraftverkene skal drives sikkert.

Det er to hovedstrategier for brenselssyklusen:

1. Once thorugh cycle ("en gang igjennom"-syklus), der man anser brukt brensel som avfall, etter at det har vært inne i reaktoren. Denne varianten er den mest økonomiske så lenge uran som råvare er billig og lett tilgjengelig. På den annen side så får man produsert mest avfall på denne måten, enn med den andre strategien.
2. Reprossesering og closing the fuel cycle (lukke brenselssyklusen). Med denne strategien blir brukt brensel sett på som en ressurs, som man resirkulerer. Denne brenselssyklusen produserer minre avfall enn den første strategien, men den er dyrere på kort sikt, så lenge uran er en rimelig ressurs. Dessuten kan denne syklusen få folk til å bli bekymret for våpenproduskjon. Reprossesering kan gjøre én gang (det er standardvalget for uran/plutonium-brenselssyklusen, i de landene som faktisk reprossereser), eller flere ganger (som det som presenteres i den første artikkelen). Det ultimate målet er å produsere mer nytt spaltabrt material i løpet av syklusen, enn den som brukes.

Fra et kjernefysisk perspektiv (og fokuset i denne avhandlingen) er den mest "interessante" delen av brenselssyklusen er fysikken i de komplekse, kjernefysiske prosessene som skjer i reaktorkjenrnen - som inkluder et stor antall kjernefysiske reaksjoner og henfall.

Nøytronbudsjettet

Nøytronene driver kjedereakjsonen, og er dessuten ansvarlige for å transformere fertilt materiale til fissilt materiale - noe som er helt grunnelggende viktig for  thorium-brenselssyklusen, der det faktisk ikke fins noen fissil isotop. Nytronbudsjettet er dermed svært viktig for hvordan reaktoren oppfører seg. I fisjonsprosessen blir det i gjennosmnitt frigjort mer enn ett nøytron. Det betyr at dersom tapet av nøytroner til moderator, materiale i strukturene rundt, og brenselet selv (etc) ikke er for stort, burde det være nok nøytroner tilgjengelig til å transformere fertilt materiale (thorium-232 - thorium-brenselssyklus, uran-238 - uran-brenselssyklus) til fissilt material (uran-233 -thorium-brenselssyklus, plutonium-239 - uran-brenselssyklus), i tillegg til det ene nøytronet som trengs for å holde kjedereaksjonen gående. Et mål på hvor bra dette skjer i brenselet er breeding ratio, som er raten fissilt materiale produseres delt på raten det brukes. Hvis en reaktor lager mer fissilt materiale, fra det fertiel, enn det den bruker, sier man at reakoren "avler" (breeding).

Hvis 2 nøytroner blir frigitt per fisjon (som i gjennomsnitt er sant), er breeding i prinsippet mulig. Dessverre, som allerede nevnt, så taper man nøytroner som blir "spist opp" andre steder i reaktoren.