Quanto può il Protactinium degradare l'efficienza del ciclo del combustibile al torio?

Uno dei contrappunti al ciclo del combustibile al torio è che il protattinio, che viene generato in questo ciclo, degrada l'efficienza del reattore e quindi deve essere rimosso , almeno dal reattore al fluoruro liquido o al sale fuso. Tuttavia, per quanto ne so, il Protactinium non fu rimosso durante il funzionamento del primo reattore al torio a combustibile solido, che era il terzo nucleo utilizzato a Shippingport; o almeno non riesco a trovare alcuna menzione della rimozione di Protactinium (durante il funzionamento) nel rapporto ufficiale sul carburante .

Quindi, domande:

• Quantitativamente, quanto può essere degradata l'efficienza del reattore dal fatto che il Protactinium non venga rimosso?
• In che misura questa degradazione dipende dal tipo e da altri parametri (geometria ecc.) Del reattore?

Questa è una domanda piuttosto complessa in quanto vi sono anche più variabili e molti progetti proposti per i cicli del combustibile al torio; ma sembra che il tuo interesse principale sia se lasciare o meno il Pa-233 in soluzione influenzerà negativamente il ciclo nucleare del torio al punto in cui ha più senso rimuovere questo isotopo da reintrodurre dopo che il beta decade con il nostro U tanto necessario 233 carburante.

Per rispondere brevemente a questa domanda, assumiamo innanzitutto un reattore termico (come nei neutroni sono ben moderati e hanno energie ideali per la fissione dell'U-233). Ora facciamo un presupposto sulla composizione con 98% Th-232, 1% Pa-233 e 1% U-233.

Le sezioni trasversali di ciascuno di questi isotopi (quanto "grandi" sono per un neutrone termico) sono approssimativamente: Th-232, 7,37 fienili per assorbimento; Pa-233, 40 granai per assorbimento; U-233, 529 fienili per fissione. Se non sai cosa sia un 'fienile', fondamentalmente non è altro che descrivere la dimensione 2D dei nuclei bersaglio per quanto riguarda l'interazione con il neutrone in arrivo. 1 granaio = ^10-24 cm ² ed è stato chiamato tale perché su scala atomica, come dice il vecchio proverbio, "... è grande come un granaio".

Queste informazioni possono essere utilizzate per derivare la distanza media che un neutrone percorrerà prima che abbia una "collisione / interazione" con uno di questi atomi (noto anche come percorso libero del mezzo di trasporto). La funzione è la seguente:

Dove:

• $l$ è la via libera del mezzo di trasporto;
• $\sigma$ è la sezione trasversale dell'isotopo;
• $N$ è la densità numerica dell'isotopo;
• $A$ è il numero di protoni e neutroni nell'isotopo .

Poiché sono tutti molto simili nel numero di protoni e neutroni, possiamo eliminare il termine . Inoltre, questa funzione viene utilizzata principalmente per la dispersione e il calcolo della perdita di energia di un neutrone attraverso una determinata profondità di materiale, ma funziona altrettanto bene per l'assorbimento lasciandoci con:$\frac{2}{3A}$

Questa formula fornisce la distanza media (ish) che un neutrone percorrerà attraverso un materiale prima di avere un'interazione con un atomo (assorbimento, fissione, dispersione, ecc.).

Con un rapido scricchiolio dei numeri (saltando l'esatta densità numerica e andando con la percentuale di composizioni) possiamo facilmente vedere che la distanza media percorsa dal neutrone è superiore di un ordine di grandezza più breve per l'U-233 e il Th-232 rispetto al Pa -233 isotopo quindi i suoi effetti sull'efficienza di questo reattore sarebbero trascurabili.

Per rispondere alle tue domande:

• La formazione di Pa-233 influisce sull'efficienza del reattore? Sì.
• È fondamentale rimuovere Pa-233 per avere un ciclo del combustibile al torio praticabile? No.
• La geometria del reattore influisce sull'efficienza? Sì, ma questa è un'altra domanda. ;)

Spero che sia di aiuto!

La separazione del protattinio è un piacevole vantaggio di un reattore al fluoruro di torio liquido, reso possibile dal fatto che il combustibile (e il protattinio) sono in forma liquida. Che è facile pompare e fare cose chimiche.

Il reattore Shippingport era un reattore a combustibile solido (ossido di torio) con acqua come refrigerante e moderatore. Quindi il protactinium sarebbe stato bloccato negli elementi del carburante.

Altri cicli di carburante (ad es. U-235) generano anche veleni per reattori. Questi in realtà rendono inutili gli elementi di combustibile solido prima che tutto il combustibile sia stato consumato. È possibile fondere il combustibile e recuperare l'utile materiale fissile. Questo processo non ha goduto del livello di adozione che potrebbe altrimenti a causa della politica, della burocrazia ecc. Spesso, il combustibile esaurito viene semplicemente smaltito senza ricondizionamento.

La risposta (che ci crediate o no) è no. Perché? Perché il Protactinium viene ora discusso come "additivo" per i reattori nucleari per migliorare il consumo di carburante. Il costo di rimozione del Protactinium non è affatto necessario.

Entrambi sono fissili. Quindi, la risposta breve è no.