Aποτέφρωση πυρηνικών αποβλήτων(transmutation,

incineration)

Επιμέλεια: Κασσάρας Γιώργος

Eπιβλέπουσα: Ρόζα-Ζάννη Βλαστού

Γιατί ο κόσμος αντιδρά στο σημερινό ενεργειακό πυρηνικό

πρόγραμμα ?

-Κίνδυνος πυρηνικού ατυχήματος(Three mile island, Chernobyl).

-Φόβος για χρήση της πυρηνικής ενέργειας σε στρατιωτικές επιχειρήσεις.

-Τα πυρηνικά απόβλητα(160.000 τόνοι με αύξηση 10.000 τόνους/έτος).

235

Προτεινόμενη λύση για τα πυρηνικά απόβλητα

-Τα πυρηνικά απόβλητα μπορούν να μεταστοιχειωθούν-αποτεφρωθούν σε στοιχεία που είναι σχάσιμα τα οποία μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν στην παραγωγή ενέργειας.

-Τα προϊόντα αυτής της μεταστοιχείωσης θα έχουν πολύ μικρότερους χρόνους ζωής και θα θάβονται.

Ο συμβατικός πυρηνικός αντιδραστήρας

Τα βασικά μέρη ενός συμβατικού αντιδραστήρα

-Η καρδιά του(core)

Oι ράβδοι ελέγχου(control rods)

-Το πυρηνικό καύσιμο υπερβαίνει κατά πολύ την κρίσιμη μάζα.

-Για τον έλεγχο του ρυθμού παραγωγής ενέργειας τοποθετείται ένα σύστημα κινητών ράβδων ελέγχου που έχουν σαν στόχο την απορρόφηση μέρους των νετρονίων μέσω αντιδράσεων νετρονικής σύλληψης.

Ο επιβραδυντής(moderator)

-Tα νετρόνια που παράγονται από την πυρηνική σχάση έχουν υψηλές κινητικές ενέργειες και μικρή ενεργό διατομή απορρόφησης από σχάσιμο πυρήνα.

-Με την προσθήκη ενός επιβραδυντή (νερό, βαρύ νερό, βηρύλλιο, γραφίτης) η κινητική ενέργεια των νετρονίων μειώνεται στα επίπεδα του 0,1eV

Συστήματα ΑDS(Accelarator Driven Systems)

-Δημιουργήθηκαν με σκοπό την καθαρή και ασφαλή παραγωγή πυρηνικής ενέργειας.

-Πρωτόνια επιταχύνονται από γραμμικό επιταχυντή ή κυκλοτρόνιο σε ενέργειες της τάξης του 1GeV ενώ η ένταση της δέσμης είναι 10-20mA.

-Tα πρωτόνια αυτά προσπίπτουν πάνω σε βαρύ στόχο (συνήθως μόλυβδος) και παράγουν νετρόνια.

Αντίδραση Κατακερματισμού(Spallation

reaction)-Ο αριθμός των παραγόμενων νετρονίων

είναι ανάλογος της έντασης της δέσμης των πρωτονίων.

O στόχος

-Σαν στόχος μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε κάποιο σχάσιμο υλικό(U-235,Pu-239,U-233) είτε κάποιο γόνιμο υλικό(U-238 Pu-239 ,

Th-232 U-233 ) είτε μείγμα αυτών.

-Ο κυριότερος παράγοντας που επηρεάζει την αποτελεσματικότητα τόσο της μεταστοιχείωσης όσο και της παραγωγής ενέργειας σε ένα ΑDS ,είναι η μορφή που θα έχει το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.

Adiabatic Resonance Crossing(ARC)

Kαταστροφή ΤRU και LLFF

-Για τη μεταστοιχείωση των ακτινιδών(TRU) απαιτούνται ταχέα νετρόνια .Συνοδεύεται από παραγωγή ενέργειας.

-Για τα LLFF(Tc-99 , I-129,Se-79, Cs-135, Sm-151 ),απαιτούνται θερμικά ή επιθερμικά νετρόνια. Δεν συνοδεύεται από παραγωγή ενέργειας.

Ανάγκη γνώσης ενεργών διατομών

-Για τον προσδιορισμό της απόδοσης της μεταστοιχειωτικής διαδικασίας αλλά και του φάσματος των παραγόμενων νετρονίων είναι απαραίτητη η γνώση της ενεργού διατομής της κάθε αντίδρασης.

-Λίγα πειραματικά δεδομένα στην περιοχή των ακτινιδών.

Ο Ενισχυτής Ενέργειας (Εnergy Amplifier)

-To 1993 o Carlo Rubbia προτείνει την ιδέα του ενισχυτή ενέργειας(E.A.).

-O E.Α. είναι ένα υποκρίσιμο(k=0,98) σύστημα ταχέων νετρονίων που οδηγείται από επιταχυντή πρωτονίων.

-Η στήλη με λιωμένο μόλυβδο έχει ύψος 30m,διάμετρο 6m και περιέχει 10.000 τόνους μολύβδου.

-Το σύστημα μπορεί να δώσει ηλεκτρική ισχύ 600ΜW.

Πλεονεκτήματα-μειονεκτήματα ΑDS-PWR

Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα

Πολύ μικρότερη παραγωγή LLFF

Πιο σύνθετο σύστημα (με τον επιταχυντή)

Eλάχιστη πιθανότητα πυρηνικού ατυχήματος

Πιθανή βλάβη του επιταχυντή

Αποτελεσματική αποτέφρωση ακτινιδών

Παραγωγή ραδιενεργών ισοτόπων στην περιοχή κατακερματισμού

Σύστημα χαμηλής πίεσης Ο σωλήνας της δέσμης p μπορεί να σπάσει τα προστατευτικά τοιχώματα

To πείραμα nTOF(neutron Time Of Flight)

-Στόχος του πειράματος ήταν η μέτρηση ενεργών διατομών σχάσης και σύλληψης υλικών(Th-232 ,U-233 ,U-234 ,U-236), οι οποίες χρειάζονται στο σχεδιασμό ADS.

-H διάταξη nTOF βρίσκεται στο CERN και λειτούργησε τα έτη 2001-2004.

-Παρέχει φάσμα νετρονίων από 1eV-250MeV.

J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)

2 Πειραματικές εγκαταστάσεις

-TEF-P (Transmutation Physics Experimental Facility)

Δέσμη πρωτονίων 10W χτυπά και μεταστοιχειώνει Ουράνιο ,Πλουτώνιο και ακτινίδες.

-ΤΕF-T(ADS Target Test Facility) Yγρός στόχος κατακερματισμού

Μολύβδου-Βισμουθίου βομβαρδίζεται από 200kW δέσμη πρωτονίων.

Los AlamosADTT( Acceleration Driven

Transmutation Technology)

Διαφορές Ε.Α.-ΑDTTEnergy amplifier ADTT

Aπαιτεί ισχύ δέσμης p 10-20MW.

Aπαιτεί ισχύ δέσμης p 10-300MW.

Χρησιμοποιεί υγρό μόλυβδο τόσο σαν στόχο όσο και σαν ψυκτικό μέσο του συστήματος.

Χρησιμοποιεί υγρό μόλυβδο μόνο σαν στόχο.

Χρησιμοποιεί στερεά στοιχεία ως καύσιμο.

Χρησιμοποιεί υγρά στοιχεία ως καύσιμο.

ΒιβλιογραφίαΕ.Radermacher :Contribution of the energy amplifier to new

applications

Cern n_TOF Facility:Performance Report

Carlos Paradela Dobarro: Measurement of the U-234(n,f) crosssection with PPAC detectors at then TOF facility

Καραδήμος Δ.: Πειραματικός προσδιορισμός ενεργού διατομής σχάσης προκαλούμενης από νετρόνια των πυρήνων U-234 και Τh-232.

G. P. Lawrence :Τransmutation and energy production with high power accelerators.

Google