Penemuan fisi nuklir pada 1930-an mensyaratkan ancaman pertama penghancuran nuklir melalui senjata nuklir pada 1940-an, diikuti oleh janji energi bersih dan berlimpah pada 1950-an berkat munculnya pembangkit listrik tenaga nuklir. Mereka harus mengganti pembangkit listrik termal lainnya dengan yang tidak menghasilkan gas buang, tidak mengeluarkan abu, dan hanya membutuhkan pengisian bahan bakar berkala dengan uranium dan bahan bakar nuklir lainnya, yang dapat ditemukan hampir di mana-mana.
Peralatan yang pertama kali membuktikan kemungkinan fisi atom eksperimental pada tahun 1938Reaktor nuklir baru muncul dengan kecepatan yang meningkat pada 1950-an dan 1960-an, yang menimbulkan kekhawatiran tentang kemungkinan kekurangan bahan bakar uranium, yang menyebabkan peningkatan jumlah studi di bidang yang disebut "Reaktor neutron cepat", yang dalam modifikasi
reaktor pemulia dapat menggunakan bahan bakar uranium jauh lebih efisien. Mereka menggunakan neutron untuk mengubah ("gandakan") uranium-238 menjadi plutonium-239, yang kemudian dapat dicampur dengan bahan bakar uranium dan membuat
bahan bakar MOX untuk reaktor neutron lambat, sebagai akibatnya dalam satu siklus dimungkinkan untuk menggunakan tidak 1%, tetapi hingga 60% energi uranium.
Boom dalam penemuan uranium pada tahun 1970-an menghentikan penelitian di bidang ini, namun, misalnya, Perancis telah secara konsisten mengerjakan proyek Rapsodie, Phénix dan SuperPhénix, dan baru-baru ini meninggalkan demonstrasi teknologi ASTRID generasi ke-4 setelah mencoba selama bertahun-tahun. bawa sampai akhir.
Namun, ini bukan akhir dari reaktor cepat. Pada artikel ini, kita akan melihat keajaiban teknik, dan berbagai jenis reaktor cepat yang digunakan atau dikembangkan oleh negara-negara seperti Rusia, Cina, dan India.
Apa itu "cepat" dalam reaktor cepat
Reaktor cepat dibuat oleh kecepatan neutron dalam proses fisi nuklir. Jika dalam
reaktor air ringan air biasa digunakan untuk memperlambat neutron, maka hal ini tidak terjadi pada reaktor pemulia cepat (BRR). Netron yang dipancarkan oleh uranium-235 dan isotop lainnya selama reaksi berantai bergerak pada kecepatan yang signifikan. Menariknya, kecepatan neutron menentukan probabilitas bahwa ia berinteraksi dengan nukleus tertentu.
Produksi aktinida transuranat dalam reaktor neutron termalUntuk mengkategorikan nuklida, digunakan properti seperti
penampang neutron . Ketika sebuah nukleus menyerap neutron, dan menyimpannya atau meluruh, mereka mengatakan bahwa atom itu jatuh ke penampang neutron. Fucile nuclides memiliki penampang neutron fisi. Nuklida lain hanya menyebarkan neutron - mereka memiliki penampang neutron yang berserakan. Nuklida dengan penampang neutron besar yang menyerap disebut "racun neutron", karena mereka hanya menyerap neutron tanpa membusuk, dan, pada kenyataannya, menghilangkan reaksi nuklir dari neutron.
Suatu nuklida dari tipe uranium-238 menarik dalam rasio persentase bukan nol dari masing-masing kategori penampang neutron ini, yang sebagian menjelaskan mengapa ia sangat tidak cocok sebagai bahan bakar untuk reaktor air ringan. Ini benar-benar berbeda dalam kasus uranium-235 - ia memiliki penampang neutron fisi yang besar, tetapi hanya pada kecepatan neutron yang jauh lebih rendah daripada yang dimiliki oleh neutron yang dilepaskan selama reaksi nuklir. Ini berarti bahwa neutron dalam reaktor air-cahaya harus diperlambat (untuk kecepatan "suhu") untuk mempertahankan proses peluruhan.
Dan di sini, di antara batang bahan bakar, ada air, dan netron terbang ke mana-mana di sana-sini setelah memulai proses peluruhan dengan bantuan sumber neutron awal. Neutron cepat ini mudah bertabrakan dengan atom hidrogen dalam molekul air, kehilangan energi kinetik dan melambat. Akibatnya, mereka terbang ke batang bahan bakar lain (atau sama) dan berhasil membagi nuklida uranium-235 lainnya.
Juga, sifat penghambat air ini bekerja sebagai tindakan keamanan. Ketika suhu dalam inti meningkat, air mendidih dan berubah menjadi gas, karena akan ada lebih sedikit molekul air dalam volume satuan, deselerasi neutron akan berhenti, dan kecepatan reaksi berantai nuklir akan turun.
Koefisien reaktivitas uap negatif
ini ada di mana
- mana di reaktor modern, dengan pengecualian model
RBMK yang terkenal dan reaktor
air berat Kanada,
CANDU .
Kami menanam plutonium untuk hiburan dan penghasilan
Cincin plutonium praktis murniSeperti disebutkan sebelumnya, uranium-238 memiliki karakteristik penampang neutron yang agak aneh. Ia menyerap dan menceraiberaikan neutron, dan terkadang menghasilkan fisi inti, dan aksi pertama terjadi jauh lebih sering. Setelah menangkap neutron, uranium-238 nuclide diubah (ditransmutasikan) menjadi plutonium-239 (dan beberapa nukleida plutonium-239 dikonversi menjadi plutonium-240). Proses ini juga terjadi di reaktor air ringan, tetapi ada yang sengaja dilakukan - plutonium dibuat dengan cara ini di BRR.
Tidak ada moderator neutron di BRR, karena membutuhkan neutron cepat yang mengubah sebanyak mungkin uranium-238 menjadi plutonium-239. Dalam BDS, inti yang diperkaya uranium-235 ditutupi oleh selubung yang terutama terdiri dari uranium-238, yang perlahan-lahan berubah menjadi plutonium-239 dan plutonium-240, yang kemudian digunakan sebagai bahan bakar MOX. Ternyata skema operasi BRR relatif sederhana, dan menggunakan sirkuit pendingin atau kolam. Sebagai pendingin, logam cair atau pendingin berbasis natrium biasanya digunakan, karena mereka memerangkap neutron dengan lemah, tetapi secara sempurna mentransfer panas.
French BRR digunakan baik untuk menghasilkan listrik dengan cara pembangkit listrik termal konvensional, dan untuk menghasilkan plutonium, yang diperlukan untuk membuat bahan bakar MOX, yang kemudian dapat digunakan dalam reaktor air ringan. Alasan utama untuk mengatur proses ini adalah keinginan untuk kemandirian energi, karena Perancis tidak memiliki cadangan uranium yang signifikan. Dan proses semacam itu akan memungkinkan untuk mendapatkan energi hingga 60 kali lebih banyak dari uranium impor, yang berarti bahwa setiap kilogram akan bertahan 60 kali lebih lama.
Reaktor Pembiak Eksperimental II (EBR II)Upaya lain untuk membuat reaktor neutron cepat termasuk reaktor terintegrasi cepat di Amerika Serikat dan
Monju Jepang (diikuti oleh reaktor neutron cepat berpendingin natrium Zoyo). Efek samping yang menyenangkan dari reproduksi bahan bakar uranium adalah untuk menghemat jumlah bahan bakar yang dihabiskan pada akhir siklus bahan bakar terbuka, karena uranium-238 yang awalnya ada dibakar menjadi plutonium-239 dalam reaktor air ringan. Bahan bakar bekas dapat kembali dilewatkan melalui reaktor neutron cepat, di mana "limbah" isotop yang tidak dapat digunakan oleh reaktor air ringan akan dibakar, dan bahan bakar tambahan akan dibuat untuk reaktor air ringan.
Sayangnya, RBD lebih mahal daripada air ringan, dan masalah dengan pendinginan natrium (terutama kebutuhan untuk mencegah kontak dengan air) telah mengarah pada kenyataan bahwa sejak penurunan harga uranium pada tahun 1970-an, biasanya lebih ekonomis untuk membuat bahan bakar baru dari bijih uranium, dan Simpan atau buang bahan bakar bekas setelah satu siklus bahan bakar terbuka di reaktor air ringan.
Terlepas dari kenyataan bahwa reaktor air ringan juga menggandakan bahan bakar sedikit, mengubah uranium-238 menjadi plutonium, bahan bakarnya masih mengandung
sekitar 96% dari uranium awal, sekitar 3% dari isotop "limbah", dan sekitar 1% dari isotop plutonium.
Bakar, sayang, bakar
Meskipun sebagian besar reaktor neutron cepat digunakan untuk melipatgandakan bahan bakar untuk reaktor air ringan, tipe lain dirancang untuk penggunaan lokal semua bahan bakar. Reaktor semacam itu disebut reaktor neutron cepat (RBN), dan konfigurasi nukleusnya berbeda dengan konfigurasi BRR, tetapi tidak memiliki perbedaan mendasar. Secara teoritis, setiap RBN dapat digunakan untuk mereproduksi dan membakar bahan bakar.
Diagram skematik reaktor neutron cepat berpendingin natriumUntuk mengubah skema dari RBD ke RBN, Anda harus menghapus lapisan uranium-238 dan memasang
reflektor neutron yang terbuat dari stainless steel (atau yang serupa). Dalam reaktor yang dihasilkan, neutron yang dilepaskan tetap berada di dalam nukleus, dan dapat berinteraksi dengan nuklida, melanjutkan proses fisi.
Akibatnya, RBN dapat memecah dan mengubah nuklida dalam bahan bakar sampai tidak ada jumlah aktinida yang tersisa di dalamnya (termasuk uranium dan plutonium). Proses ini dapat dikombinasikan dengan regenerasi bahan bakar pyrometalurgi, yang memungkinkan pemrosesan ulang bahan bakar bekas dalam reaktor air ringan untuk digunakan dalam RBF, yang pada dasarnya menutup siklus bahan bakar nuklir.
Resistensi Prancis
Tidak hanya ekonomi memainkan peran dalam menghentikan perkembangan RBN di Barat. RBN menarik perhatian para teroris dan politisi. Contoh dari karya mantan adalah serangan roket di pembangkit listrik tenaga nuklir Superphoenix, dilakukan pada 18 Januari 1982 oleh teroris lingkungan Chaim Nissim. Dia menembaki pembangkit listrik tenaga nuklir dari peluncur granat anti-tank genggam RPG-7 Soviet, meyakini bahwa RBN "bisa meledak dengan semua neutron cepatnya." Pembangkit listrik tenaga nuklir adalah proyek bersama Perancis, Italia dan Jerman, dan pada awalnya direncanakan untuk membangun pembangkit listrik tenaga nuklir dari proyek ini baik di Perancis maupun di Jerman.
Gedung Reaktor SuperphoenixSejak awal, Superfenix menghadapi perlawanan politik yang kuat dari kelompok-kelompok anti nuklir, dan prototipe reaktor ditutup pada tahun 1998, ketika pemerintah Perancis dipimpin oleh menteri hijau. Satu-satunya alasan yang diumumkan untuk penutupan adalah bahwa proyek tersebut ternyata tidak berkelanjutan karena "biaya yang berlebihan", karena 9,1 miliar euro telah dihabiskan untuk itu sejak 1976, yaitu sekitar 430 juta euro per tahun. Dan terlepas dari kenyataan bahwa pada tahun 1996 masalah dengan loop natrium diselesaikan, dan reaktor benar-benar menghasilkan uang dengan memasok listrik untuk sebagian besar keberadaannya.
Perkembangan saat ini
Situasi di AS, Prancis, dan negara-negara Barat lainnya sangat berbeda dari apa yang terjadi di Uni Soviet, Cina, dan India. Sejak tahun 1973,
BN-350 , yang terletak di tepi Laut Kaspia (sekarang ini adalah wilayah Kazakhstan), memberikan kota terdekat Aktau dengan 135 MW listrik dan air yang tidak mengandung garam. Itu ditutup hanya pada tahun 1994, karena perusahaan manajemen kehabisan dana untuk pembelian bahan bakar. Pada tahun 1999, setelah 26 tahun beroperasi, itu benar-benar ditutup.
Seri
BN-600 dilanjutkan oleh reaktor
BN-600 yang dibangun di Beloyarsk NPP di Sverdlovsk Region dekat kota Zarechny di Rusia. Itu menggunakan kolam natrium-didinginkan dan telah beroperasi sejak 1980, memasok 600 MW ke jaringan lokal. Meskipun ada beberapa masalah kecil, terutama terkait dengan kebocoran natrium, sejarah kerjanya tidak bermasalah, meskipun faktanya ia adalah prototipe kedua dalam seri ini [dari saat reaktor Phoenix dimatikan di Prancis pada 2009 hingga pertengahan 2014 (diluncurkan BN-800) BN-600 adalah satu-satunya reaktor energi neutron cepat aktif di dunia / sekitar. diterjemahkan.].
BN-800 di BeloyarskReaktor
BN-800 , dibangun di tempat yang sama di Beloyarsk, adalah prototipe akhir dari seri BN dan memberikan penghematan layanan 85% dibandingkan dengan reaktor air ringan
VVER-1200 .
BN-1200 yang dirancang akan menjadi RBN produksi massal pertama. Reaktor eksperimental Tiongkok CEFR FNR dan CFR-600 didasarkan pada teknologi reaktor BN Rusia. Rusia juga bekerja pada BRN dengan pendingin pendingin timbal.
India menemukan banyak thorium-232, yang mengarah pada penciptaan program ambisius untuk mengembangkan paralel berbasis thorium dengan reaktor uranium. Program thorium terdiri dari tiga tahap. Pertama mereka memproduksi plutonium dari uranium menggunakan reaktor air ringan. RBN kemudian menciptakan uranium-233 dari thorium-232, membakar plutonium. Akhirnya,
reaktor air berat tingkat lanjut harus menggunakan thorium yang dihasilkan sebagai bahan bakar, dan uranium-233 dan plutonium sebagai bahan bakar tambahan.
RBN generasi IV lainnya juga sedang dikembangkan - misalnya,
reaktor cepat berpendingin gas (HBR) dengan helium.
Menutup siklus bahan bakar
Seperti disebutkan sebelumnya, RBN mampu menggunakan semua bahan bakar bekas saat ini (yang sering disebut sebagai "limbah nuklir"). Bersama dengan regenerasi bahan bakar pyrometalurgi, ini akan memungkinkan reaktor fisi nuklir untuk bekerja dengan hampir nol limbah, menggunakan semua bahan bakar uranium, aktinida sekunder, dan sebagainya. Proses ini adalah tujuan utama dari program nuklir Rusia, dan juga diperhitungkan dalam program nuklir Cina, Jepang dan Korea Selatan.
Sejalan dengan proyek-proyek di Amerika Serikat (terutama di
Laboratorium Nasional Argonne dan proyeknya untuk reaktor cepat terintegrasi dengan regenerasi bahan bakar pyrometalurgi), Lembaga Penelitian Energi Atom Korea di Korea Selatan secara aktif bekerja untuk menutup siklus bahan bakar. Tujuannya adalah untuk memisahkan bahan bakar bekas dari segala sesuatu yang masih cocok sebagai bahan bakar - yaitu, dari apa yang tetap radioaktif. Sayangnya, karena alasan politik, Rusia praktis tidak bekerja sama dalam proyek-proyek ini dengan negara-negara lain, kecuali Cina, dan Korea Selatan tidak bekerja sama dengan siapa pun selain Jepang dan Cina.
Namun, meskipun demikian, upaya terus membuat RBN generasi IV dan menjadikannya reaktor pilihan untuk pembangkit listrik tenaga nuklir baru - ini tidak hanya akan memungkinkan bahan bakar nuklir yang digunakan sepenuhnya untuk digunakan dan menutup siklus bahan bakar, tetapi juga meningkatkan jumlah energi yang dapat kita ekstrak dari uranium (dan, mungkin thorium) beberapa kali. Ini akan memungkinkan kita berdua untuk meningkatkan bahkan perkiraan yang paling pesimistis dari istilah yang dapat kita tahan pada uranium yang ada dari ratusan tahun menjadi beberapa ribu nyaman, dan tidak meninggalkan limbah dalam bentuk bahan bakar uranium.