¿Cuánto puede degradar el protactinio la eficiencia del ciclo de combustible de torio?

Uno de los contrapuntos al ciclo de combustible de torio es que el Protactinio, que se genera en este ciclo, degrada la eficiencia del reactor y, por lo tanto, debe eliminarse , al menos del fluoruro líquido o de los reactores de sales fundidas. Sin embargo, por lo que puedo decir, Protactinium no se eliminó durante el funcionamiento del primer reactor de torio de combustible sólido, que era el tercer núcleo utilizado en Shippingport; o al menos no puedo encontrar ninguna mención de la eliminación de Protactinium (durante la operación) en el informe oficial de combustible .

Entonces, pregunta (s):

• Cuantitativamente, ¿qué tan malo puede degradarse la eficiencia del reactor si no se elimina Protactinium?
• ¿Hasta qué punto depende esta degradación del tipo y otros parámetros (geometría, etc.) del reactor?

Esta es una pregunta bastante compleja ya que existen múltiples variables y muchos diseños propuestos para los ciclos de combustible de torio a considerar también; pero parece que su interés principal es si dejar o no el Pa-233 en solución afectará negativamente el ciclo nuclear de torio hasta el punto en que tenga más sentido eliminar este isótopo para reintroducirlo después de que la beta se descomponga en nuestro tan necesitado U- 233 combustible.

Para responder brevemente a esta pregunta, supongamos primero un reactor térmico (como en los neutrones están bien moderados y tienen energías ideales para la fisión del U-233). A continuación, hagamos una suposición sobre la composición con 98% Th-232, 1% Pa-233 y 1% U-233.

Las secciones transversales de cada uno de estos isótopos (cuán 'grandes' son para un neutrón térmico) son aproximadamente: Th-232, 7.37 graneros para absorción; Pa-233, 40 graneros para absorción; U-233, 529 graneros para fisión. Si no sabe qué es un 'granero', básicamente no es más que describir el tamaño 2D de los núcleos objetivo en cuanto a tener una interacción con el neutrón entrante. 1 granero = ^10-24 cm ² y fue nombrado así porque en escalas atómicas, como dice el viejo refrán, "... es tan grande como un granero".

Esta información se puede utilizar para deducir la distancia promedio que recorrerá un neutrón antes de que tenga una 'colisión / interacción' con uno de estos átomos (también conocido como el camino libre medio de transporte). La función es la siguiente:

Dónde:

• $l$ es el medio de transporte camino libre;
• $\sigma$ es la sección transversal del isótopo;
• $N$ es la densidad numérica del isótopo;
• $A$ es el número de protones y neutrones en el isótopo .

Como todos son muy similares en número de protones y neutrones, podemos eliminar el término . Además, esta función se usa principalmente para dispersar y calcular la pérdida de energía de un neutrón a través de una profundidad de material dada, pero funciona igual de bien para la absorción, dejándonos con:$\frac{2}{3A}$

Esta fórmula proporciona la distancia promedio (ish) que recorrerá un neutrón a través de un material antes de tener una interacción con un átomo (absorción, fisión, dispersión, etc.).

Con algunos cálculos rápidos de números (omitiendo las densidades numéricas exactas y siguiendo el% de composiciones), podemos ver fácilmente que la distancia promedio recorrida por el neutrón es un orden de magnitud más corto para el U-233 y Th-232 frente al Pa -233 isótopo, por lo que sus efectos sobre la "eficiencia" de este reactor serían insignificantes.

Para responder tu pregunta:

• ¿La formación de Pa-233 afecta la eficiencia del reactor? Sí.
• ¿Es crítico eliminar Pa-233 para tener un ciclo de combustible de torio viable? No.
• ¿La geometría del reactor afecta la eficiencia? Sí, pero esa es otra pregunta. ;)

¡Espero que esto ayude!

La separación del protactinio es un buen beneficio de los reactores de torio fluoruro líquido, hecho posible por el hecho de que el combustible (y el protactinio) están en forma líquida. Que es fácil bombear y hacer cosas de química.

El reactor de Shippingport era un reactor de combustible sólido (óxido de torio) con agua como refrigerante y moderador. Entonces el protactinio se habría quedado atascado en los elementos combustibles.

Otros ciclos de combustible (por ejemplo, U-235) generan venenos en los reactores también. Estos realmente hacen que los elementos de combustible sólido sean inútiles antes de que se haya consumido todo el combustible. Es posible derretir el combustible y recuperar el material fisionable útil. Este proceso no ha disfrutado del nivel de adopción que de otro modo podría deberse a la política, la burocracia, etc. A menudo, el combustible gastado simplemente se elimina sin reprocesarlo.

La respuesta (lo creas o no) es no. ¿Por qué? Porque Protactinium ahora se está discutiendo como un "aditivo" a los reactores nucleares para mejorar el consumo de combustible. El costo de eliminar Protactinium no es necesario en absoluto.

Ambos son fisionables. Entonces, la respuesta corta es no.