Combustível MOX - MOX fuel

Combustível de óxido misto , comumente referido como combustível MOX , é o combustível nuclear que contém mais de um óxido de material físsil , geralmente consistindo de plutônio misturado com urânio natural , urânio reprocessado ou urânio empobrecido . O combustível MOX é uma alternativa ao combustível de urânio pouco enriquecido (LEU) usado nos reatores de água leve que predominam na geração de energia nuclear .

Por exemplo, uma mistura de 7% de plutônio e 93% de urânio natural reage de forma semelhante, embora não de forma idêntica, ao combustível LEU (3 a 5% de urânio-235). MOX geralmente consiste em duas fases, UO 2 e PuO 2 , e / ou uma solução sólida monofásica (U, Pu) O 2 . O conteúdo de PuO 2 pode variar de 1,5% em peso a 25-30% em peso, dependendo do tipo de reator nuclear.

Uma atração do combustível MOX é que ele é uma forma de utilizar o plutônio excedente para armas , uma alternativa ao armazenamento do plutônio excedente, que precisaria ser protegido contra o risco de roubo para uso em armas nucleares . Por outro lado, alguns estudos alertaram que a normalização do uso comercial global do combustível MOX e a expansão associada do reprocessamento nuclear aumentará, ao invés de reduzir, o risco de proliferação nuclear , ao encorajar o aumento da separação do plutônio do combustível irradiado no nuclear civil ciclo do combustível.

Visão geral

Em cada núcleo de reator nuclear baseado em urânio, há tanto a fissão de isótopos de urânio, como o urânio-235 , quanto a formação de novos isótopos mais pesados ​​devido à captura de nêutrons , principalmente pelo urânio-238 . A maior parte da massa de combustível em um reator é urânio-238. Por captura de nêutrons e dois decaimentos beta sucessivos , o urânio-238 torna-se plutônio-239 , que, por captura sucessiva de nêutrons, torna - se plutônio-240 , plutônio-241 , plutônio-242 e (após outros decaimentos beta) outros nuclídeos transurânicos ou actinídeos . O plutônio-239 e o plutônio-241 são físseis , como o urânio-235. Pequenas quantidades de urânio-236 , neptúnio-237 e plutônio-238 são formadas de forma semelhante a partir do urânio-235.

Normalmente, com o combustível sendo trocado a cada três anos ou mais, a maior parte do plutônio-239 é "queimada" no reator. Ele se comporta como o urânio-235, com uma seção transversal ligeiramente superior para a fissão, e sua fissão libera uma quantidade semelhante de energia . Normalmente, cerca de um por cento do combustível usado descarregado de um reator é plutônio, e cerca de dois terços do plutônio é plutônio-239. Em todo o mundo, quase 100 toneladas de plutônio em combustível usado surgem a cada ano.

O reprocessamento do plutônio em combustível utilizável aumenta a energia derivada do urânio original em cerca de 12%, e se o urânio-235 também for reciclado por re-enriquecimento, isso se torna cerca de 20%. Atualmente, o plutônio é reprocessado e usado apenas uma vez como combustível MOX; o combustível MOX usado, com uma alta proporção de actinídeos menores e isótopos de plutônio, é armazenado como resíduo.

Os reatores nucleares existentes devem ser licenciados novamente antes que o combustível MOX possa ser introduzido porque seu uso muda as características operacionais de um reator, e a planta deve ser projetada ou ligeiramente adaptada para aceitá-lo; por exemplo, mais hastes de controle são necessárias. Freqüentemente, apenas um terço a metade da carga de combustível é comutada para MOX, mas para mais de 50% da carga de MOX, mudanças significativas são necessárias e um reator precisa ser projetado de acordo. O projeto do reator System 80 , especialmente implantado na Estação de Geração Nuclear Palo Verde dos Estados Unidos , perto de Phoenix, Arizona , foi projetado para compatibilidade de núcleo 100% MOX, mas até agora sempre operou com urânio fresco de baixo enriquecimento. Em teoria, os três reatores Palo Verde poderiam usar o MOX proveniente de sete reatores alimentados convencionalmente a cada ano e não exigiriam mais combustível de urânio novo.

De acordo com a Atomic Energy of Canada Limited (AECL), os reatores CANDU podem usar núcleos 100% MOX sem modificação física. A AECL relatou ao comitê da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos sobre a disposição de plutônio que tem ampla experiência em testes de uso de combustível MOX contendo de 0,5 a 3% de plutônio.

O conteúdo de plutônio não queimado no combustível MOX gasto de reatores térmicos é significativo - maior que 50% da carga inicial de plutônio. No entanto, durante a queima de MOX, a proporção de isótopos físseis (números ímpares) e não físseis (pares) cai de cerca de 65% para 20%, dependendo da queima. Isso torna qualquer tentativa de recuperar os isótopos físseis difícil e qualquer quantidade de Pu recuperado exigiria uma fração tão alta de Pu em qualquer MOX de segunda geração que seria impraticável. Isso significa que esse combustível usado seria difícil de reprocessar para posterior reutilização (queima) de plutônio. O reprocessamento regular do MOX gasto bifásico é difícil devido à baixa solubilidade do PuO 2 em ácido nítrico. Em 2015, a única demonstração comercial de combustível de alta queima, reciclado duas vezes, ocorreu no reator rápido Phénix .

Aplicativos atuais

Um MOX usado, que tem 63 GW dias (térmicos) de queima e foi examinado com um microscópio eletrônico de varredura usando o acessório de microssonda eletrônica. Quanto mais claro for o pixel do lado direito, maior será o conteúdo de plutônio do material naquele ponto

O reprocessamento de combustível nuclear comercial para fazer MOX é realizado na França e, em menor grau, na Rússia , Índia e Japão . No Reino Unido, o THORP operou de 1994 a 2018. A China planeja desenvolver reatores reprodutores rápidos e reprocessamento. O reprocessamento de combustível nuclear usado de reator comercial não é permitido nos Estados Unidos devido a considerações de não proliferação.

Os Estados Unidos estavam construindo uma usina de combustível MOX em Savannah River Site, na Carolina do Sul. Embora a Tennessee Valley Authority (TVA) e a Duke Energy expressassem interesse em usar o combustível do reator MOX a partir da conversão de plutônio para armas, a TVA (atualmente o cliente mais provável) disse em abril de 2011 que atrasaria uma decisão até que pudesse ver como Combustível MOX realizado no acidente nuclear em Fukushima Daiichi . Em maio de 2018, o Departamento de Energia informou que a usina exigiria outros US $ 48 bilhões para ser concluída, além dos US $ 7,6 bilhões já gastos. A construção foi cancelada.

Reatores térmicos

Cerca de 30 reatores térmicos na Europa (Bélgica, Holanda, Suíça, Alemanha e França) estão usando MOX e outros 20 foram licenciados para fazê-lo. A maioria dos reatores o usa como cerca de um terço de seu núcleo, mas alguns aceitam até 50% de conjuntos MOX. Na França, a EDF pretende ter toda a sua série de reatores de 900 MWe funcionando com pelo menos um terço de MOX. O Japão pretendia ter um terço de seus reatores usando MOX até 2010 e aprovou a construção de um novo reator com carregamento completo de MOX. Do total de combustível nuclear usado hoje, MOX fornece 2%.

As questões de licenciamento e segurança do uso de combustível MOX incluem:

  • Como os isótopos de plutônio absorvem mais nêutrons do que os combustíveis de urânio, os sistemas de controle do reator podem precisar de modificação.
  • O combustível MOX tende a esquentar mais devido à menor condutividade térmica, o que pode ser um problema em alguns projetos de reatores.
  • A liberação de gás de fissão em conjuntos de combustível MOX pode limitar o tempo máximo de queima do combustível MOX.

Cerca de 30% do plutônio originalmente carregado no combustível MOX é consumido pelo uso em um reator térmico. Em teoria, se um terço da carga de combustível do núcleo for MOX e dois terços do combustível de urânio, haverá variação líquida zero na massa de plutônio no combustível irradiado e o ciclo poderá ser repetido; no entanto, permanecem várias dificuldades no reprocessamento de combustível MOX usado. A partir de 2010, o plutônio é reciclado apenas uma vez em reatores térmicos e o combustível MOX usado é separado do resto do combustível usado para ser armazenado como resíduo.

Todos os isótopos de plutônio são físseis ou férteis, embora o plutônio-242 precise absorver 3 nêutrons antes de se tornar cúrio físsil -245; em reatores térmicos, a degradação isotópica limita o potencial de reciclagem do plutônio. Cerca de 1% do combustível nuclear gasto dos atuais LWRs é plutônio, com composição isotópica aproximada de 52%239
94
Pu
, 24% 240
94
Pu
, 15% 241
94
Pu
, 6% 242
94
Pu
e 2% 238
94
Pu
quando o combustível é removido do reator pela primeira vez.

Reatores rápidos

Porque a proporção de fissão para captura de alta energia ou nêutrons rápidos muda para favorecer a fissão para quase todos os actinídeos , incluindo238
92
você
, reatores rápidos poderiam usar todos eles como combustível. Todos os actinídeos podem sofrer fissão induzida por nêutrons com nêutrons não moderados ou rápidos. Um reator rápido é, portanto, mais eficiente do que um reator térmico para usar plutônio e actinídeos superiores como combustível.

Esses reatores rápidos são mais adequados para a transmutação de outros actinídeos do que os reatores térmicos. Como os reatores térmicos usam nêutrons lentos ou moderados, os actinídeos que não são fissionáveis ​​com nêutrons térmicos tendem a absorver os nêutrons em vez de fissão. Isso leva ao acúmulo de actinídeos mais pesados ​​e reduz o número de nêutrons térmicos disponíveis para continuar a reação em cadeia.

Fabricação

Separação de plutônio

O primeiro passo é separar o plutônio do urânio restante (cerca de 96% do combustível irradiado) e os produtos da fissão com outros resíduos (juntos cerca de 3%) usando o processo PUREX .

Mistura a seco

O combustível MOX pode ser feito moendo óxido de urânio (UO 2 ) e óxido de plutônio (PuO 2 ) antes que o óxido misto seja comprimido em pelotas, mas esse processo tem a desvantagem de formar muita poeira radioativa.

Coprecipitação

Uma mistura de nitrato de uranila e nitrato de plutônio em ácido nítrico é convertida por tratamento com uma base como amônia para formar uma mistura de diuranato de amônio e hidróxido de plutônio. Após o aquecimento em uma mistura de 5% de hidrogênio e 95% de argônio , formar-se-á uma mistura de dióxido de urânio e dióxido de plutônio . Usando uma base , o pó resultante pode ser passado por uma prensa e convertido em pellets. As pelotas podem então ser sinterizadas em urânio e óxido de plutônio mistos.

Conteúdo de Americium

O plutônio de combustível reprocessado é geralmente transformado em MOX em menos de cinco anos de sua produção para evitar problemas resultantes de impurezas produzidas pela decomposição de isótopos de plutônio de vida curta . Em particular, o plutônio-241 decai em amerício-241 com meia-vida de 14 anos. Como o amerício-241 é um emissor de raios gama , sua presença é um risco potencial à saúde ocupacional . É possível, entretanto, remover o amerício do plutônio por um processo de separação química. Mesmo nas piores condições, a mistura de amerício / plutônio é menos radioativa do que um licor de dissolução de combustível irradiado, portanto, deve ser relativamente simples recuperar o plutônio por PUREX ou outro método de reprocessamento aquoso.

Conteúdo de cúrio

É possível que amerício e cúrio possam ser adicionados a um combustível U / Pu MOX antes de ser carregado em um reator rápido. Este é um meio de transmutação. Trabalhar com cúrio é muito mais difícil do que com amerício porque o cúrio é um emissor de nêutrons, a linha de produção MOX precisaria ser protegida com chumbo e água para proteger os trabalhadores.

Além disso, a irradiação de nêutrons do cúrio gera os actinídeos mais elevados , como o califórnio , que aumenta a dose de nêutrons associada ao combustível nuclear usado ; isso tem o potencial de poluir o ciclo do combustível com fortes emissores de nêutrons. Como resultado, é provável que o cúrio seja excluído da maioria dos combustíveis MOX.

Thorium MOX

O combustível MOX contendo óxidos de tório e plutônio também está sendo testado. De acordo com um estudo norueguês, "a reatividade do vazio do refrigerante do combustível de tório-plutônio é negativa para conteúdos de plutônio de até 21%, enquanto a transição é de 16% para o combustível MOX." Os autores concluíram, "O combustível de tório-plutônio parece oferecer algumas vantagens sobre o combustível MOX no que diz respeito aos valores de haste e boro de controle , CVR e consumo de plutônio."

Veja também

Referências

links externos