Snelle neutronenreactoren zijn een unieke ontwikkeling van Russische wetenschappers en de toekomst van de hele kernenergie-industrie

Het vreedzame atoom is een van de pijlers van de wereldenergie, zonder welke de moderne samenleving eenvoudigweg onmogelijk is. Ondanks alle voordelen van bestaande kerncentrales, was en blijft het belangrijkste gebrek de berging van verbruikte splijtstof.

Het lijkt erop dat dit probleem ook zal worden opgelost - dankzij de unieke Russische ontwikkeling van een gesloten splijtstofcyclus, waarvan de implementatie mogelijk is in kernreactoren met snelle neutronen.

Wat is het probleem van moderne kernenergie

Het vreedzame atoom dient de mensheid dus al meer dan twaalf jaar voor het opwekken van elektriciteit over de hele wereld. Maar er is een heel ernstig probleem. Niet al het natuurlijke uranium is geschikt als brandstof voor kernreactoren.

Uranium-238 is wijdverspreid van aard (92 protonen, 146 neutronen), en zijn aandeel in de wereldreserves is 99,3% van het totale uranium op aarde. Maar het is gewoon niet geschikt voor kernreactoren als brandstof.

Alleen de resterende 0,7% van de wereldvoorraad in de vorm van uranium-235 (92 protonen, 143 neutronen) kan als brandstof dienen. Maar zelfs dit resterende deel van het uranium kan niet zomaar worden meegenomen en in de reactor worden geladen. Het moet worden voorverrijkt en het aandeel van uranium-235 in de totale massa van uranium-238 is ongeveer 700 keer zo groot geworden.

Het blijkt dat, ondanks de enorme wereldreserves, uranium dat echt geschikt is als brandstof, volgens gemiddelde berekeningen slechts 50 jaar zal volstaan.

Alles is niet zo somber als het op het eerste gezicht lijkt. Uranium-238 kan nog worden aangepast voor kernreactoren. Toegegeven, hiervoor is het noodzakelijk om uranium-238 om te zetten in plutonium-239, en dit proces is alleen mogelijk bij blootstelling aan snelle neutronen.

Het blijkt dat deze transformatie niet eenvoudig is. De meeste moderne reactoren werken immers op "langzame" neutronen, die opzettelijk worden vertraagd, aangezien uranium-235 "niet wil communiceren" met snelle neutronen. Maar uranium-238 is daarentegen niet betrokken bij het transformatieproces van langzame neutronen.

Het is economisch niet haalbaar om de omzetting van uranium-238 in plutonium-239 afzonderlijk uit te voeren. Het is veel efficiënter om hiervoor de zogenaamde extra neutronen te gebruiken, die ontstaan ​​tijdens de vervalreactie. Daarom worden ze in moderne reactoren speciaal verwijderd met behulp van absorbers.

We moeten dus ‘junk’ uranium-238 en ‘correct’ uranium-235 op één plek combineren - een atoomreactor. En dan wordt het mogelijk om zowel elektriciteit op te wekken als specifiek ‘onnodig’ uranium-238 om te zetten in nieuwe splijtstof voor reactoren. Maar een voorwaarde hiervoor is dat hij (de reactor) op snelle neutronen moet werken.

Maar het creëren van zo'n echt werkende snelle neutronenreactor bleek voor veel ingenieurs een groot probleem te zijn. En alleen Russische ingenieurs-wetenschappers hebben de taak opgepakt.

Snelle neutronenreactoren, wat is hun kenmerk

We hebben dus een reactor nodig die draait op uranium-235 en tegelijkertijd moeten we hem laten werken op snelle neutronen. Om dit mogelijk te maken, is het nodig om de dichtheid van de neutronenflux aanzienlijk te verhogen (zodat uranium-235 meer bereid wordt om te interageren met snelle neutronen).

Dit betekent dat er een meer verrijkte brandstof moet worden gebruikt, terwijl het temperatuurregime en de neutronenfluxen beduidend zwaarder zullen zijn - stabielere materialen zijn nodig.

Bovendien moeten materialen die neutronen vertragen, worden vermeden. Dat wil zeggen, de klassieke versie - water - is in dit geval niet geschikt, omdat het neutronen perfect vertraagt.

Daarom werd kwik gebruikt als koelmiddel in de vroege stadia van de ontwikkeling van snelle reactoren, maar deze optie werd snel verlaten vanwege de hoge toxiciteit van het metaal.

In de volgende fasen van de experimenten probeerden ze metalen als lood, bismut en natrium.

De meest veelbelovende materialen bleken natrium en lood te zijn. En in de eerste fase slaagden Sovjet-ingenieurs erin natrium te "temmen".

De eerste commerciële, volledig operationele snelle neutronenreactor was de Sovjet-BN-600-reactor. En al in 2015 lanceerde Rosatom de BN-800 (natrium) reactor. Dit is een unieke reactor in zijn soort, die al is aangepast om te werken op plutoniumbrandstof met een volledig gesloten kweekcyclus.

Wat is het voordeel van snelle reactoren

Voorlopige berekeningen laten zien dat dankzij deze technologie het percentage splijtstof dat geschikt is voor reactoren sterk stijgt van een bescheiden 0,7% naar 30%.

Hierdoor zullen de effectieve brandstofreserves ongeveer 43 keer toenemen, wat betekent dat ze niet voldoende zouden moeten zijn voor 50 jaar, maar voor meer dan twee millennia. Ik denk dat er een verschil is, zelfs met een zeer ruwe berekening.

Bovendien kunnen dergelijke reactoren volledig werken op verbruikte splijtstof van "langzame" reactoren, die een oplossing belooft voor de grootste hoofdpijn van milieuactivisten - hoe gebruikte kerncentrales op te ruimen brandstof.

Dergelijke reactoren zijn ook veel veiliger. Ze gebruiken immers natrium in plaats van onder hoge druk verwarmd water. Natrium wordt vloeibaar bij 100 graden Celsius en gaat pas bij 900 graden naar het kookstadium.

Laten we niet vergeten hoe het koelsysteem werkt op "conventionele" kernreactoren. Daar fungeert water onder enorme druk als koelmiddel. Het is duidelijk dat hoge druk een hoog risico op drukverlaging en ongevallen met zich meebrengt.

Er zijn geen dergelijke problemen met natrium. Omdat het kookpunt hoog is, kan het op normale druk worden gehouden, wat betekent dat er geen kans is op een uitbraak en een ongeluk.

Zelfs in het geval van een abnormale situatie, zal de reactiviteit van natrium ook in het voordeel van de veiligheid spelen. Bij interactie met zuurstof en vochtdamp in de atmosfeer wordt natrium gebonden tot persistente chemische stof verbindingen die op het grondgebied van het station zullen blijven en niet door het gebied zullen worden verspreid en radioactief worden verspreid verontreiniging.

Rusland loopt voor op de rest

Ondanks talloze pogingen van verschillende landen beschikt alleen Rusland, en in het bijzonder Rosatom, over een volwaardige commerciële versie van een snelle neutronenreactor.

Zelfs de Fransen (met hun veelbelovende ontwikkeling van de "Phoenix-reactor") slaagden er niet in om het probleem van de periodieke werking van beschermingssystemen aan te pakken en stopten het project in 2010.

De Japanners testten ook hun eigen versie - de Monju-reactor, maar na een reeks ongelukken besloten ze deze te demonteren.

De Indianen wilden ook hun eigen snelle neutronenreactor maken, maar er gebeurde niets.

In Rusland ontwikkelt de technologie zich soepel en wordt er al gewerkt aan het BN-1200-project voor snelle reactor, waarbij gesmolten lood als koelmiddel wordt gebruikt. Volgens het plan zal het in 2030 volledig operationeel zijn.

Het blijkt dat Rusland het enige land is dat echt kernenergie kan maken efficiënt en echt veilig dankzij een uniek ontwerp - een snelle neutronenreactor.